余熱梯級回收技術應用于燃煤供熱工業(yè)鍋爐濕煙羽治理的可行性分析

0 引言

當前，國內85%以上的燃煤電廠和鋼鐵燒結采取了濕法脫硫工藝，由于FGD后無煙氣再熱裝置，煙囪采用濕煙氣排放，與溫度較低的環(huán)境大氣混合，煙氣中大量的水蒸氣遇冷凝結為小液滴，經(jīng)光線的折射或散射作用，濕煙氣呈現(xiàn)白色或者灰色，即所謂的“白煙”。隨著國家對節(jié)能減排工作的不斷深入，環(huán)保標準已不斷提高，排放監(jiān)督已愈發(fā)嚴格，各地市針對有色煙羽及煙氣含濕量的排放標準已陸續(xù)出臺，煙囪濕煙羽的治理已成為大勢所趨。

以臨沂市某熱力公司熱源廠為例，該熱源廠共有兩臺70MW熱水鍋爐，煙氣脫硫采用石灰石-濕法脫硫系統(tǒng)，鍋爐在70MW負荷，排煙溫度高達162℃，高溫煙氣要經(jīng)噴淋、脫硫等工藝從脫硫塔入口的162℃左右最終降低到50℃左右從脫硫系統(tǒng)排出，這一工藝浪費了大量的能量。鍋爐排煙溫度高，煙氣體積流量增大，除了鍋爐的排煙熱損失增加，鍋爐效率下降外，還會對其后的設備如：除塵器、引風機、脫硫塔等的安全和經(jīng)濟運行造成一定的影響。

1 鍋爐參數(shù)

鍋爐型號為：DZL70-1.6/130/70-AⅡ3，主要設計參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要設計參數(shù)

兩臺鍋爐設計配套兩套布袋除塵器、兩臺引風機、一套石灰石-石膏濕法煙氣脫硫（以下簡稱FGD）裝置、一套臭氧脫硝裝置。目前實際供暖面積240萬m，在供暖中期天氣寒冷的條件下兩臺鍋爐出力已達到130MW以上，供暖缺口較大，供熱能力亟需增加。

2 主要“濕煙羽”治理技術

傳統(tǒng)的消白煙技術（GGH、MGGH）一般采用直接加熱脫硫出口煙氣的方式，將排煙溫度直接由50℃左右加熱至80℃以上，以提高排煙溫度，提高煙氣的抬升高度，提高污染物擴散效果為主，煙氣攜帶的石膏漿液、SO等污染物沒有從根本上脫除，未從根本上解決濕煙羽的污染物排放問題。而且該技術系統(tǒng)復雜，投資巨大，設備腐蝕、積灰結垢堵塞等問題頻繁發(fā)生，故障率高，回收的煙氣余熱僅僅用來加熱脫硫出口煙氣，有的甚至需要用輔汽加熱，造成能量的極大浪費。

目前消白煙技術方向是以脫硫后煙氣先冷凝再加熱路線為主。脫硫后煙氣消白需要的加熱溫度與環(huán)境溫度、環(huán)境濕度及脫硫出口的濕煙氣溫度有關。經(jīng)研究證實，55℃的濕煙氣、在10℃的環(huán)境下，需要將脫硫出口煙氣加熱至87.9℃才能將白煙完全消除；而45℃的濕煙氣、在10℃的環(huán)境下，只需要將脫硫出口煙氣加熱至57.9℃。此種技術又分為兩種路線：一種路線是增加冷水機組提供低溫凝結水對煙氣降溫。此路線的弊端是冷水機組產生的冷凝廢熱無法直接用于供熱而直接排放，導致新增廢熱排放；另一種路線是“噴淋+蒸汽驅動熱泵”，此路線可大幅降低污染物排放，但需要蒸汽驅動熱泵，蒸汽耗量大且對于大多數(shù)熱水鍋爐系統(tǒng)無法使用。

2.1 MGGH技術

MGGH技術（Mitsubishi recirculated nonleak type gasgas heater，MGGH低低溫煙氣處理系統(tǒng)）是由日本三菱公司開發(fā)，其基本工藝為：用原煙氣加熱熱媒水，然后用熱媒水加熱脫硫后的凈煙氣。后來三菱公司通過研究改進采用了MGGH移至空氣預熱器后、除塵器前的布置方案，它使進入除塵器的煙溫控制在90℃左右，與之配套的低低溫電除塵器采用較小的SCA即可實現(xiàn)較低的粉塵排放。

如圖1所示，MGGH一般由煙氣冷卻段和煙氣再熱段兩部組成。煙氣降溫段可布置在空預器與電除塵器之間、電除塵器與引風機之間、引風機與脫硫吸收塔之間。實際改造時一般布置在空預器與電除塵器之間、引風機與脫硫吸收塔之間、也可能分兩級布置在兩個位置。

圖1 MGGH原理圖

MGGH技術主要技術特點有：布置在除塵器前可以提高電除塵的除塵效率，同時由于風機流量降低，可以降低風機的能耗，減少因為換熱器阻力增加產生的能耗；克服了傳統(tǒng)GGH易堵塞和SO泄露等問題；原煙氣與凈煙氣完全隔離，不會對凈煙氣造成污染；可有效調節(jié)煙氣加熱后的排煙溫度。

只要在脫硫前后有布置煙氣換熱空間的電廠均可使用，目前國內絕大多數(shù)電廠都具備應用條件。

2.2 冷凝+再熱技術

煙氣通過冷凝降溫后，煙氣中的水汽凝結析出后，通過除霧器等裝置捕集，煙氣的含濕量大大降低。之后再經(jīng)過煙氣再熱裝置，通過提升煙氣溫度有效消除“濕煙羽”。由于煙氣中溫度和含濕量降低，因此可有效降低煙溫升高的幅度，節(jié)約熱源消耗。一般煙氣溫度越高、環(huán)境溫度越低、環(huán)境相對濕度越高，煙溫需要提升幅度降低的越明顯。

由于冷凝裝置一般與再熱裝置是兩個獨立系統(tǒng)，冷凝與加熱技術可根據(jù)實際情況選擇前述各種方式互相組合。

冷凝再熱復合技術的主要技術特點有：降溫過程中，可有效降低煙氣中煙塵、SO、Hg等污染物的濃度，并回收煙氣中的大量冷凝水，實現(xiàn)脫硫系統(tǒng)零水耗；煙氣含濕量降低后，煙氣升溫幅度可大幅降低，節(jié)約加熱熱源的消耗，降低機組能耗；可以在冬季實現(xiàn)有效消除“濕煙羽”現(xiàn)象。

在環(huán)境溫度低于15℃時，常規(guī)加熱到75℃到80℃時，仍然會有“濕煙羽”現(xiàn)象。因此，該技術適合于常年平均低溫低于15℃的地區(qū)的電廠采用。

根據(jù)當?shù)氐睦湓?、電廠設備狀況及環(huán)境情況，可根據(jù)情況采用直接冷凝、間接冷凝。冷源可采用水冷、空冷等方式。根據(jù)熱網(wǎng)水等情況，可采用熱泵或空冷塔等形式。

煙氣再熱技術的選擇根據(jù)現(xiàn)場場地、環(huán)保要求、投資、阻力等多種因素綜合考慮確定。

3 本項目改造方案

采用“煙氣冷凝+再熱”的技術路線，可分為煙溫自動調節(jié)控制系統(tǒng)、高品質煙氣余熱回收系統(tǒng)、低品質煙氣余熱噴淋換熱及高效熱泵余熱提取系統(tǒng)。系統(tǒng)整合先進的余熱回收利用技術、高效傳熱、高效熱泵等技術，充分回收鍋爐煙氣余熱廢熱用于居民供暖，實現(xiàn)能量的梯級利用，對煙氣中的SO及石膏等污染物有較好的二次脫除作用，真正實現(xiàn)節(jié)能減排、清潔供暖，達到能源和污染物的雙重“零排放”。

系統(tǒng)將鍋爐尾部煙氣按余熱品質高中低分三個梯級利用：高品質的余熱提質后用作吸收式熱泵驅動熱源，與傳統(tǒng)再熱技術相比，換熱溫差大為降低，相應的不可逆損失也較小；中品質的煙氣余熱用于噴淋塔出口的煙氣再熱；低品質的煙氣余熱被噴淋式換熱器回收后用作吸收式熱泵的冷源，噴淋換熱過程同時完成煙氣的冷凝過程。余熱的兩次利用過程所獲取的能量用于增加供熱，可提高機組供熱能力7%以上。（圖2）

圖2 煙氣余熱深度利用供暖項目技術路線圖

3.1 高品質余熱源（高溫煙氣160℃→110℃）（圖3）

圖3 高溫煙氣余熱回收原理圖

鍋爐里的煤燃燒以后，廢氣（稱為煙道氣）往煙囪里排出去，此時煙道氣的溫度還很高，讓它在離開鍋爐的燃燒室、進入煙囪之前，流過一個列管換熱器，使它的余熱把換熱器內流過的水加熱，可以制取100~120℃的高溫熱水，能作為吸收式熱泵的驅動熱源。

煙氣-水換熱器的主要作用是吸收煙氣余熱加熱吸收式熱泵驅動水，降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率。

3.2 中品質余熱源（煙氣溫度110℃→85℃/35℃→60℃）（可暫不實施）（圖4）

圖4 中溫煙氣余熱回收原理圖

熱管換熱器由煙氣冷卻段和煙氣再熱段兩部組成。煙氣降溫段布置在引風機與脫硫吸收塔之間，煙氣再熱段布置在脫硫塔前部煙道。

3.3 低品質余熱源（煙氣溫度50℃→35℃）

圖5 低溫煙氣余熱回收原理圖

①回收水蒸氣的凝結潛熱，就要使煙氣溫度降低到水露點溫度以下；②煤鍋爐排煙水露點溫度：55~60℃；③煙氣溫度降低至35℃，會有60%左右的水蒸氣冷凝。

4 技術經(jīng)濟性分析

經(jīng)測算，該項目總投資1820萬元，額定負荷兩臺鍋爐可以回收16.34MW的熱量，可新增供熱面積34.8萬m。

供熱收入=34.8萬m×23元/m=800.4萬元。

每年供熱凈收益=供熱收益-設備運行電費-運維費用=800.4萬元-270.1萬元-50萬元=480.3萬元。

靜態(tài)投資回收期：1820萬元÷480.3萬元/年=3.79年。

項目總投資1820萬元，額定負荷兩臺鍋爐可以回收16.34MW的熱量，可新增供熱面積34.8萬m，采暖季收益800.4萬元，年運行費用320.1萬元，年凈收益480.3萬元，靜態(tài)投資回收期3.79年。

取暖季脫硫塔出口溫度由50~55℃降低至35℃左右，回收煙氣中57%以上的水蒸氣含量，可有效實現(xiàn)降低能耗、增加供熱面積、節(jié)水、消除“濕煙羽”等多種目的，煙囪白煙現(xiàn)象得到較大改善。

5 結語

目前各地出臺的政策以限定煙氣的排煙濕度和排煙溫度為主，并未對消白煙的效果提出明確要求，對于燃煤供熱工業(yè)鍋爐的濕煙羽治理，應充分回收利用煙氣的熱量，提高一次能源利用效率，按照余熱廢熱“減量化、資源化、再利用”的開發(fā)思路，經(jīng)多路線比對，可采用“煙氣冷凝+再熱”的技術路線，先期采用“冷凝、除濕”路線進行煙氣消白及余熱利用改造，通過降低噴淋水溫度來降低排煙溫度，最終達到降低煙氣含濕量的效果。同時可將富余的熱量用于加熱熱網(wǎng)回水，為廠區(qū)及附近熱用戶供熱，增加經(jīng)濟及環(huán)境效益。

本煙氣余熱深度回收及消白煙系統(tǒng)順應了市場發(fā)展的趨勢，在消除白煙的同時可以將提取的熱量用于增加供暖，且相關熱泵技術、換熱技術較為成熟，運行風險低，節(jié)能效果好，是一項極具市場潛力和競爭優(yōu)勢的技術。