惠 荷

(西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710054)

由于我國(guó)能源緊張、環(huán)保要求嚴(yán)格，伴隨著節(jié)能減排工作的進(jìn)一步開(kāi)展，根據(jù)《陜西省“治污降霾·保衛(wèi)藍(lán)天”行動(dòng)計(jì)劃》的要求，應(yīng)加快淘汰燃煤鍋爐，積極發(fā)展“煤改氣”、“煤改電”集中供熱，大幅降低污染物排放，促進(jìn)供熱節(jié)能減排。目前，燃?xì)忮仩t采用先進(jìn)的燃燒裝置降低了氮氧化物排放濃度；采用成熟的煙氣余熱回收技術(shù)在提高鍋爐效率的同時(shí)析出大量的煙氣冷凝水。經(jīng)過(guò)對(duì)幾個(gè)熱源廠的調(diào)研，大多數(shù)熱力公司在建設(shè)燃?xì)忮仩t房初期不清楚煙氣冷凝水的水量，運(yùn)行階段直接將大量的冷凝水降溫后排放掉，造成大量的水資源浪費(fèi)。本文通過(guò)對(duì)咸陽(yáng)某熱力公司91 MW燃?xì)鉄崴仩t煙氣各組分的計(jì)算，得出煙氣冷凝水量及冷凝水回收再利用的技術(shù)思路。

1 冷凝水產(chǎn)生的原因

燃?xì)忮仩t在燃燒過(guò)程中煙氣水蒸氣的來(lái)源包含燃料中氫燃燒、燃料中水分蒸發(fā)和隨燃燒空氣帶入的水蒸氣三部分。

(1)燃燒產(chǎn)生水蒸氣。天然氣的主要可燃成分為CH4，由于含有較多的氫元素，燃燒過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣。

(2)燃料中的水蒸氣。部分天然氣中含有水蒸氣，在燃燒過(guò)程中，水蒸氣通過(guò)煙氣排出鍋爐。

(3)燃燒空氣帶入的水蒸氣?？諝庵泻兴魵猓M(jìn)入鍋爐的空氣量越大、空氣含濕量越大則帶入煙氣的水蒸氣含量也越大。

煙氣中的水蒸氣，只有當(dāng)煙氣溫度低于煙氣露點(diǎn)溫度時(shí)才能冷凝為水。

2 煙氣組分計(jì)算

2.1 天然氣參數(shù)

天然氣參數(shù)表如表1所示。

表1 天然氣參數(shù)表

2.2 煙氣組分

天然氣燃燒后的產(chǎn)物就是煙氣，當(dāng)只供給理論空氣量時(shí)，燃燒產(chǎn)生的CO2、SO2、N2和H2O的總量稱(chēng)為理論煙氣量。為保證燃燒，過(guò)剩空氣系數(shù)一般取1.1～1.2，煙氣中除這些組分外還有過(guò)?？諝?，這時(shí)的煙氣量稱(chēng)為實(shí)際煙氣量。根據(jù)表1天然氣參數(shù)，計(jì)算1 m3天然氣產(chǎn)生的各煙氣組分含量。

(1)理論空氣量：

(1)

式中V0——理論空氣需要量， m3/m3；VCmHn——天然氣中各種可燃組分的體積分?jǐn)?shù)，%。

根據(jù)式(1)，計(jì)算可得理論空氣量為9.746 m3/m3。

(2)理論氮?dú)饬浚?/p>

(2)

根據(jù)式(2)，計(jì)算可得理論氮?dú)饬繛?.719 m3/m3。

(3)二氧化碳量：

VCO2=0.01(VCO2+∑mVCmHn)

(3)

式中VCO2——二氧化碳的體積，m3/m3。

根據(jù)式(3)，計(jì)算可得二氧化碳量為1.043 m3/m3。

(4)蒸氣體積：

(4)

根據(jù)式(4)，計(jì)算可得理論煙氣中水蒸氣量為2.103 m3/m3。

(5)理論煙氣量：

(5)

根據(jù)式(5)，計(jì)算可得理論煙氣量為10.865 m3/m3。

(6)實(shí)際氮?dú)饬浚?/p>

V〗N2=0.79αV0+0.01VN2

(6)

式中VN2——實(shí)際煙氣中氮?dú)獾捏w積，m3/m3；α——過(guò)?？諝庀禂?shù)，取1.2。

根據(jù)式(6)，計(jì)算可得實(shí)際氮?dú)饬繛?.259 m3/m3。

(7)實(shí)際水蒸氣體積：

(7)

式中VH2O——實(shí)際煙氣中水蒸氣的體積，m3/m3。

根據(jù)式(7)，計(jì)算可得實(shí)際煙氣中水蒸氣量為2.118 m3/m3。

(8)過(guò)剩氧氣體積：

VO2=0.21(α-1)V0

(8)

式中VO2——實(shí)際煙氣中過(guò)剩氧氣的體積，m3/m3。

根據(jù)式(8)，計(jì)算可得實(shí)際煙氣中過(guò)剩氧氣量為0.409 m3/m3。

(9)實(shí)際煙氣量：

Vy=VN2+VH2O+VCO2+VO2

(9)

式中Vy——實(shí)際煙氣量，m3/m3。

根據(jù)式(9)，計(jì)算可得實(shí)際煙氣量為12.829 m3/m3。

2.3 煙氣露點(diǎn)溫度

由于天然氣中不含硫，因此煙氣的露點(diǎn)溫度即為煙氣水露點(diǎn)溫度。根據(jù)天然氣燃燒后煙氣組分中水蒸氣占煙氣的份額，可求得煙氣水露點(diǎn)溫度。不同水蒸氣分壓力下煙氣露點(diǎn)溫度見(jiàn)表2。

表2 不同水蒸氣分壓力下煙氣露點(diǎn)溫度表

通過(guò)對(duì)咸陽(yáng)某熱力公司91 MW燃?xì)鉄崴仩t煙氣各組分的計(jì)算可知，實(shí)際煙氣中水蒸氣量為2.118 m3/m3，實(shí)際煙氣量為12.829 m3/m3，煙氣中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為0.165，從而得出煙氣的露點(diǎn)溫度為55.5℃。

2.4 煙氣冷凝水量

當(dāng)煙氣溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，煙氣中水蒸氣發(fā)生冷凝，煙氣冷凝水析出。煙氣中水蒸氣的冷凝率和冷凝水量與排煙溫度的關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 不同排煙溫度下煙氣冷凝率及冷凝水量表

目前咸陽(yáng)某熱力公司91 MW燃?xì)鉄崴仩t安裝煙氣余熱回收裝置提高鍋爐效率，使排煙溫度由180℃降至30℃，鍋爐燃?xì)夂牧繛? 737 m3/h。根據(jù)分析可知，穩(wěn)定運(yùn)行工況下冷凝水產(chǎn)生量為1.364×9 737×0.001=13.28(t/h)。

3 冷凝水處理工藝流程

經(jīng)過(guò)對(duì)咸陽(yáng)某熱力公司煙氣冷凝水水質(zhì)進(jìn)行分析，從水質(zhì)報(bào)告中發(fā)現(xiàn)，水的pH值偏低，全鐵含量及硬度偏高。為保證煙氣冷凝水能夠作為鍋爐補(bǔ)水進(jìn)行再利用，煙氣冷凝水水質(zhì)需滿足GB/T1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》中采用鍋外水處理的熱水鍋爐的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)燃?xì)忮仩t煙氣冷凝水水質(zhì)情況，推薦采用pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)+除鐵過(guò)濾器的方案對(duì)水質(zhì)的pH值及全鐵含量進(jìn)行糾正，糾正后的煙氣冷凝水進(jìn)入鍋爐房原有軟水器、除氧器及后續(xù)水處理設(shè)備。

pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)向水中加入氫氧化鈉，將水的pH調(diào)節(jié)至7.0～11.0，滿足GB/T1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》對(duì)補(bǔ)水pH值的要求。

除鐵過(guò)濾器的除鐵原理：水中鐵質(zhì)主要為溶解性的二價(jià)鐵，含鐵的水經(jīng)曝氣后，流經(jīng)濾層過(guò)濾時(shí)，覆蓋在濾料表面的活性生物濾膜開(kāi)始對(duì)水中的二價(jià)鐵離子進(jìn)行吸附，然后在生物濾膜催化作用下被溶解氧所氧化并吸附在濾料上，氧化生成的三價(jià)鐵的氧化物作為新的濾膜參與新的催化反應(yīng)，活性生物濾膜接觸氧化二價(jià)鐵是一個(gè)自動(dòng)催化過(guò)程。煙氣冷凝水經(jīng)新增除鐵器處理后，水質(zhì)滿足GB/T1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》對(duì)補(bǔ)水全鐵含量值的要求。

全自動(dòng)軟水器是一種運(yùn)行和再生操作過(guò)程全自動(dòng)控制的離子交換軟水器，利用鈉型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂去除水中鈣鎂離子，降低原水硬度，以達(dá)到軟化硬水的目的，從而避免碳酸鹽在管道、容器、鍋爐產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，大大節(jié)省投資成本的同時(shí)又能保證生產(chǎn)順利進(jìn)行。煙氣冷凝水經(jīng)鍋爐房原有全自動(dòng)軟水器處理后，水質(zhì)滿足GB/T1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》對(duì)補(bǔ)水硬度值的要求。

除氧器的主要作用是除去給水中的氧氣,水中溶解了氧氣,就會(huì)使與水接觸的金屬腐蝕，會(huì)妨礙傳熱過(guò)程的進(jìn)行,降低設(shè)備的傳熱效果，水中溶解有氧氣會(huì)直接威脅設(shè)備的安全運(yùn)行。煙氣冷凝水經(jīng)鍋爐房原有除氧器處理后，水質(zhì)滿足GB/T1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》對(duì)補(bǔ)水氧含量值的要求。煙氣冷凝水經(jīng)過(guò)上述處理工藝流程后，完全滿足鍋爐補(bǔ)水水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，可以作為鍋爐補(bǔ)水的一部分進(jìn)行循環(huán)再利用。

4 節(jié)約能源

對(duì)煙氣冷凝水經(jīng)過(guò)pH調(diào)節(jié)、除鐵和軟化后完全可滿足鍋爐補(bǔ)水的要求，91 MW熱水鍋爐的補(bǔ)水量為26.08 t/h(按照循環(huán)水量的2%計(jì)算)，鍋爐煙氣冷凝水量為13.28 t/h，煙氣冷凝水量可滿足鍋爐50%的補(bǔ)水量，減少自來(lái)水耗量達(dá)50%。pH調(diào)節(jié)、除鐵和軟化工藝主要運(yùn)行成本為電耗及氫氧化鈉藥劑消耗量。

對(duì)該熱源廠進(jìn)行煙氣冷凝水回水節(jié)能及經(jīng)濟(jì)性分析，咸陽(yáng)地區(qū)一個(gè)采暖季采暖天數(shù)為120天，采暖平均負(fù)荷率為0.75，一個(gè)采暖季可回收煙氣冷凝水量為13.28×24×0.75×120=28 684.8 (t/a)，自來(lái)水價(jià)格按照工業(yè)用水價(jià)格5.25元/t,則一個(gè)采暖季節(jié)約水費(fèi)15.06萬(wàn)元。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，pH調(diào)節(jié)和除鐵工藝設(shè)備投資約30萬(wàn)，一個(gè)采暖季節(jié)運(yùn)行成本約3萬(wàn)。在不考慮人工、設(shè)備折舊等情況下，煙氣冷凝水回收項(xiàng)目的投資回收期約為2.5年。按照全壽命周期運(yùn)行20年計(jì)算，91MW熱水鍋爐煙氣凝結(jié)水回收利用可節(jié)約自來(lái)水57.4萬(wàn)t，節(jié)約費(fèi)用約263.6萬(wàn)元，在未考慮提升鍋爐效率的情況下，煙氣冷凝水回收系統(tǒng)節(jié)水及節(jié)能效果顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

熱力公司采用煙氣余熱深度回收工藝，將煙氣溫度降低到露點(diǎn)溫度以下，不僅能夠回收煙氣顯熱，同時(shí)還能回收煙氣中水蒸氣的潛熱，大幅提高鍋爐效率，降低能耗。與此同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量煙氣冷凝水，通過(guò)對(duì)91 MW燃?xì)忮仩t煙氣冷凝水量計(jì)算，這部分冷凝水量可滿足鍋爐50%的補(bǔ)水量，如果不加以利用，是對(duì)水資源的大量浪費(fèi)。