張 攀,范祥子

(煤科集團杭州環(huán)保研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引 言

隨著我國超凈排放政策的實施，在電站燃煤鍋爐尾部增加超低排放裝置已是大勢所趨，超低排放技術(shù)中以石灰石-石膏濕法脫硫(WFGD)為主。燃煤電廠排放煙氣在煙囪口排入大氣的過程中因溫度降低，煙氣中部分汽態(tài)水和污染物會發(fā)生凝結(jié)，在煙囪口形成霧狀水汽，霧狀水汽會因天空背景色和天空光照、觀察角度等原因發(fā)生顏色的細微變化，形成“白色煙羽”。可以認為，濕法脫硫系統(tǒng)“白霧現(xiàn)象”是煙氣脫硫后含濕量增加、露點溫度升高的結(jié)果[1]。

濕煙氣中帶有未脫除的污染物主要有:① 固體不溶物，如飛灰、石膏等，嚴重時產(chǎn)生石膏雨;② 可溶性鹽，主要包含Cl、Mg和硫酸鹽等;③ 超細氣溶膠物質(zhì)，如SO3，嚴重時形成藍色煙羽。雖然這些污染物可達到排放標(biāo)準，但煙囪排放煙氣形成有色煙羽，不僅影響視覺效果，還會造成地面污染物濃度較高，加劇“煙囪雨”的形成和煙囪腐蝕[2]。

上海市《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準》明確要求，燃煤發(fā)電鍋爐應(yīng)采取煙溫控制及其他有效措施消除石膏雨、有色煙羽等現(xiàn)象。浙江省、天津市、邯鄲市也相繼提出了鍋爐要控制煙溫，或其他方法消除有色煙羽要求。除白霧的主要技術(shù)路線有煙氣加熱法、煙氣降溫冷凝法、煙氣冷凝再加熱法。1992年，國內(nèi)華能珞璜電廠一期首座濕法煙氣脫硫裝置MGGH開始投運。國內(nèi)陸續(xù)開始對煙氣加熱器進行研究。到目前為止，國內(nèi)燃煤電廠濕法煙氣脫硫裝置采用的煙氣加熱器型式主要有3種:回轉(zhuǎn)式煙氣加熱器、管式熱媒水強制循環(huán)式加熱器(MGGH)和管式蒸汽熱交換式加熱器?；剞D(zhuǎn)式煙氣加熱器采用蓄熱傳熱部分旋轉(zhuǎn)分別進行高溫及低溫側(cè)排煙的熱回收再加熱，由于是回轉(zhuǎn)式，高溫和低溫部分都有漏風(fēng)。GGH堵塞后會造成系統(tǒng)阻力增加，增壓風(fēng)機喘振，爐膛負壓降低，影響鍋爐正常運行，只能停機進行沖洗除垢，同時GGH漏風(fēng)會造成脫硫效率降低。目前回轉(zhuǎn)式GGH已逐漸被淘汰[3]。管式熱媒水強制循環(huán)式加熱器(MGGH)強制使管內(nèi)熱媒循環(huán)，在高溫及低溫側(cè)各自進行排煙的熱回收再加熱。該技術(shù)成熟，運行靈活，可根據(jù)不同氣溫靈活調(diào)整排煙溫度，合理、高效回收煙氣余熱，但需利用低低溫省煤器(若有)熱能，降低鍋爐熱效率。另外材質(zhì)需耐高溫、耐腐蝕，換熱效率低，換熱面積大，投資費用高[4]。

蒸汽換熱器國內(nèi)應(yīng)用較少，目前重慶電廠采用了蒸汽加熱煙氣的裝置，蒸汽取自6段抽汽及輔汽聯(lián)箱(壓力0.26 MPa，溫度257 ℃/300 ℃)，加熱用汽量達35.3 t/h，每天用幾百噸蒸汽加熱煙氣[5]，蒸汽消耗量很大。

除使用加熱技術(shù)外，采用冷凝再加熱技術(shù)是在MGGH的基礎(chǔ)上，中間增加一級煙氣冷卻冷凝設(shè)備，通過冷卻煙氣溫度，回收一部分煙氣中過飽和水蒸汽冷凝析出的凝結(jié)水，減少煙氣向環(huán)境中排放的水量，再進行加熱升溫達到降白色煙羽的目的。該技術(shù)具有以下優(yōu)勢:① 節(jié)能效果:相比MGGH直接加熱技術(shù)將煙氣加熱到80 ℃，冷凝再熱技術(shù)處理后煙氣僅需60 ℃左右，即可達到同樣效果，節(jié)能顯著;② 百萬機組節(jié)水50～100 t/h，有效回收煙氣中水分，收集水回收利用，部分時段實現(xiàn)脫硫系統(tǒng)零水耗，有效節(jié)約水資源;③ 進一步降低煙氣中SO3、煙塵、可溶性鹽等污染物，實現(xiàn)多污染物聯(lián)合脫除。可過濾顆粒物脫除效率>50%，液滴脫除效率>70%，SO3脫除效率>75%。煙氣冷凝冷卻意味著部分過飽和水蒸汽析出變成冷凝水，水蒸汽冷凝釋放大量的汽化潛熱，該部分熱量遠大于該段溫降的煙氣釋放的顯熱，需要冷源將這2部分熱量帶走。一般需要江河水、海水、環(huán)境空氣作為冷源。此方法系統(tǒng)工藝較為復(fù)雜，應(yīng)用在大機組成本較高[6]。

本文介紹了煙氣再熱法中蒸汽再加熱技術(shù)除白霧的技術(shù)特點，提出了提高換熱效果、減少蒸汽耗量的措施，為去除白色煙羽技術(shù)的研發(fā)提供參考。

1 蒸汽加熱技術(shù)

蒸汽加熱技術(shù)是一種間接加熱技術(shù)，使用飽和蒸汽在蒸汽-煙氣換熱器(steam-gas heater，SGH)內(nèi)與煙氣進行熱交換?？梢杂糜诶淠偌訜峒夹g(shù)的加熱段，或與MGGH串聯(lián)組合使用，也可單獨使用去除白霧。單獨使用時，將煙氣溫度升到85 ℃左右，遠高于煙氣的水露點溫度，從而使煙囪出口的煙氣遠離飽和態(tài)，基本看不到白霧現(xiàn)象。盡管對污染物濃度和排放量沒有影響，但是煙氣溫度升高可提高煙氣抬升高度和有效源高，一定程度上改善了煙氣擴散條件。蒸汽加熱技術(shù)的工藝流程如圖1所示?？芍瑹煔庠赟GH加熱后排入煙囪，蒸汽在換熱后排入除氧器進行收集。DCS控制系統(tǒng)設(shè)置換熱后煙氣溫度(TIC103)的目標(biāo)值(如80 ℃，夏天可調(diào)低)，通過PID調(diào)節(jié)，電動調(diào)節(jié)閥(LV)自動運行的開度變化引起流量(FIQRC)變化，跟蹤加熱后煙氣溫度，使該溫度趨近于目標(biāo)值。

圖1 蒸汽加熱工藝流程Fig.1 Process of steam heating technology

蒸汽換熱器采用列管式結(jié)構(gòu)，蒸汽走管程，煙氣走殼程，2個介質(zhì)分開流動，蒸汽與煙氣通過管壁進行傳熱。

2 蒸汽加熱器換熱材料的選擇

換熱器布置于脫硫出口煙道，長期在煙氣酸露點溫度以下運行，面臨低溫腐蝕問題，工作環(huán)境惡劣。目前已投運機組的脫硫出口煙氣換熱器一般采用ND鋼、316L等金屬管材制造，由于腐蝕引起的泄漏、集垢導(dǎo)致的換熱效率下降等問題較突出。

因此對于蒸汽-煙氣換熱器的設(shè)計、選材、等均有較高要求?？紤]到煙氣腐蝕性以及經(jīng)濟性，與煙氣接觸側(cè)材質(zhì)可以采用聚四氟乙烯(氟管)、雙向不銹鋼等耐腐蝕材料。

氟管制造原料采用聚四氟乙烯(PTFE)。與金屬換熱器相比，氟塑料換熱器具有以下優(yōu)點:① 氟塑料換熱管的密度小，為2.15×103kg/m3，約為金屬換熱管的27%。因此，在相同換熱面積要求下，氟塑料換熱器的質(zhì)量小于金屬換熱器。② 耐腐蝕性強，適用于各種強酸、強堿類強腐蝕條件。但用其制作換熱器存在熱性能差;抗拉強度低，冷流現(xiàn)象嚴重，抗蠕變性能差;表面黏結(jié)性差，很難與其他材料黏結(jié)，無法采用熱塑性塑料的熱熔接方法;加工性能差[7];價格較高等問題。

金屬換熱器多采用2205雙相不銹鋼，2205雙相不銹鋼(00Cr22Ni5Mo3N)兼有兩相組織特征。2205雙相不銹鋼有較成熟的應(yīng)用，如用于制作攪拌器、托盤、支撐梁、擋板門等。鮑聽[8]、田豐[9]研究表明，各種材料在吸收塔出口煙氣冷凝液中抗腐蝕能力的排序依次為:2205雙相不銹>316L不銹鋼>ND鋼。雙相不銹鋼合金在抗斑蝕及裂隙腐蝕方面的性能更優(yōu)，具有很高的抗腐蝕能力，與奧氏體相比，其熱膨脹系數(shù)更低，導(dǎo)熱性更高。雙相不銹鋼中鉻、鉬及氮的含量使其在氧化性及酸性的溶液中，對點腐蝕及隙腐蝕具有很強的抵抗能力，而且雙相不銹鋼的雙相微觀結(jié)構(gòu)有助于提高不銹鋼的抗應(yīng)力腐蝕龜裂能力[10]。換熱器換熱管選用SAF2205高頻焊管，外殼選用SAF2205合金板。

3 蒸汽加熱技術(shù)的工程應(yīng)用

為去除煙囪白霧配套蒸汽加熱系統(tǒng)，按照滿負荷100%煙氣量設(shè)計。煙氣加熱器采用0.6 MPa(絕對壓力0.7 MPa)的飽和蒸汽(165 ℃)汽源將脫硫后的凈煙氣從50 ℃加熱至85 ℃后進入煙囪排放。加熱系統(tǒng)入口煙氣參數(shù)見表1。

表1 加熱系統(tǒng)入口煙氣參數(shù)Table 1 Inlet flue gas parameters of heating system

3.1 換熱管的設(shè)計

蒸汽-煙氣換熱器采用多管式結(jié)構(gòu)，換熱管選用H型翅片管。H型翅片管在鍋爐及省煤器中應(yīng)用廣泛。目前，世界上裝機容量超過70 000 MW的燃煤鍋爐中均安裝了H型翅片管省煤器，在MB、IHI、BHK等主要外國公司的鍋爐上也都采用此類型的省煤器;在大連、丹東、福州和岳陽等地的350 MW機組、常熟600 MW超臨界機組以及開封125 MW等機組上也均有運用實例[11]。本文首次將H型翅片管應(yīng)用除白霧的蒸汽-煙氣換熱器中。

翅片管換熱器由于具有“高效、緊湊、在相同橫截面積下水力直徑小于圓管”的優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。管外翅片除了增大管內(nèi)蒸汽與管外煙氣進行熱交換的有效傳熱面積外，還對煙氣側(cè)流場、溫度場的時空分布產(chǎn)生重要影響[12]。換熱管外徑為43 mm，壁厚為3 mm，呈28組3管圈水平W型順排布置。換熱管間距為120 mm，翅片高度85 mm，長度85 mm，翅片間距為12 mm。換熱器迎風(fēng)面寬3 600 mm，高2 010 mm，換熱器內(nèi)管排數(shù)為28×4排(垂直于煙氣方向×沿?zé)煔饬鲃臃较?，換熱管內(nèi)蒸汽與管外煙氣呈整體順流布置。蒸汽在換熱管管內(nèi)流動，待加熱煙氣從左向右包裹著翅片流動，蒸汽中的熱量先傳遞給翅片和換熱管管壁，最后傳遞給煙氣，提高了煙氣溫度。

H型翅片管應(yīng)用于除白霧的蒸汽-煙氣換熱器中具有以下優(yōu)點:① 換熱管的傳熱系數(shù)高，相同換熱量所需換熱管數(shù)量少，翅片管使受熱面布置更為緊湊。② 對氣流有均流作用?？v橫交錯的格柵結(jié)構(gòu)，使得氣流較均勻地通過蒸汽換熱器。③ 不易積灰，阻力小。H形翅片管由于翅片焊在管子不易積灰的兩側(cè)，而氣流筆直地流動，氣流方向不改變，翅片不易積灰[13]。同時由于翅片和氣流流動方向平行，灰粒不易在翅片上沉淀，避免了煙氣流動通道的阻塞，流動阻力小[14]。

3.2 換熱蒸汽的選取

蒸汽-煙氣換熱器采用蒸汽提供加熱煙氣的熱量，蒸汽進入換熱器后的換熱分為汽-氣換熱(利用顯熱)和水-氣換熱(利用潛熱)。因潛熱的數(shù)值大于顯熱，因而熱量來源取自蒸汽的潛熱。過熱蒸汽首先冷卻到飽和溫度，潛熱隨之釋放。相比蒸發(fā)潛熱，從過熱蒸汽冷卻到飽和溫度所釋放出的熱量很小，但卻需要很大的換熱面積。過熱蒸汽應(yīng)用于傳熱時，過熱溫度降溫到飽和溫度前放出熱量很少，熱交換表面溫度梯度較大，蒸汽過熱時呈氣態(tài)、換熱效率低，需要更多的換熱面積。所以，過熱蒸汽沒有飽和蒸汽效率高[15]。本文將過熱蒸汽(絕對壓力0.7 MPa，溫度240 ℃)經(jīng)過減溫，得到飽和蒸汽(絕對壓力0.7 MPa，溫度165 ℃)用于換熱。

3.3 投運效果

自2017年12月投運以來，排煙溫度、蒸汽耗量、壓降等數(shù)據(jù)均達到了設(shè)計要求，煙囪出口基本看不到白霧現(xiàn)象,基本運行數(shù)據(jù)見表2。

表2 運行數(shù)據(jù)Table 2 Operating parameters of SGH

蒸汽耗量為3.5 t/h中低溫低壓飽和蒸汽，大大降低了運行成本。而對于2205高頻焊管應(yīng)用在除白霧換熱器的耐腐蝕情況需時間進一步驗證。換熱器投運前、后煙囪白霧情況如圖2所示。

圖2 蒸汽換熱器投運前、后對比Fig.2 Comparison of before and after SGH used

3.4 蒸汽加熱技術(shù)對煙氣污染物的影響

使用蒸汽加熱技術(shù)，蒸汽與煙氣分開流動，蒸汽走管程，煙氣走殼程，密封良好無漏風(fēng)。但蒸汽加熱技術(shù)單獨使用時并不會減少煙氣中污染物的濃度。當(dāng)蒸汽加熱技術(shù)與前端冷凝法組合使用時，在去除白霧的同時，可有效協(xié)同脫除煙氣中的H2O、SO3、可溶性鹽及PM2.5等。冷凝法使飽和煙氣發(fā)生冷凝相變，使飽和濕煙氣在微細顆粒物表面凝結(jié)，同時在煙氣與換熱管冷表面產(chǎn)生熱泳和擴散泳力作用，促使細顆粒向溫度梯度相反的冷管壁面遷移運動，相互碰撞接觸，不斷長大，最后通過毛細管表面收集。該方法通過外部冷源控制過程相變度，有效促進微細顆粒物的凝聚及脫除[16]。

4 結(jié) 論

1)蒸汽加熱技術(shù)可以用于冷凝再加熱技術(shù)的加熱段，或者與MGGH串聯(lián)組合使用，也可以單獨使用去除白霧。當(dāng)蒸汽加熱技術(shù)與前端冷凝法組合使用時，在去除白霧的同時，可有效協(xié)同脫除煙氣中的H2O、SO3、可溶性鹽及PM2.5等。

2)將鍋爐省煤器的H型翅片換熱管應(yīng)用于脫硫煙氣再加熱除白霧，取得了很好的效果。H型翅片管具有傳熱系數(shù)高，換熱管數(shù)量少，流場性能好，不易堵灰，壓降小的優(yōu)點。

3)考慮到煙氣腐蝕性以及經(jīng)濟性，與煙氣接觸側(cè)材質(zhì)可以采用聚四氟乙烯、2205雙向不銹鋼等耐腐蝕材料。

4)通過將過熱蒸汽減溫后得到飽和蒸汽用于換熱，提高了換熱效率,有效減少了蒸汽的耗量。