馬雙忱，龔春琴，辜濤，孫堯，何川，曲保忠，劉暢

（1.華北電力大學環(huán)境科學與工程系，河北保定071003；2.阜陽華潤電力有限公司，安徽阜陽236000）

0 引言

燃煤發(fā)電作為中國主要的發(fā)電形式，其用水問題對燃煤發(fā)電廠的效益有極大影響。隨著國家“十三五”節(jié)水型社會建設規(guī)劃制定了越來越嚴格的用水取水指標，可以預見，未來火電行業(yè)向環(huán)境取水會進一步受到約束。若有效回收煙氣中水分，對缺水的北方地區(qū)，能減少對當?shù)厮Y源的用量，對當?shù)氐纳鷳B(tài)也是一種保護；從環(huán)保角度，煙囪帶出的水汽為酸性水，如果這種煙氣降落周邊地區(qū)，會對周邊地區(qū)產(chǎn)生酸化，造成酸雨，并可導致土地產(chǎn)生板結現(xiàn)象；從“超低排放”考慮，相關試驗研究表明，冷凝法回收煙氣中水分后，能降低排煙中超細顆粒物，進一步改善周邊大氣環(huán)境。

1 濕煙氣水分來源及其影響

1.1 煙氣中水分

經(jīng)過濕法脫硫系統(tǒng)（WFGD）后，濕煙氣中水蒸氣體積分數(shù)會由6%～8%上升至11%～13%，水蒸氣潛熱顯著增加，出口煙氣中每千克干煙氣含濕量80～100 g，此時為飽和甚至過飽和煙氣［1］。

高濕煙氣中濕分組成如圖1 所示，由圖1 可知，高濕煙氣中的水分來自2 部分：主要來自濕法脫硫［2-3］，其次來自燃燒使用含水分較高的褐煤和煙煤［4-5］。

圖1 高濕煙氣中濕分組成Fig.1 Composition of moisture in high humidity flue gas

文獻［3］基于600 MW 機組的脫硫系統(tǒng)，建立工藝水用途和消耗水平衡，研究發(fā)現(xiàn)在機組滿負荷下，吸收塔內(nèi)煙氣可帶走水耗高達125 m3∕h。當前全國燃煤電廠中有90%的電廠采用濕法脫硫工藝，且我國用于火力發(fā)電的煤種主要是含高水分的褐煤和煙煤，這為回收煙氣中的水分提供了重要的現(xiàn)實依據(jù)。

1.2 濕煙氣對環(huán)境影響

濕法脫硫洗后煙氣含有大量飽和水蒸氣，煙氣中的水蒸氣遇到冷空氣會迅速凝結成微小的液滴，從而形成煙囪冒“白煙”現(xiàn)象，對電廠的社會形象產(chǎn)生不利影響［6］。水蒸氣對環(huán)境的影響是多方面的，首先水蒸氣作為主要的溫室氣體之一，高濕煙氣排放致使低層大氣濕度增加，造成低空大氣污染物不易擴散，甚至影響局部氣候；高濕煙氣排放還促進大氣污染物二次轉(zhuǎn)化，加速氣溶膠微粒吸濕增長，改變氣溶膠光學特性，影響大氣能見度和地面溫度；對電廠而言，高濕煙氣排放會造成電廠水耗增加，帶走大量汽化潛熱，不利于節(jié)水和余熱回用；而且高濕煙氣中攜帶的酸性氣體引發(fā)鍋爐尾部煙道低溫腐蝕，危害設備壽命；濕法脫硫后高濕煙氣產(chǎn)生“石膏雨”和納微米顆粒物［7-8］，危及電廠周邊環(huán)境并形成霧霾的凝結核。因此，深入認識水蒸氣對環(huán)境的影響，是堅決打好藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的關鍵之一。

2 煙氣回收水水質(zhì)分析

氣體除濕技術主要有低溫冷凝、液態(tài)吸收∕吸附和膜分離等。低溫冷凝技術主要通過換熱器對煙氣冷凝，來達到節(jié)水、節(jié)能目的，但回收水水質(zhì)差。液態(tài)吸收通過吸收劑來吸收煙氣中水分，但吸收劑再生、吸收溶液隨煙氣帶出問題和裝置占地面積大等問題是限制其發(fā)展的主要因素。膜法分離水蒸氣技術，回收水質(zhì)好，無污染物排放，但處理量小，高濕煙氣中殘留石膏顆粒導致膜表面結垢是該技術的一個障礙。

2.1 冷凝法回收水的水質(zhì)分析

用換熱器冷卻回收煙氣中冷凝水是當前燃煤機組煙氣水回收技術中應用較多的工藝。冷凝法水回收技術，回收水量與煙氣溫度密切相關，煙氣溫度差越大，水回收量越大。以300 MW 機組為例，凈煙氣降溫5 ℃，可回收冷凝水30～40 t。煙氣回收水水質(zhì)主要受冷卻水溫度、冷卻水流量、煙氣流量、換熱器材質(zhì)、運行參數(shù)及煙氣溫度等影響。不同的電廠，冷凝法煙氣回收水水質(zhì)差異較大。冷凝法煙氣回收水水質(zhì)數(shù)據(jù)見表1，表中COD 為化學需氧量。

表1 冷凝法煙氣回收水水質(zhì)指標Tab.1 Quality indicators for condensed flue gas recovery water

總結采用冷凝法煙氣回收水水質(zhì)主要有以下特點。

（1）冷凝水pH 值低（呈較強酸性）。因煙氣中存在HF，SO2，SO3，HCl，HNO3等酸性污染物物質(zhì)，回收水中由于溶入SO3和HCl 強酸性物質(zhì)，致煙氣冷凝水pH值呈酸性，加劇設備腐蝕。

（2）鐵離子質(zhì)量濃度差異大，濕法脫硫后煙氣具有一定腐蝕性，使用不同的冷凝器材質(zhì)（金屬或氟塑料），回收水中鐵離子質(zhì)量濃度不同。

2.2 膜法回收水的水質(zhì)分析

膜法分離的基本原理是根據(jù)混合氣體各組分在壓力的推動下透過膜的傳遞速率不同，而使各組分分離。對不同類型膜，煙氣通過膜的傳遞方式不同，因而分離機理也各異［12］。不少研究學者聚焦研究陶瓷膜［13-16］、親水聚合膜［17］、疏水聚合膜［18-21］等膜材料，研究其回收水水質(zhì)特點。各學者研究結果表明，納米多孔陶瓷膜、中空纖維膜等，能抑制諸如CO2，O2，NOx和SO2等污染物通過膜，回收水的水質(zhì)較好，滿足鍋爐補給水水質(zhì)要求。

膜分離煙氣水回收技術，由于膜材料不同，煙氣回收水水質(zhì)略有不同，已有文獻顯示在相同運行參數(shù)和工況下，采用納米陶瓷膜的煙氣回收水水質(zhì)比中空纖維膜更好，膜法回收煙氣冷凝水經(jīng)簡單處理可以直接用于電廠補水工藝系統(tǒng)。

2.3 液體吸收法回收水水質(zhì)分析

液態(tài)吸收法原理濕蒸汽壓差驅(qū)動水蒸氣在溶液與煙氣之間的遷移，同時完成汽化潛熱的釋放和吸收［1］，吸收法脫水的關鍵是脫水溶劑性能，脫水溶劑性能需要具有熱穩(wěn)定性好、蒸汽壓低和可再生性強等特點。液態(tài)吸收法水回收技術包含2 部分：除濕與再生。常作為除濕吸收劑的有氯化鋰、溴化鈣、溴化鋰［22-23］、三甘醇、氯化鈣［24-25］等物質(zhì)的水溶液。因甘醇類化合物中的羥基易與水形成氫鍵，尤其是三甘醇易實現(xiàn)再生，已廣泛用于燃氣機組的脫水過程［26-27］。

文獻［28］基于中試規(guī)模，進行液體吸收劑可行性試驗，其煙氣回收水水質(zhì)與典型發(fā)電廠反滲透（RO）系統(tǒng)凈化后的出水相比，除了CaCO3值略高以外，其他物質(zhì)質(zhì)量濃度均低于RO出水。

采用液體吸收法回收煙氣濕分，回收系統(tǒng)回收的潛熱和水量比傳統(tǒng)冷凝法更有優(yōu)勢。且吸收法煙氣水回收技術對煙氣的排煙溫度要求不高，但存在吸收溶液隨煙氣帶出問題。后續(xù)學者若能優(yōu)化吸收劑再生過程和吸附劑性能，對于除霧效果較好的電廠，溶液吸附法除濕將會是不錯選擇。

3 煙氣回收水量

火電用水問題對燃煤發(fā)電廠的效益有極大影響，以歐洲某400 MW 火力發(fā)電廠為例，每小時消耗補給水30 t，同時每小時排放煙氣中的含水約為150 t［29］，若煙氣中20%的水蒸氣可被捕集，則燃煤發(fā)電廠即可達到水資源的自給自足［30］，若20%以上的水蒸氣可被捕集，則該電廠可對外界提供一定量的水。文獻［31］僅單臺600 MW 機組燃燒褐煤煙氣冷凝，可回收水量高達92.25 m3∕h。文獻［32］給出回收的冷凝水能滿足鍋爐及二次管網(wǎng)系統(tǒng)補充水量的要求。

隨著國內(nèi)燃煤電廠機組逐漸向大機組發(fā)展，從表2 可以看出，機組越大，煙氣含水量越高，可回收水量越多，節(jié)水減排效果越顯著。

表2 不同機組煙氣含水量［33-35］Tab.2 Flue gas moisture content of different units m3∕h

以國內(nèi)某電廠（2×330 MW 機組）數(shù)據(jù)（見表3）為例，每臺鍋爐配置一套石灰石-石膏法脫硫系統(tǒng)，計算煙氣回收水量，本文取WFGD 出口煙氣溫度為50 ℃，計算WFGD 出口煙氣中含水量及回收水量大小。

表3 330 MW機組FGD入口煙氣數(shù)據(jù)Tab.3 Flue gas data at the FGD inlet of a 330 MW unit

水蒸氣的分壓力取決于水蒸氣的溫度，不同溫度下飽和水蒸氣的分壓力可通過Antoine 方程計算得到

式中：pW為水蒸氣分壓，MPa；T 為熱力學溫度，K；T在290～500 K時該式適用。

飽和煙氣的含濕量可通過將伯努利方程和道爾頓分壓定律聯(lián)立得到

式中：d 為飽和煙氣的含濕量，g∕kg；0.1 代表吸收塔出口濕煙氣壓力為0.1 MPa。

則吸收塔出口煙氣攜帶的氣態(tài)水量

式中：qmDFG為干煙氣的質(zhì)量流量，kg∕h；qmOutletVapor為吸收塔出口煙氣所帶氣態(tài)水量，kg∕h。

原煙氣帶水量

式中：qVWFG為濕煙氣體積流量，m3∕h；qVDFG為干煙氣體積，m3∕h；qmOriginalVapor為原煙氣所帶氣態(tài)水量，kg∕h。

干煙氣的平均相對分子質(zhì)量

式中：MDFG為干煙氣的平均相對分子質(zhì)量；φ(i)為煙氣中各成分的體積分數(shù)，%。

干煙氣的質(zhì)量流量（kg∕h）

則吸收塔出口煙氣所帶氣態(tài)水量qmOutletVapor可由式（3）（6）聯(lián)立得出。

吸收塔出口所帶液態(tài)水量（kg∕h）

按回收率60%計算，該330 MW 機組可回收82.37 m3∕h 的回收水。文獻［4］研究300 MW 裝置FGD 工藝的補充水約為每小時80 m3。根據(jù)計算結果，回收的煙氣回收水可以完全補充FGD 系統(tǒng)水耗，實現(xiàn)脫硫系統(tǒng)“零水耗”。

4 煙氣回收水用于電廠用水系統(tǒng)途徑分析

燃煤電廠工業(yè)用水包括循環(huán)水的補充水、鍋爐給水的補充水、公用工程站的用水、場地沖洗水、消防水池的水源、換熱器的冷卻水等［36］。根據(jù)電廠主要耗水系統(tǒng)，將回收水用于脫硫系統(tǒng)補水、循環(huán)水的補充水、鍋爐補給水系統(tǒng)［8］。因冷凝法已實現(xiàn)工程應用，對煙氣回收水回用技術研究較多的主要是冷凝法的煙氣回收水［10，37-39］。

4.1 脫硫塔補水

脫硫系統(tǒng)的用水主要分為2 路，工藝水和冷卻水。工藝水主要用于吸收塔補水、除霧器沖洗、石灰石制漿等。脫硫系統(tǒng)的工藝水一般來自電廠循環(huán)水（或循環(huán)水補充水）、中水或其他工業(yè)水系統(tǒng)；冷卻水用水設備的冷卻，由于用水點相對較少，耗水量不大。因此在脫硫系統(tǒng)中煙氣回收水主要回用于工藝水。

根據(jù)DL∕T 5196—2016《火力發(fā)電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)設計規(guī)程》和文獻［40-41］，將冷凝法和膜法煙氣回收水水質(zhì)與表4對比分析。

表4 直接進入脫硫系統(tǒng)的工藝水水質(zhì)要求Tab.4 Water quality requirements on process water directly flowing into the desulfurization system

膜法煙氣回收水可直接作為脫硫系統(tǒng)補水；而冷凝法回收水需加堿調(diào)節(jié)pH 值后可作脫硫工藝補水。

4.2 循環(huán)水補水

循環(huán)冷卻水水量損耗主要包括蒸發(fā)損失、風吹損失及排污損失等幾部分。電廠主要耗水量集中在循環(huán)水系統(tǒng)［42-45］。

將煙氣回收水水質(zhì)與間冷開式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標（按照GBT 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》）進行對比分析，具體見表5。

表5 間冷開式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標Tab.5 Indirect cooling open circulating system cooling water quality indicators

膜法煙氣回收水可直接用于循環(huán)冷卻水補水；冷凝法煙氣回收水總鐵和pH 值超標，需加堿中和pH 值和使用吸附法除鐵［38］，其工藝流程為：煙氣回收水→中和池→絮凝池→澄清池→循環(huán)冷卻水補給水箱。

4.3 鍋爐補給水

鍋爐補給水對水質(zhì)要求極其嚴格，低溫冷凝和液體吸收法的煙氣回收水水質(zhì)較差，需經(jīng)過嚴格水處理流程才能使用，從成本和復雜工藝過程出發(fā)，不建議冷凝法煙氣回收水用于鍋爐補給水。

膜法煙氣回收水水質(zhì)較好，可用于鍋爐補給水系統(tǒng)，建議回用系統(tǒng)工藝流程為：煙氣冷凝水→活性炭過濾器→高速混床→除鹽水。

4.4 水回收工藝技術經(jīng)濟對比

煙氣經(jīng)濕法脫硫后處于飽和低溫高濕狀態(tài)，對換熱器材質(zhì)要求很高，應用較多的是氟塑料材質(zhì)。表6展示了以氟塑料為例的煙氣水回收工藝技術經(jīng)濟分析結果。

表6 不同煙氣水回收工藝技術經(jīng)濟對比Tab.6 Techno-economic comparison of different flue gas and water recovery processes

由表6可見，各種技術路線均有其優(yōu)缺點，在選擇煙氣水回收技術工藝時，應綜合考慮企業(yè)自身特點，根據(jù)實際工況條件，設備空間需求，系統(tǒng)可靠性，運行經(jīng)濟性等因素優(yōu)選合適方案。條件允許時，也要注重節(jié)能，實現(xiàn)煙氣回收水和水蒸氣汽化潛熱的有效利用。

5 結論

（1）文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煙氣回收水水質(zhì)報告中水質(zhì)指標差別較大，經(jīng)分析煙氣回收水水質(zhì)受多個因素影響，如機組運行負荷、煙氣流速、冷凝器材質(zhì)、工藝流程、煙氣溫度、煙氣濃度等。

（2）濕煙氣的回收水可并入電廠汽水系統(tǒng)，可用作脫硫工藝水、鍋爐給水或循環(huán)水，解決北方燃煤電廠缺水地區(qū)的水資源緊缺問題，實現(xiàn)電廠水資源的循環(huán)利用。

（3）從煙氣回收水水質(zhì)可以看出，煙氣回收水中含有部分污染物，如鹽分和微細顆粒物，這些污染物來源于煙氣攜帶的液滴與可凝結顆粒物，可見煙氣水回收對煙氣污染物有一定減排作用。開展煙氣水回收還具有避免脫硫塔下游煙道發(fā)生酸性腐蝕、節(jié)水、消除視覺污染等多重意義。