超超臨界空冷機(jī)組煙氣提水工藝設(shè)計(jì)

摘" 要：該文主要介紹煙氣提水工藝設(shè)計(jì)的原理，從煙氣特性、污染物脫除、降溫冷卻裝置、冷源的選擇及循環(huán)系統(tǒng)等介紹煙氣提水的工藝設(shè)計(jì)，以某超超臨界空冷機(jī)組為例，介紹煙氣提水工藝設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)與相關(guān)運(yùn)行情況，具有良好的經(jīng)濟(jì)效果并能二次脫除煙氣中的污染物。

關(guān)鍵詞：煙氣提水；超低排放；工藝設(shè)計(jì)；超超臨界機(jī)組；超低排放

中圖分類(lèi)號(hào)：TM621" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）19-0009-06

Abstract： This paper mainly introduces the principle of flue gas water extraction process design， including flue gas characteristics， pollutant removal， cooling and cooling devices， selection of cold sources， and circulation system. Taking an ultra supercritical air cooling unit as an example， the paper introduces the main design parameters of flue gas water extraction process design， and introduces relevant operating conditions， which has good economic effects and can secondary remove pollutants from flue gas.

Keywords： flue gas water extraction; ultra-low emission; process design; ultra-supercritical unit; ultra-low emission

化石能源是我國(guó)主要能源，以煤炭為原料的燃煤電廠仍占我國(guó)電力的大多數(shù)。燃煤燃燒后產(chǎn)生的煙氣經(jīng)除塵、脫硝、脫硫后含有大量的水及低品位的熱量。從脫硫后的煙氣匯總回收水及熱量是一項(xiàng)重要的節(jié)水節(jié)能措施[1-3]。

目前，從煙氣中回收水的技術(shù)主要有冷凝法（換熱器間接冷凝法[4-6]、直接冷凝法）、膜法[7-9]、吸收法[10]等技術(shù)路線，膜法中的TMC[11-13]法能同時(shí)從煙氣中回收水及熱量，沒(méi)有規(guī)模化應(yīng)用。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的是冷凝法，換熱器間接冷凝法由于酸露點(diǎn)的影響[14-15]需選用耐蝕材質(zhì)，受限于換熱的材質(zhì)及傳熱效率，成本較高；直接冷凝法，已成功應(yīng)用到京能五間房電廠等多個(gè)煙氣提水項(xiàng)目中[15]。

煙氣提水技術(shù)可以應(yīng)用于水資源的回收（如節(jié)水、脫硫零補(bǔ)水、全廠零補(bǔ)水等），適用于水資源緊缺、水資源配額不足的地區(qū)，同時(shí)也適用于有節(jié)能降耗需求的地區(qū)；還可以應(yīng)用于煙氣深度凈化（煙氣的超超低排放、可凝結(jié)性顆粒物的脫除），適用于對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性的保障性措施、對(duì)環(huán)保指標(biāo)具有更高要求的機(jī)組；還可以用于有色煙羽/煙囪雨的治理，適用于區(qū)域性的環(huán)保要求，還可以滿(mǎn)足特殊高濕度煙氣排放。

煙氣提水技術(shù)還是一種優(yōu)秀的熱回收技術(shù)，與供熱機(jī)組、天燃?xì)夤徨仩t以及熱泵技術(shù)等聯(lián)合使用可以用于集中供暖/空調(diào)以及熱回收等，是一種優(yōu)秀的節(jié)能減排的環(huán)保措施。

為推廣煙氣提水技術(shù)在我國(guó)電廠中的應(yīng)用，本文將介紹煙氣提水技術(shù)的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)思路及在超超臨界空冷機(jī)中煙氣提水的實(shí)際應(yīng)用效果。

1" 工藝流程

直接冷凝法是采用噴淋塔、填料塔等塔類(lèi)設(shè)備作為傳質(zhì)傳熱設(shè)備，飽和煙氣與低溫循環(huán)水直接接觸，與循環(huán)水換熱降溫后凝結(jié)達(dá)到收水的目的，低溫循環(huán)水的冷源一般采用空冷，如果熱量需要利用，則可以采用溴化鋰熱泵等熱泵系統(tǒng)提取用于供暖供熱等用途，如圖1所示。

煙氣提水系統(tǒng)的工藝組成有煙氣系統(tǒng)、降溫冷卻裝置、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、冷源系統(tǒng)、pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)4個(gè)部分。煙氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮煙氣的特性及煙氣中污染物的脫除情況，因煙氣提水系統(tǒng)有污染物二次脫除的特點(diǎn)，為控制冷卻循環(huán)系統(tǒng)的pH需加NaOH或者Na2CO3等堿調(diào)節(jié)，所以需要控制進(jìn)入冷卻凝結(jié)塔中煙氣的SO2濃度，不宜過(guò)高，同時(shí)低SO2濃度能夠降低煙氣提水系統(tǒng)的運(yùn)行成本。降溫冷卻裝置為煙氣提水系統(tǒng)的核心，需要考慮煙氣與循環(huán)水的氣液接觸方式、氣液分離方式、氣側(cè)流場(chǎng)分布、液側(cè)流量分布等特性，一般可采用空噴淋塔，為優(yōu)化流場(chǎng)布置，底部可以加設(shè)湍流器、布?xì)獍宓妊b置，頂部設(shè)置除霧裝置。冷卻循環(huán)系統(tǒng)主要考慮回收水的存儲(chǔ)以及加藥調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)pH，設(shè)置循環(huán)水箱、循環(huán)水泵。冷源系統(tǒng)考慮系統(tǒng)的運(yùn)行溫度，考慮冷卻器的型式等，一般選擇間壁式空冷裝置。

2" 工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)從煙氣特性，污染物的脫除以及降溫冷卻裝置的設(shè)計(jì)，冷卻循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及冷源的選擇、回收水的存儲(chǔ)等方面綜合考慮，部分工藝參數(shù)還需要依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件確定。

2.1" 煙氣特性

目前燃煤電廠的污染物排放基本可以達(dá)到超低排放的要求，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度（基準(zhǔn)含氧量6%）分別不超過(guò)5、35、50 mg/m3，煙氣從脫硫塔中排出后為水飽和煙氣，還有少量其他的污染物組分，常規(guī)煙氣的參數(shù)包括溫度、煙氣的流量、煙氣的壓力等，而煙氣中的水含量可以依據(jù)飽和蒸汽壓公式預(yù)測(cè)，飽和煙氣的水蒸氣分壓僅與溫度有關(guān)，水蒸氣在煙氣中的含量可以按Antonie公式計(jì)算，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的系數(shù)。

煙氣特性與可回收水量、回收水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及回收水系統(tǒng)的配置等密切相關(guān)。

煙氣的流量，煙氣的溫度以及煙氣的壓力確定了煙氣中的水含量，煙氣溫度的高低與提水量決定了煙氣與冷循環(huán)水之間傳質(zhì)傳熱的推動(dòng)力，從而影響到設(shè)備的投資進(jìn)而影響到煙氣提水的成本。而煙氣中的污染物組分，如SO2等，在冷卻凝結(jié)塔中由于污染物的二次脫除，需要加NaOH等堿進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)一步影響到煙氣提水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

2.2" 污染物的脫除

煙氣提水系統(tǒng)對(duì)污染物有明顯的二次脫除作用，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，污染物脫除能力見(jiàn)表１。

隨系統(tǒng)周期正常運(yùn)行，SO2、SO3等酸性污染物被脫除后會(huì)累積，脫水系統(tǒng)的pH會(huì)越來(lái)越低，對(duì)設(shè)備材質(zhì)等要求較高，會(huì)增加系統(tǒng)的投入成本，因此需要加堿進(jìn)行pH的調(diào)節(jié)。

2.3" 降溫冷卻裝置

降溫冷卻裝置一般有空塔、填料塔、內(nèi)構(gòu)件塔等多種型式。

幾種降溫冷卻裝置的比較見(jiàn)表2。

此外，還需要考慮煙氣提水系統(tǒng)的氣液兩相分離，包括煙氣入口側(cè)及煙氣出口側(cè)2個(gè)位置，重點(diǎn)是煙氣出口側(cè)的氣液兩相分離，需要在低阻力下控制液滴的夾帶量，采用屋脊式除霧器、折流板式除霧器、管束式除塵除霧裝置等均可以滿(mǎn)足要求。

氣側(cè)流場(chǎng)均布，與煙氣通過(guò)氣液分離器時(shí)工況流速和均勻性相關(guān)，可以通過(guò)調(diào)整氣液分離器的出口高度交錯(cuò)降低工況流速。換熱過(guò)程劇烈，因此氣相溫度變化顯著發(fā)生在下部高溫段，換熱空間足夠時(shí)可發(fā)生出口水溫高于排出煙溫，常規(guī)氣液分離器的阻力約為150～200 Pa。

液體側(cè)流場(chǎng)均布，流量分布均勻性與噴淋覆蓋率、噴淋單位面積流量、噴淋液滴粒徑等相關(guān)。

噴淋層單層覆蓋率不小于150%，多層總覆蓋率不小于400%，采用湍流器時(shí)可降低至300%。

噴淋液滴的粒徑是煙氣提水系統(tǒng)的核心參數(shù)之一，液滴表面為煙氣與水傳質(zhì)傳熱的界面，噴淋液滴粒徑建議1 500 μm，適用范圍大于等于1 200 μm。同時(shí)也不宜過(guò)細(xì)，防止過(guò)量細(xì)霧滴被煙氣攜帶而不能被除霧器捕獲。

2.4" 冷卻循環(huán)系統(tǒng)

冷卻循環(huán)系統(tǒng)主要包括：回收水及其儲(chǔ)存系統(tǒng)、循環(huán)水箱系統(tǒng)、循環(huán)泵、加藥系統(tǒng)4個(gè)部分。

回收水及其儲(chǔ)存系統(tǒng)主要與回收水的用途及緩沖存儲(chǔ)時(shí)間有關(guān)，依據(jù)具體的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

循環(huán)水箱的設(shè)計(jì)與運(yùn)行安全性相關(guān)，一般為大型儲(chǔ)罐、高位水箱或者耐壓儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮大流量沖擊，加藥混合緩沖時(shí)間，循環(huán)泵的安全緩沖時(shí)間，pH計(jì)安裝位置以及防腐材質(zhì)的選擇等幾個(gè)方面。

加藥系統(tǒng)主要調(diào)節(jié)循環(huán)系統(tǒng)的pH，加藥量可以按照入口SO2的總量設(shè)計(jì)，并考慮一定的裕量，加藥方式有溶液（預(yù)留時(shí)間3～5 min）或者粉狀（預(yù)留時(shí)間15 min以上），加藥位置一般設(shè)置在流動(dòng)循環(huán)液管道高溫出口側(cè)（無(wú)壓管道），而粉末加藥時(shí)還需設(shè)置防結(jié)露裝置，防止物料的板結(jié)等，加藥泵采用變頻離心泵，關(guān)聯(lián)pH控制離心泵的啟停及頻率，不宜采用柱塞泵等容積泵。

2.5" 冷源

冷源一般有空冷器、涼水塔、自然冷源及熱泵等幾種型式。

冷源的選擇受設(shè)計(jì)環(huán)境條件（氣象條件/其他資源）等的影響，一般選擇思路如下：空冷器適用于北方寒冷干燥缺水地區(qū)；涼水塔適用于我國(guó)大部分地區(qū)；自然冷源適用于水資源豐富地區(qū)（但因?yàn)闊嵛廴締?wèn)題，目前國(guó)內(nèi)一般不批準(zhǔn)）；熱泵適用于有熱源供應(yīng)市場(chǎng)的項(xiàng)目。

冷源設(shè)計(jì)溫度的選擇是關(guān)鍵的參數(shù)，設(shè)計(jì)選取最不利條件下的空氣冷源溫度，依據(jù)DL5000—2000《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》第14.2.6條款的規(guī)定，當(dāng)采用循環(huán)供水系統(tǒng)時(shí)，冷卻水的最高計(jì)算溫度，宜按歷年最炎熱時(shí)期（以三個(gè)月計(jì)算）頻率為10%的晝夜平均氣象條件計(jì)算。

而依據(jù)GB 50102—2003《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》第2.1.11條款的規(guī)定，計(jì)算冷卻塔的最高冷卻水溫的氣象條件應(yīng)符合下列規(guī)定，根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求宜采用按濕球溫度頻率統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算的頻率為5%～10%的日平均氣象條件，氣象資料應(yīng)采用近期連續(xù)不少于5 a，每年最熱時(shí)期3個(gè)月（一般為6—8月）的日平均值。

依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，五間房地區(qū)10%頻率的晝夜平均溫度為24.5 ℃，18.6%頻率的為20 ℃。

2.6" 系統(tǒng)的防凍

煙氣提水裝置應(yīng)用的地區(qū)主要是我國(guó)北方富煤缺水地區(qū)，冬季溫度較低，當(dāng)氣溫較低時(shí)（低于5 ℃）需要做好冬期防凍措施[16]。尤其是機(jī)力通風(fēng)裝置的冬期防凍措施，設(shè)置合理的溫度控制邏輯，加強(qiáng)監(jiān)控設(shè)施的設(shè)計(jì)。并做好循環(huán)水泵、堿液泵等泵類(lèi)設(shè)備排凝防凍措施，堿液箱等在冬季停工時(shí)也容易結(jié)晶，可配置蒸汽加熱盤(pán)管。

3" 實(shí)際項(xiàng)目

煙氣提水技術(shù)已成功應(yīng)用于京能五間房電廠等多個(gè)電廠中，其中五間房電廠還是我國(guó)國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程金獎(jiǎng)獲得者，創(chuàng)新地集成了零取水，電水聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。

3.1" 京能五間房電廠簡(jiǎn)介

京能五間房電廠一期2×660 MW機(jī)組工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗吉林高勒鎮(zhèn)境內(nèi)，屬于大型坑口電廠。所在地屬于內(nèi)蒙高原的內(nèi)陸型草原，區(qū)域內(nèi)地表水系不發(fā)育，屬于典型的富煤缺水/生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)。

京能（錫林郭勒）發(fā)電有限公司一期工新建程2×660 MW機(jī)組工程于2015年9月18日開(kāi)工建設(shè)，項(xiàng)目1#機(jī)組于2018年10月20日12：36通過(guò)168 h試運(yùn)轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，2#機(jī)組于2019年01月24日12：18通過(guò)168 h試運(yùn)轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

3.2" 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)

煙氣參數(shù)見(jiàn)表3。

設(shè)計(jì)要求在20 ℃的大氣環(huán)境下，煙氣收水量90 t/h，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

3.3" 工藝流程

京能五間房電廠煙氣提水的基本工藝流程如圖2所示。

3.4" 重要設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)的核心在換熱區(qū)的設(shè)計(jì)，包括噴淋層數(shù)的選擇、噴嘴型式的確定、噴嘴粒徑的選擇以及噴淋換熱區(qū)高度的確定，核心參數(shù)的確定依據(jù)數(shù)值模型以及中試實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，重要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表5。

循環(huán)水流量為7 000 m3/h，循環(huán)泵選擇3臺(tái)，2用1備，每臺(tái)泵的流量為3 850 m3/h 。

循環(huán)水箱設(shè)置在高位，規(guī)格Φ10 m×30 m，體積V=2 000 m3。

pH調(diào)節(jié)藥劑碳酸鈉在低溫時(shí)溶解度低，采用Na2CO3作為pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在結(jié)晶阻塞風(fēng)險(xiǎn)，在循環(huán)水罐的頂部粉狀直接加藥，但仍有結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)，后期改為NaOH為pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)的藥劑。測(cè)量pH的位置設(shè)置在循環(huán)水箱至空冷島外排管路上。

為防止煙氣脫硫系統(tǒng)出口SO2濃度排放超標(biāo)，pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)留有足夠的裕度。

4 運(yùn)行情況

自2018年10月京能五間房電廠項(xiàng)目調(diào)試開(kāi)始，至機(jī)組完成168 h滿(mǎn)負(fù)荷試運(yùn)并轉(zhuǎn)入試生產(chǎn)后，脫硫系統(tǒng)和煙氣提水系統(tǒng)同步試驗(yàn)。在機(jī)組486 MW、負(fù)荷率74%工況下，冷凝塔入口煙氣溫度56.84 ℃，冷凝循環(huán)水供水溫度42.3 ℃，煙氣降低4.8 ℃時(shí)，冷凝塔回收水量126 t/h（峰值147 t/h），系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期提水效果。

經(jīng)中試和試生產(chǎn)應(yīng)用，提水能力達(dá)到了90 t/h目標(biāo)，優(yōu)良值達(dá)147 t/h，年均提水量達(dá)100～110萬(wàn)t，也就是每年少用自然水資源量達(dá)100～110萬(wàn)t。機(jī)組取水量指標(biāo)0.07 m3/（MW·h），耗水指標(biāo)為0.025 2 m3/s·GW，較行業(yè)優(yōu)值降低52%。（常規(guī)2×660 MW等級(jí)燃煤火力發(fā)電廠年耗水量達(dá)181.5萬(wàn)t等級(jí)，平均機(jī)組取水量指標(biāo)為0.25 m3/（MW·h），耗水指標(biāo)0.09 m3/s·GW）。

生產(chǎn)實(shí)踐證明，煙氣提水系統(tǒng)的節(jié)水效果顯著，大幅降低了機(jī)組發(fā)電耗用水資源量。

煙氣提水系統(tǒng)同時(shí)具備額外的環(huán)保處理能力。在市場(chǎng)煤含硫量大幅波動(dòng)情況下，保證了脫硫提水塔出口排放指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

4.1" 污染物脫除

如前所述，煙氣提水裝置對(duì)SO2、SO3、顆粒物、HCl和HF等均有一定的脫除效果，我們對(duì)相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理成表，首先介紹煙氣提水裝置對(duì)SO2的脫除情況，鍋爐負(fù)荷100%及50%負(fù)荷煙氣提水裝置的啟停對(duì)SO2排放的影響，見(jiàn)表6、7。

從表6、7中可以看出，煙氣提水裝置的開(kāi)啟能夠脫除大約70%～80%的SO2，可以起到對(duì)SO2的二次脫除作用。

煙氣提水裝置對(duì)顆粒物的脫除情況參見(jiàn)表8，從表中可以看出，煙氣提水裝置對(duì)顆粒物的脫除效率在33%～35%。

同時(shí)，我們還測(cè)定了煙氣提水裝置對(duì)SO3等可凝結(jié)顆粒物的脫除情況，參見(jiàn)表9，對(duì)SO3等可凝結(jié)顆粒物也有一定的脫除效果。

煙氣提水裝置對(duì)SO2、SO3及其他酸性氣體以及顆粒物均有一定的脫除作用，是污染物達(dá)標(biāo)或者超凈排放的有力保障。同時(shí)，煙氣提水后溫度降低，還具有一定的煙氣消白及消除有色煙羽的作用。

4.2" 水質(zhì)情況

煙氣經(jīng)脫硫裝置得到凈化，從4.1中我們可以看出，煙氣提水裝置對(duì)污染的二次脫除作用，為控制煙氣提水系統(tǒng)的pH，需加堿調(diào)節(jié)，回收水的水質(zhì)較好，可溶鹽類(lèi)以硫酸鹽為主，回收水的部分水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表10。

煙氣回收水可以直接用于煙氣脫硫裝置的補(bǔ)水，還可以用于電廠化水反滲透裝置的進(jìn)水，經(jīng)進(jìn)一步處理用于電廠補(bǔ)水。

4.3" 脫水運(yùn)行成本

京能五間房煙氣提水裝置的投資為6 056萬(wàn)元，按年運(yùn)行5 500 h設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)壽命20 a，單位回收水投資成本6.12元/t。

試驗(yàn)期間100%、50%負(fù)荷工況下，單位回收水量在81.42～121.24 t/h，回收噸水耗電費(fèi)用在2.74～4.08元/t。

按碳酸鈉市場(chǎng)價(jià)格2 000元/t計(jì)，每噸水藥劑費(fèi)用約為1.56元。回收每噸水運(yùn)行成本約為4.30～5.64元。藥劑成本占直接運(yùn)行成本的28%～35%。煙氣提水固定投資成本見(jiàn)表11。

按照設(shè)計(jì)回收水量90 t/h計(jì)算，每年可獲利650萬(wàn)元，滿(mǎn)負(fù)荷實(shí)際回收水量核算，每年獲得的利潤(rùn)更高，可達(dá)1 100萬(wàn)元/a，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，特別適合我國(guó)北方富煤缺水地區(qū)。

5" 結(jié)論

煙氣直接冷卻提水的基本原理是利用冷循環(huán)水噴淋為細(xì)小液滴直接對(duì)脫硫塔出口的飽和煙氣進(jìn)行降溫冷凝從而回收水，工藝簡(jiǎn)便，傳熱效率高，設(shè)計(jì)的核心就在于冷卻降溫裝置，保證煙氣與冷循環(huán)水換熱效果的同時(shí)，適當(dāng)選擇較高的塔內(nèi)流速，合適的換熱空間，必要時(shí)選擇加裝湍流器等流場(chǎng)均布裝置。

煙氣提水裝置可以解決缺水地區(qū)的水資源問(wèn)題，可以減少生產(chǎn)單位水耗，實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)的零補(bǔ)水甚至可以實(shí)現(xiàn)全廠零補(bǔ)水。具有良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

煙氣提水裝置能進(jìn)一步降低污染物排放濃度和排放總量，消除有色煙羽，擺脫煙囪雨的困擾，該系統(tǒng)還可以用于電廠煙氣CO2捕集的前處理工藝，經(jīng)煙氣提水后的煙氣可進(jìn)一步接近吸收塔CO2煙氣捕集的氣體質(zhì)量要求。

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第一作者簡(jiǎn)介：王永亮（1965-），男，碩士，高級(jí)工程師，副總經(jīng)理。研究方向?yàn)殡娏δ茉匆?guī)劃設(shè)計(jì)及建設(shè)運(yùn)營(yíng)。

*通信作者：秦省軍（1978-），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榇髿馕廴疚镏卫?、煙氣?jié)能及提水。