燃煤電廠(chǎng)節(jié)能型煙羽消除的煙氣深度凈化技術(shù)探討

李 晨

（山西省科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化促進(jìn)與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心，山西 太原 030000）

1 濕煙羽的定義及污染物分析

在全世界范圍內(nèi)煤炭一直都是主要一次能源，其廣泛應(yīng)用于電力、焦化、鋼鐵和化工等行業(yè)，由于煤燃燒或煤氣化，煙氣必須進(jìn)行處理，常用的方法是尾部煙氣濕法脫硫和催化還原或非催化還原脫氮。為了達(dá)到超低排放，脫硫塔噴淋層數(shù)逐漸增多，使得脫硫塔出口煙氣中的水含量逐漸增大，飽和濕煙氣經(jīng)煙囪排放進(jìn)入溫度較低的環(huán)境，飽和濕煙氣在環(huán)境中擴(kuò)散與空氣混合過(guò)程中，煙氣中的水蒸氣會(huì)凝結(jié)形成小液滴，小液滴對(duì)光線(xiàn)產(chǎn)生折射、散射作用，從而使煙囪出口的煙羽呈現(xiàn)白色或者灰色，稱(chēng)為“濕煙羽”（俗稱(chēng)“大白煙”）[1]。一方面，濕煙羽造成大量水分流失，電廠(chǎng)運(yùn)行能耗增加，且引起電廠(chǎng)周?chē)用竦纳罾_而產(chǎn)生環(huán)保投訴；另一方面，無(wú)論是哪種濕法脫硫工藝，濕煙羽中含有脫硫劑、副產(chǎn)品、SO3和酸霧氣溶膠，及氨法工藝逃逸的氨，這些會(huì)引起煙囪腐蝕和空氣質(zhì)量變差[2]。

濕法脫硫裝置對(duì)SO2的脫除效率高于97%以上，但對(duì)SO3的脫除效率只有30%左右。煙氣中SO3進(jìn)入濕法脫硫系統(tǒng)后迅速冷卻到酸露點(diǎn)以下，絕大部分通過(guò)均相成核形成細(xì)小SO3氣溶膠，它們主要集中在亞微米級(jí)粒度范圍。大液滴酸霧可在噴淋塔中與漿液滴碰撞進(jìn)而被漿液吸收除去，而氣溶膠顆粒在氣流中跟隨性好，可以繞過(guò)漿液滴不與液滴發(fā)生融合，因此通過(guò)漿液洗滌吸收SO3的脫除作用有限，大部分SO3仍隨煙氣被帶出脫硫塔外[3]。

“濕煙羽”或“藍(lán)羽”現(xiàn)象，這是目前燃煤行業(yè)面臨的突出環(huán)境問(wèn)題之一，已經(jīng)逐漸引起了業(yè)內(nèi)人士的重視，“濕煙羽”消除及微量污染物脫除勢(shì)在必行。

2 國(guó)內(nèi)外濕煙羽控制技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

目前，主要有兩大類(lèi)燃煤煙氣污染物控制技術(shù)：尾部煙氣FGD 脫硫+SCR 脫銷(xiāo)和爐內(nèi)石灰石脫硫+SNCR 脫銷(xiāo)+爐外半干法深度脫硫。尾部煙氣FGD 脫硫+SCR 脫硝技術(shù)在火電廠(chǎng)得到廣泛應(yīng)用，盡管在穩(wěn)定性、安全性方面存在著氨逃逸率高、空預(yù)器積灰嚴(yán)重、石膏難以處理且排煙含水量大、濕煙羽等突出問(wèn)題，但其能夠滿(mǎn)足國(guó)家要求的火電機(jī)組超低排放限值：煙塵質(zhì)量濃度為5 mg/m3、SO2質(zhì)量濃度為35 mg/m3和NOx質(zhì)量濃度為50 mg/m3[4]。

燃煤電廠(chǎng)超低排放改造技術(shù)中，采用低低溫電除塵器、濕法脫硫裝置和濕式靜電除塵器對(duì)SO3進(jìn)行協(xié)同控制。低低溫電除塵器協(xié)同脫除SO3的效率，目前研究結(jié)果存在較大差異。對(duì)實(shí)際運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行測(cè)試結(jié)果顯示，在機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，低低溫電除塵器對(duì)SO3脫除率為20%左右。

3 山西省產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

山西是全國(guó)十大火電大省之一。截至2020 年底，山西省發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1.038 億kW，其中，新能源發(fā)電裝機(jī)容量3 282.7 萬(wàn)kW，占全省裝機(jī)容量的31.6%。

菲達(dá)環(huán)保參與的山西大唐國(guó)際臨汾熱電有限責(zé)任公司2×300 MW 機(jī)組煙羽脫白項(xiàng)目，采用漿液冷凝煙羽脫白項(xiàng)目，然而并未充分考慮煙氣消白后冷凝潛熱的利用。山西焦化股份有限公司采用間接式換熱技術(shù)回收煙氣中的顯熱，降低煙氣溫度，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t煙道內(nèi)的余熱回收，余熱利用煙溫大于140 ℃，相比脫硫后凈煙氣屬于較高品位熱源。長(zhǎng)治興寶鋼鐵有限公司采用雙循環(huán)低溫余熱發(fā)電技術(shù)對(duì)軋鋼產(chǎn)線(xiàn)乏汽余熱進(jìn)行利用，建成功率250 kW、壓力0.5 kg 的乏汽發(fā)電機(jī)組，可實(shí)現(xiàn)60 ℃～150 ℃低品位余熱的發(fā)電，目前已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)7 000 多個(gè)小時(shí)，共發(fā)電55 萬(wàn)kW·h。

以燃煤發(fā)電機(jī)組為例，煙氣在脫硫塔內(nèi)經(jīng)過(guò)絕熱濕飽和過(guò)程后降至50 ℃左右，含有大量的水蒸氣潛熱。由于當(dāng)前低溫余熱技術(shù)利用的限制，水蒸氣潛熱隨煙氣直接排放到環(huán)境中，造成余能的浪費(fèi)。而當(dāng)前低溫余熱利用技術(shù)，最低可以對(duì)60 ℃的煙氣進(jìn)行余熱發(fā)電，缺乏更低品位的余熱利用技術(shù)。因此，開(kāi)發(fā)低于50 ℃的低溫余能利用技術(shù)對(duì)于提高能源利用效率，減少污染物排放具有重要意義。

4 山西省在煙羽消除方面所做的探索

山西大學(xué)邱麗霞等人基于600 MW 空冷機(jī)組，考察了煙氣余熱用于加熱凈煙氣和用于加熱凝結(jié)水兩種余熱利用方式，從熱力學(xué)理論和經(jīng)濟(jì)效益兩方面對(duì)低溫?zé)煔馓幚硐到y(tǒng)中兩種煙氣余熱利用方案進(jìn)行了對(duì)比分析，未進(jìn)行實(shí)際示范應(yīng)用。太原理工大學(xué)胡杰鋒等人研究了排煙溫度對(duì)燃?xì)獍l(fā)電鍋爐熱效率的影響，對(duì)比分析冷凝式煙氣余熱回收和熱管式煙氣余熱回收的技術(shù)特點(diǎn)，以及實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中在運(yùn)行成本、熱效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的問(wèn)題。何川等人以600 MW 機(jī)組為對(duì)象，采用等效熱降法，對(duì)比研究了低壓省煤器、暖風(fēng)器-低壓省煤器聯(lián)合運(yùn)行和分煙道等3 種余熱利用方案，對(duì)余熱利用經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。

從上述省內(nèi)技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀調(diào)研可以看出，當(dāng)前省內(nèi)主要高校與科研機(jī)構(gòu)主要針對(duì)煙氣中的顯熱進(jìn)行利用，以提高機(jī)組熱利用效率，缺乏對(duì)低溫?zé)煔庵兴魵鉂摕崂玫难芯俊Ａ硗?，?duì)比低品位余熱用于發(fā)電與用于供熱這兩種方式，從熱量的“質(zhì)”和“量”兩個(gè)角度出發(fā)考慮，城鎮(zhèn)集中供暖是低品位工業(yè)余熱應(yīng)用的適宜場(chǎng)合[5]。

5 煙羽消除技術(shù)的研究方向

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)主要采用冷凝、加熱、加熱再冷凝三種技術(shù)方案解決煙羽問(wèn)題。首先是煙氣加熱技術(shù)，可采用間接式加熱方式和混合加熱方式，可以在一定環(huán)境溫度條件下消除煙羽問(wèn)題，但是不能起到降低煙氣絕對(duì)濕度的效果，也不能進(jìn)一步深度脫除多種污染物。其次是煙氣降溫技術(shù)，可以回收一定的熱量和水分，同時(shí)脫除多種污染物，具有一定的消白煙能力，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，腐蝕問(wèn)題難以解決。最后是煙氣冷凝后再加熱技術(shù)，可以有效消除白煙問(wèn)題，但是系統(tǒng)阻力較高，熱量回收效果較差，同時(shí)腐蝕問(wèn)題也很?chē)?yán)重。

針對(duì)節(jié)能型煙羽消除與多種污染物同時(shí)脫除的技術(shù)要求，下一步的研究方向?qū)?huì)采用直接接觸式冷凝換熱技術(shù)回收煙氣中的潛熱，降低煙氣露點(diǎn)溫度，以氣液反應(yīng)器的形式實(shí)現(xiàn)煙氣降溫除濕，這樣不但大幅度提高了換熱效率而且可以避免間接換熱過(guò)程中的煙氣冷凝問(wèn)題。采用吸收式熱泵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)煙氣中潛熱的回收，用于居民供暖，實(shí)現(xiàn)低溫余熱的高效利用。采用流型調(diào)控裝置強(qiáng)化噴淋塔內(nèi)氣液接觸時(shí)的傳熱傳質(zhì)效果[6]。通過(guò)氣液流型調(diào)控裝置改變局部氣液流動(dòng)狀態(tài)，改變顆粒物捕集機(jī)制，由單個(gè)噴淋環(huán)境下單個(gè)液滴的碰撞捕集為主，轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀萘鲃?dòng)過(guò)程中的多種捕集方式共同主導(dǎo)，強(qiáng)化了多尺度顆粒物捕集效果[7]。

直接接觸換熱克服了間壁式換熱存在的換熱面積大、腐蝕等問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究中，清華大學(xué)對(duì)這部分研究較多，建立了數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。由長(zhǎng)福提出的噴淋式吸收塔內(nèi)的增加減阻流場(chǎng)組織技術(shù)，可以以較低的成本提高塔內(nèi)氣液流場(chǎng)分布的均勻性，增強(qiáng)氣液傳質(zhì)效果，并通過(guò)中式試驗(yàn)與現(xiàn)有多孔合金托盤(pán)進(jìn)行了對(duì)比，在控制系統(tǒng)阻力方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)；提出的氣液流型調(diào)控技術(shù)，可以有效的改變局部空間內(nèi)氣液流動(dòng)狀態(tài)，使之產(chǎn)生鼓泡流、攪混流等不同的流動(dòng)形態(tài)，強(qiáng)化氣液接觸面積，提高傳質(zhì)效果，同時(shí)可以提高顆粒物捕集效果；通過(guò)實(shí)驗(yàn)室尺寸和中試尺寸的實(shí)驗(yàn)考察并得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作條件對(duì)流動(dòng)狀態(tài)、污染物脫除效率的影響，并進(jìn)行了工業(yè)示范應(yīng)用。

6 結(jié)論

開(kāi)發(fā)煙氣低溫余熱利用技術(shù)，消除有色煙羽問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多種低濃度污染物脫除對(duì)于帶動(dòng)山西節(jié)能與環(huán)保行業(yè)發(fā)展、促進(jìn)能源與經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型具有重要意義。

采用吸收式熱泵和直接接觸式換熱相結(jié)合技術(shù)，目的是深度回收煙氣冷凝余熱，提高熱源供熱效率、增加熱源供熱能力。通過(guò)深度回收煙氣余熱，可大幅度提高燃煤鍋爐的熱效率，降低煤炭消耗量。在回收余熱的同時(shí)使脫硫塔后煙氣中的水蒸氣冷凝，減少水蒸氣的排放量，從而減少水消耗，節(jié)省水資源。同時(shí)實(shí)現(xiàn)煙氣中多種濃度的污染物的深度脫除，對(duì)于提高發(fā)電機(jī)組熱利用效率，控制排煙污染物水平具有非常重要的意義。