郭紅閔

（安徽華電六安電廠(chǎng)有限公司，安徽 六安 237000）

0 引言

石灰石／石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)成熟，可靠性高，目前，90%以上的燃煤電廠(chǎng)采用濕法煙氣脫硫［1－2］。在濕法脫硫吸收塔內(nèi)，高溫?zé)煔夂兔摿騽┤芤褐苯咏佑|，為防止煙氣溫度過(guò)高，有時(shí)還對(duì)入口煙氣進(jìn)行事故噴淋［3］，因此，大量脫硫劑溶液中的水或噴淋水吸熱汽化，煙氣水蒸汽含量增加，在吸收塔出口，煙氣中水蒸汽基本為飽和狀態(tài)［4］，煙氣溫度降低到50 ℃左右［5］。為提升煙囪入口煙氣溫度以抬升煙氣擴(kuò)散高度，通常采用煙氣加熱器（Gas Gas Heater，GGH）對(duì)脫硫系統(tǒng)出口煙氣進(jìn)行加熱，高溫原煙氣與吸收塔出口凈煙氣在GGH 內(nèi)進(jìn)行再生換熱，但目前GGH 故障率高，運(yùn)行中頻繁發(fā)生堵塞、磨損和腐蝕等問(wèn)題，且長(zhǎng)期得不到解決，因此，一些電廠(chǎng)不得不拆除GGH。

拆除GGH 后，低溫濕煙氣直接排放會(huì)引起煙囪和煙道的腐蝕，同時(shí)，由于煙氣溫度較低，煙氣爬升能力降低［6－7］，在煙囪出口遇冷產(chǎn)生白煙現(xiàn)象［8］，這種濕煙羽會(huì)引起電廠(chǎng)附近環(huán)境惡化，出現(xiàn)酸雨沉降，這些沉降雨俗稱(chēng)為“石膏雨”，是煙氣中的液滴夾帶石膏和粉煤灰等顆粒，在地表或物體表面形成顏色暗淡的斑點(diǎn)［9－10］。

為解決濕法脫硫系統(tǒng)出口低溫濕煙氣帶來(lái)的問(wèn)題，不同國(guó)家采用不同的應(yīng)對(duì)方法。為防止煙道和煙囪腐蝕，美國(guó)在煙囪內(nèi)部敷設(shè)耐腐蝕磚［11］；德國(guó)規(guī)定煙囪入口煙氣溫度不低于72 ℃，以保證煙氣擴(kuò)散高度；近年來(lái)，電廠(chǎng)濕煙羽污染引起我國(guó)的重視，2017年，上海市頒布了《上海市燃煤電廠(chǎng)石膏雨和有色煙羽測(cè)試技術(shù)要求（試行）》，著力解決“石膏雨”問(wèn)題。

1 煙氣消白方法

煙氣“消白”主要方案是對(duì)脫硫系統(tǒng)出口的低溫濕煙氣進(jìn)行加熱［12］，研究表明，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，直接加熱法可有效消除煙氣白煙，當(dāng)環(huán)境溫度低于9 ℃，需采用降溫再熱法對(duì)煙氣進(jìn)行“消白”，即先對(duì)脫硫系統(tǒng)出口飽和濕煙氣降溫，將煙氣中的一部分水蒸汽冷凝回收，再對(duì)降溫后的煙氣進(jìn)行加熱“消白”［5］。

采用脫硫系統(tǒng)前高溫?zé)煔庾鳛闊嵩?，?lái)加熱脫硫后的低溫濕煙氣，這是一種不需要消耗額外能源的煙氣“消白”方案。作為GGH 的升級(jí)版，MGGH 是一種管束式煙氣加熱系統(tǒng)，這種間壁式換熱方式不存在煙氣泄漏，它利用水作為媒介在低溫?zé)煔夂透邷責(zé)煔庵羞M(jìn)行循環(huán)吸熱和放熱，因此稱(chēng)為水媒式煙氣加熱器（Media Gas Gas Heater，MGGH）。如圖1 所示，熱媒水在煙氣冷卻器中吸收脫硫系統(tǒng)前高溫?zé)煔獾臒崃浚跓煔庠贌崞髦袑崃酷尫沤o低溫?zé)煔?，低溫?zé)煔鉁囟忍嵘笈畔驘焽瑁跓煔膺M(jìn)入再熱器之前，在冷凝器中進(jìn)行冷凝，回收煙氣中的一部分水蒸汽。

圖1 煙氣“消白”系統(tǒng)

煙氣在再熱器和冷卻器中的升降溫過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)生水汽化成蒸汽后進(jìn)入煙氣或水蒸汽冷凝成水從煙氣中析出，因此，再熱器或冷卻器進(jìn)出口煙氣流量和成分均相同；而在脫硫塔內(nèi)，脫硫劑溶液中的水汽化成蒸汽進(jìn)入煙氣，在冷凝器中，煙氣降溫后水蒸汽冷凝成水析出，因此，脫硫塔或冷凝器進(jìn)出口的煙氣流量和成分均會(huì)發(fā)生變化，不僅如此，汽化和凝結(jié)過(guò)程還伴隨著潛熱的吸收和釋放，本文的主要目標(biāo)是確定“消白”過(guò)程中煙氣成分變化，以及冷凝器內(nèi)煙氣放出的熱量，這是冷凝受熱面面積的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

2 煙氣參數(shù)和傳熱量計(jì)算

2.1 煙氣初參數(shù)

圖1 中煙氣冷卻器之前的煙氣成分和煙氣量根據(jù)鍋爐熱力計(jì)算確定，煙氣中各種氣體量為：

式中：VN2、VO2、VCO2、VSO2、VH2O分別為1 kg 煤完全燃燒生成的煙氣中，N2、O2、CO2、SO2、H2O（水蒸汽）在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，m3／kg；Vy為煙氣的體積，m3／kg；α 為進(jìn)入煙氣冷卻器之前的過(guò)?？諝庀禂?shù)；V0為1 kg 煤完全燃燒需要的理論空氣量，m3／kg；為產(chǎn)生的理論水蒸汽容積，m3／kg；w（Car）、w（Har）、w（Oar）、w（Nar）、w（Sar）和w（Mar）分別為煤的收到基碳、氫、氧、氮、硫以及水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

煙氣中某種氣體i 的體積分?jǐn)?shù)為

式中：i 可代表N2、O2、CO2、SO2、H2O；Vi為與i 對(duì)應(yīng)的該氣體的體積m3／kg。

煙氣流量為

式中：Bj為計(jì)算燃料消耗量，kg／h。

煙氣冷卻器出口煙溫較高，冷卻器內(nèi)不存在水的汽化或水蒸汽的凝結(jié)，因此，煙氣冷卻器進(jìn)出口煙氣成分不變，煙氣流量也相同。

2.2 脫硫塔出口煙氣成分和流量

如圖1 中，脫硫塔出口煙氣中水蒸汽為飽和狀態(tài)計(jì)算，根據(jù)IAPWS-IF97 工業(yè)方程［13］，飽和水蒸汽的分壓力Ps與溫度T 的關(guān)系為

式中：saturationP_fT 為已知飽和溫度求飽和壓力的函數(shù)，見(jiàn)文獻(xiàn)［13］。

根據(jù)式（11），利用脫硫塔出口煙氣溫度T3，可計(jì)算脫硫塔出口煙氣中的水蒸汽體積分?jǐn)?shù)為

除水蒸汽外，脫硫塔內(nèi)煙氣其他成分質(zhì)量守恒，據(jù)此可計(jì)算脫硫塔出口煙氣流量為

式中：Q2為煙氣冷卻器出口煙氣流量，m3／h，等于煙氣初始流量Q0，按式（10）計(jì)算為煙氣冷卻器出口水蒸汽體積分?jǐn)?shù)，等于煙氣中水蒸汽初始體積分?jǐn)?shù)，按式（9）計(jì)算。

除水蒸汽外，脫硫塔出口其他各種成分的體積分?jǐn)?shù)為

式中：i 可代表N2、O2、CO2、SO2。

2.3 冷凝器凝結(jié)水量和傳熱量

冷凝器入口煙氣來(lái)自脫硫塔出口，其參數(shù)與脫硫塔出口參數(shù)相同。冷凝器出口煙氣中水蒸汽處于飽和狀態(tài)，水蒸汽體積分?jǐn)?shù)根據(jù)出口煙氣溫度T4計(jì)算

在冷凝過(guò)程中，除水蒸汽外，根據(jù)煙氣中其他成分質(zhì)量守恒，可得到

除水蒸汽外，冷凝器出口其他各種成分的體積分?jǐn)?shù)按下式計(jì)算

式中：i 可代表N2、O2、CO2、SO2。

冷凝析出的水蒸汽量mV按下式計(jì)算

析出的水蒸汽釋放的熱量為

式中：hL為冷凝器進(jìn)出口平均溫度下水蒸汽的汽化潛熱，kJ／kg。

煙氣溫度降低釋放出的熱量為

式中：Cy為冷凝器進(jìn)出口平均溫度下煙氣的比熱容，kJ／（m3·℃），是按各種氣體含量計(jì)算的平均值，參見(jiàn)文獻(xiàn)［14］。

煙氣釋放的總熱量為

3 計(jì)算實(shí)例

計(jì)算是針對(duì)一臺(tái)350 MW 超臨界壓力熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的排煙煙氣，該機(jī)組采用WGZ1150／25.4-1 型鍋爐，是超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式，采用中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，設(shè)計(jì)燃用煙煤。

3.1 已知條件

已知條件包括鍋爐燃煤的元素分析、燃料消耗量、鍋爐尾部煙道脫硫系統(tǒng)入口過(guò)量空氣系數(shù)，另外，圖1 中沿?zé)煔饬鞒?，從煙氣冷卻器入口S1到煙囪入口S5等5 個(gè)位置的煙氣溫度也作為已知條件。

設(shè)計(jì)煤的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（Car）=51.59%，w（Har）=3.32%，w（Oar）=6.95%，w（Nar）=0.87%，w（Sar）=0.97%，w（Aar）=27%，w（Mar）=9.3%；計(jì)算燃料消耗量Bj=156.2 t／h；過(guò)量空氣系數(shù)α=1.4；Bj和α 為機(jī)組額定負(fù)荷下的設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖1 中5 個(gè)位置S1、S2、S3、S4、S5的煙氣溫度分別為T(mén)1=120 ℃，T2=101 ℃，T3=48 ℃，T4=42.7 ℃，T5=61 ℃。

3.2 計(jì)算結(jié)果

在煙氣冷卻器和再熱器內(nèi)，沒(méi)有水蒸汽進(jìn)出煙氣，因此，圖1 中S1處的煙氣成分與S2處相同，S4處的煙氣成分與S5處相同，在這些位置處，只有煙氣溫度不同。利用上述式（1）—式（21），計(jì)算S2、S3和S4處的煙氣參數(shù)。

計(jì)算是在電廠(chǎng)工質(zhì)性質(zhì)軟件平臺(tái)上進(jìn)行，該軟件能進(jìn)行水、水蒸汽、煙氣、空氣、煤灰以及氮?dú)?、氧氣、二氧化碳、二氧化硫、水蒸汽等多種常見(jiàn)氣體的焓、熵、密度、比熱、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)等熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算；在該平臺(tái)上，每個(gè)熱力學(xué)參數(shù)都有相應(yīng)的自定義Excel 函數(shù)，用戶(hù)可方便地調(diào)用這些函數(shù)來(lái)計(jì)算工質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)。例如，在已知壓力P 和溫度T 的情況下，水或水蒸汽的焓h 可利用自定義函數(shù)“watersteamH_fPT”計(jì)算，在Excel 單元格內(nèi)可直接引用該函數(shù)：

S2、S3和S4等位置煙氣參數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同位置的煙氣參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表2 給出冷凝器內(nèi)煙氣析出水量、煙氣降溫釋放的熱量和水蒸汽凝結(jié)釋放的熱量，表中煙氣質(zhì)量流量根據(jù)煙氣體積流量、各種氣體體積含量和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的密度計(jì)算。

3.3 分析和討論

由表1 可以看出：

1）位置S2和S3是圖1 中脫硫塔進(jìn)出口，從這兩個(gè)位置的煙氣參數(shù)對(duì)比可以看出，煙氣經(jīng)過(guò)脫硫塔后，水蒸汽體積分?jǐn)?shù)從7.78%提高到11.18%，煙氣流量從1 603.0 t／h 增大到1 640.7 t／h，煙氣中水蒸汽流量增加37.7 t／h，這是脫硫劑溶液中的水汽化進(jìn)入煙氣所致。

2）位置S3和S4是圖1 中冷凝器進(jìn)出口，從這兩個(gè)位置的煙氣參數(shù)對(duì)比可以看出，煙氣經(jīng)冷凝器冷凝后，水蒸汽體積分?jǐn)?shù)從11.18%降低到8.52%，煙氣流量從1 640.7 t／h 降低到1 610.9 t／h，煙氣中水蒸汽流量減少29.8 t／h。

由表2 可以看出：

1）冷凝過(guò)程從煙氣中析出的水量為29.8 t／h，水蒸汽釋放的汽化潛熱為19 831 kW，占煙氣側(cè)總放熱量的89%，而煙氣降溫釋放的熱量?jī)H為2 501.6 kW，只占11%。

表2 冷凝析出的水量及煙氣放熱量

2）冷凝器若采用水冷方式，進(jìn)口溫度為t1=20 ℃，出口為t2=38 ℃，此溫度區(qū)間內(nèi)水的平均比熱Cw=4.180 kJ／（kg·K），則需要的冷卻水流量為

因此，為冷凝回收煙氣中的水蒸汽，冷卻水流量是很大的，這意味著要布置較多的傳熱面，同時(shí)，電廠(chǎng)有高溫蒸汽，而缺少低溫水，水蒸汽冷凝“消白”方案投資大，運(yùn)行成本較高；有些“消白”方案則直接將圖1 中的冷凝器改為輔助加熱器，用少量高溫蒸汽進(jìn)一步提升煙氣溫度到75 ℃，以此抬升煙氣擴(kuò)散高度，同樣能起到降低污染的效果，例如華能重慶珞璜發(fā)電廠(chǎng)360 MW 機(jī)組就是采用這種方式，輔助加熱器額外消耗的蒸汽流量為3.5 t／h［12］。

4 結(jié)語(yǔ)

濕法脫硫系統(tǒng)出口煙氣溫度較低且含有大量水蒸汽，未處理直接排向大氣會(huì)造成周邊環(huán)境污染。

對(duì)于算例鍋爐，煙氣經(jīng)過(guò)脫硫塔后，脫硫劑溶液中的水汽化進(jìn)入煙氣，煙氣中水蒸汽流量增加37.7 t／h。

煙氣“消白”主要方法是對(duì)低溫濕煙氣進(jìn)行加熱，以抬升煙氣擴(kuò)散高度，或?qū)煔庵幸徊糠炙羝淠厥铡?/p>

冷凝回收煙氣中的水蒸汽時(shí)，水蒸汽凝結(jié)時(shí)釋放的潛熱是主要熱量來(lái)源，水蒸汽冷凝“消白”方案投資大，運(yùn)行成本較高。

采用輔助加熱器對(duì)煙氣進(jìn)一步升溫，將煙囪入口溫度提高到75 ℃，是一種較好的煙氣“消白”方案。