潘志越

(福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福建 福州 350108)

煙氣—煙氣換熱器(Gas-Gas Heater,簡(jiǎn)稱GGH)作為燃煤電站煙氣處理設(shè)備，具有消除煙囪“白煙”、改善煙氣排放等優(yōu)點(diǎn)。由于初投資大、系統(tǒng)復(fù)雜等原因，GGH的研究與應(yīng)用主要集中于各大發(fā)電集團(tuán)的大中型機(jī)組[1-2]，而在小型機(jī)組中還較少。特別是在福建省內(nèi)，GGH系統(tǒng)在熱電聯(lián)產(chǎn)小型機(jī)組中尚無(wú)應(yīng)用先例。鑒于此，以省重點(diǎn)項(xiàng)目福鼎熱電廠工程為例，結(jié)合實(shí)際工程條件與環(huán)保政策，對(duì)不同布置方案進(jìn)行對(duì)比分析，確定技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的方案，為類似工程提供借鑒與參考。

1 GGH系統(tǒng)概述

1.1 GGH應(yīng)用背景

火電行業(yè)燃煤機(jī)組煙氣脫硫工藝以石灰石-石膏濕法為主，該工藝更是燃煤電廠煙氣脫硫的首選工藝。如果脫硫后的煙氣不經(jīng)加熱直接排放，則煙囪出口溫度在45～55℃之間，屬于攜帶有飽和水的濕煙氣，導(dǎo)致煙囪出口形成白色的“煙柱”。電廠“冒白煙”的現(xiàn)象普遍受到公眾的質(zhì)疑和誤解，給電廠生產(chǎn)帶來(lái)了很大壓力。

脫硫后的凈煙氣由于排放溫度較低，密度較大，自煙囪排出后，不能迅速抬升并擴(kuò)散到大氣中。煙氣中攜帶的微小石膏漿液滴聚集在煙囪附近并落到地面，形成“石膏雨”現(xiàn)象。沉降的微小液滴呈酸性，會(huì)對(duì)沉降區(qū)域內(nèi)的設(shè)備、設(shè)施和建筑物造成損害，也會(huì)對(duì)周邊地區(qū)的生產(chǎn)和生活帶來(lái)不良影響。

1.2 GGH裝置

GGH裝置的基本原理如圖1所示，其通過(guò)轉(zhuǎn)子中的數(shù)萬(wàn)個(gè)換熱元件持續(xù)不斷地交替從脫硫前原煙氣側(cè)吸熱并向脫硫后凈煙氣側(cè)放熱，以提高排放煙氣溫度。其原理類似于回轉(zhuǎn)式空預(yù)器，因此又稱為回轉(zhuǎn)式或再生式GGH (Regenerative Gas-Gas Heater，簡(jiǎn)稱RGGH)。

GGH裝置通過(guò)從脫硫前原煙氣吸熱，降低了進(jìn)入吸收塔的煙氣溫度，可減少脫硫系統(tǒng)耗水量，相對(duì)的低溫可降低塔內(nèi)對(duì)防腐的工藝技術(shù)要求；另一方面，GGH加熱脫硫后凈煙氣，減少煙氣冷凝結(jié)霧，有效緩解煙囪“冒白煙”現(xiàn)象；促進(jìn)煙囪排煙擴(kuò)散，解決了“石膏雨”問(wèn)題。同時(shí)，加熱后的煙氣對(duì)GGH出口煙道和煙囪的腐蝕減輕，降低煙囪防腐維護(hù)成本，提高設(shè)備安全性。

1.3 MGGH系統(tǒng)

在日本的火電廠，為了增強(qiáng)煙氣的擴(kuò)散能力，減輕對(duì)本土的污染，幾乎所有的濕法煙氣脫硫系統(tǒng)后均設(shè)置了GGH裝置。GGH的大規(guī)模應(yīng)用，加上地方環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，促進(jìn)了GGH技術(shù)的迅速發(fā)展。

但在實(shí)際運(yùn)行中，RGGH換熱元件易腐蝕、堵塞等固有缺陷也逐漸凸顯。針對(duì)傳統(tǒng)RGGH的缺點(diǎn)，日本三菱公司于1997年研發(fā)了取代傳統(tǒng)RGGH的新一代媒介式煙氣-煙氣換熱器(Medium Gas-Gas Heater, 簡(jiǎn)稱MGGH)，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐[3]。

典型的MGGH系統(tǒng)流程如圖2所示。MGGH系統(tǒng)由煙氣冷卻器，煙氣加熱器、熱媒平衡罐、輔助加熱器、循環(huán)泵及電控裝置等組成?；驹硎抢迷瓱煔獾臒崃客ㄟ^(guò)煙氣冷卻器的換熱管加熱熱媒介質(zhì)(一般采用水)，再利用加熱后的熱媒介質(zhì)循環(huán)至煙氣加熱器的換熱管以加熱凈煙氣。熱媒水在管路中形成閉式循環(huán)。在鍋爐低負(fù)荷時(shí)，采用熱助加熱系統(tǒng)對(duì)熱媒水進(jìn)行加熱，以保證煙氣加熱器出口煙氣溫度。熱媒水補(bǔ)充系統(tǒng)的作用是在系統(tǒng)啟動(dòng)前注水以及運(yùn)行中補(bǔ)水。

與傳統(tǒng)RGGH系統(tǒng)對(duì)比，MGGH具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)無(wú)泄漏。在RGGH中，由于原煙氣與凈煙氣側(cè)存在壓差，不可避免產(chǎn)生煙氣泄露。而MGGH的煙氣冷卻器和煙氣加熱器獨(dú)立布置，降溫側(cè)和升溫側(cè)完全分開，保證了在熱煙氣和冷煙氣之間無(wú)煙氣和飛灰泄漏。

(2)布置靈活。由于煙氣與煙氣之間換熱系數(shù)低，RGGH中布置數(shù)萬(wàn)個(gè)傳熱元件，外形笨重，占地面積大。而MGGH的煙氣冷卻器和煙氣加熱器布置可根據(jù)工藝流程優(yōu)化，特別是對(duì)于改造工程，可因地制宜優(yōu)化布置設(shè)備及煙道，節(jié)約投資成本。

(3)避免腐蝕。MGGH在運(yùn)行中可通過(guò)控制循環(huán)熱煤水的流量來(lái)調(diào)節(jié)換熱量，保持煙氣側(cè)溫度始終高于酸露點(diǎn)，以防止SO2腐蝕。

(4)可靠性高。RGGH中容易造成煙塵的沉積和結(jié)垢，影響換熱效果；在鍋爐低負(fù)荷工況下，RGGH也缺乏提高煙氣溫度的手段。而MGGH中無(wú)易堵塞的換熱原件，也可通過(guò)控制熱煤水的循環(huán)流量和溫度保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

(5)熱經(jīng)濟(jì)性高。熱媒水在煙氣冷卻器中吸收的熱量除了用于加熱凈煙氣，也可用于加熱凝結(jié)水系統(tǒng)，提高熱循環(huán)效率。

1.4 GGH在我國(guó)的發(fā)展與應(yīng)用

我國(guó)火電行業(yè)在GGH的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用上經(jīng)歷過(guò)曲折與反復(fù)。在1979年，南京下關(guān)電廠安裝了國(guó)內(nèi)首套GGH裝置[4]。隨著濕法脫硫的大規(guī)模運(yùn)用，GGH也開始大量推廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2004年國(guó)內(nèi)火電廠中采用GGH的約占80%以上，其中基本是RGGH。

根據(jù)行業(yè)對(duì)FGD的運(yùn)行跟蹤，幾乎所有的GGH在運(yùn)行過(guò)程中都出現(xiàn)了故障。GGH的投資約占濕法脫硫的15%左右，但其引發(fā)的問(wèn)題已經(jīng)成為制約脫硫系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸。當(dāng)時(shí)流行的觀點(diǎn)是：取消GGH可簡(jiǎn)化煙氣系統(tǒng)，提高FGD系統(tǒng)可靠性[5-6]。因此，此后部分新建機(jī)組不再要求安裝GGH，部分已安裝的機(jī)組開始拆除。

近年來(lái)，濕煙囪排放帶來(lái)的“冒白煙”、石膏雨等問(wèn)題又逐漸引起社會(huì)關(guān)注。有研究甚至認(rèn)為，溫度低、濕度大的電廠排煙是形成霧霾的根本原因[7]。2014年至今，隨著“超凈排放”標(biāo)準(zhǔn)的提出，MGGH、低溫省煤器、低低溫電除塵器、電袋除塵器、濕式除塵器等新型煙氣凈化裝置百花齊放。曾經(jīng)僅是脫硫系統(tǒng)中附屬設(shè)備的GGH，已發(fā)展為協(xié)同煙氣凈化技術(shù)中的重要一環(huán)。

2 工程條件

2.1 工程概況

福能集團(tuán)晉南熱電廠工程為福建省2017—2019年重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。項(xiàng)目位于晉江市深滬灣東海垵工業(yè)區(qū)，新建3×300 t/h循環(huán)流化床鍋爐，配套新建2×30 MW抽汽背壓汽輪機(jī)組。以熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱的方式替代園區(qū)內(nèi)67臺(tái)企業(yè)自備燃煤工業(yè)蒸汽/導(dǎo)熱油鍋爐和17根煙囪，具有顯著環(huán)保和社會(huì)效益。

2.2 鍋爐參數(shù)

鍋爐為杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)制造的NG-300/13.7/540-M型單循環(huán)流化床、高溫超高壓自然循環(huán)鍋爐。BMCR工況主要參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要參數(shù)

2.3 煤質(zhì)條件

本工程設(shè)計(jì)煤種為神華煙煤，校核煤種為神華煙煤與天湖山無(wú)煙煤混煤。煤質(zhì)資料詳見表2。

表2 本工程煤質(zhì)資料

3 MGGH系統(tǒng)技術(shù)方案

本項(xiàng)目為小型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，能源綜合利用效率很高?？紤]到煙氣側(cè)的控制難度、熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)化、系統(tǒng)可靠性以及投資性價(jià)比等因素，選用簡(jiǎn)單MGGH系統(tǒng)，即熱媒水僅在煙氣冷卻器與煙氣加熱器之間循環(huán)流動(dòng)傳熱，而不參與機(jī)組熱力循環(huán)。

3.1 比選技術(shù)方案

MGGH系統(tǒng)的核心設(shè)備——煙氣冷卻器與煙氣加熱器，可在FGD前后分別獨(dú)立靈活布置。對(duì)于本工程，根據(jù)煙氣冷卻器與除塵器、引風(fēng)機(jī)相對(duì)位置的不同，有3種布置方案，如圖3所示。

3種工藝方案各有利弊，初步對(duì)比3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表3 3種煙氣冷卻器布置方案初步對(duì)比

3.2 對(duì)比分析

3.2.1 方案一

從本項(xiàng)目煤質(zhì)與飛灰成分分析，根據(jù)相關(guān)選型標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)煤種與校核煤種均滿足電除塵器除塵指標(biāo)，可以選用靜電除塵器或電袋除塵器。

方案一在工程實(shí)際中大多與低低溫靜電除塵器配套采用。實(shí)際上，換熱器(低低溫省煤器或MGGH或二者聯(lián)合)+低低溫除塵器的系統(tǒng)配置，也是目前燃煤電站“超凈排放”的典型方案之一[8]。低低溫除塵器的理論依據(jù)與SO3煙氣調(diào)質(zhì)(FGC)相類似。飛灰溫度在225℃以上時(shí)，體積導(dǎo)電占主導(dǎo)作用；而在143℃以下時(shí)，表面導(dǎo)電占主導(dǎo)作用。表面導(dǎo)電性主要取決于煙氣中SO3含量。溫度低于酸露點(diǎn)時(shí)，SO3冷凝成硫酸霧滴，吸附在飛灰顆粒表面，其表面電導(dǎo)率增大，容易被除塵器捕捉。

影響靜電除塵效率的最大的因素是飛灰比電阻。在1010～1011Ω·cm數(shù)量級(jí)時(shí)，為靜電除塵器最佳運(yùn)行范圍。從本項(xiàng)目飛灰數(shù)據(jù)分析，校核煤種飛灰的低溫特性適宜采用低低溫除塵器；對(duì)于設(shè)計(jì)煤種，雖然在低低溫下降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，但仍處于高比電阻區(qū)間，不利于靜電除塵。

從低低溫除塵器的協(xié)同脫硫效果分析。低低溫靜電除塵器脫硫的基本判據(jù)是灰硫比[9]，對(duì)中低硫分煤種，一般要求灰硫比大于100。本工程脫硝出口的SO3的轉(zhuǎn)化率按照2.5%(原始SO3轉(zhuǎn)化率取1.5%，脫硝SO3轉(zhuǎn)化率取1%)計(jì)算，除塵器進(jìn)口的灰硫比分別為179/297(設(shè)計(jì)/校核煤種)，滿足除塵器脫硫條件。

因此，本工程采用低低溫除塵器是基本合適的。設(shè)計(jì)煤種飛灰比電阻偏高的問(wèn)題，可進(jìn)一步采用高頻電源的手段加以彌補(bǔ)。本工程采用五電場(chǎng)低低溫靜電除塵器(一、二電場(chǎng)配高頻電源)+高效濕法脫硫配高效除霧器的聯(lián)合除塵工藝。除塵器除塵效率不低于99.925%，可滿足重點(diǎn)地區(qū)新建燃煤機(jī)組10 mg/m3的最新排放標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于受熱面易磨損的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)上應(yīng)采取加裝防磨瓦、分組分區(qū)布置受熱面等措施，運(yùn)行中也需及時(shí)吹灰、更換磨損管子等。因此MGGH制造、運(yùn)維費(fèi)用均高于方案二。另外，低低溫引風(fēng)機(jī)需采取防腐措施，如鎳基自熔合金噴涂葉片等。

3.2.2 方案二

方案二的最大優(yōu)勢(shì)在于煙氣冷卻器運(yùn)行條件好。受熱面處于除塵器后的低塵環(huán)境，換熱管束磨損強(qiáng)度大大降低，設(shè)計(jì)中無(wú)需考慮特殊防磨措施，節(jié)約了MGGH設(shè)備造價(jià)；同時(shí)，也能緩解受熱面積灰造成換熱系數(shù)下降的問(wèn)題，因此換熱器運(yùn)行可靠性很高，維護(hù)費(fèi)用低廉。

從對(duì)應(yīng)除塵器配置來(lái)看，方案二如果選用普通五電場(chǎng)靜電除塵器無(wú)法滿足所需除塵效率，而換熱器后置又不滿足采用低低溫靜電除塵器的先決條件，因此只能選用電袋除塵器。與靜電除塵器相比，電袋除塵器具有煤種適應(yīng)性強(qiáng)、除塵效率高、單位容量造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)與相關(guān)廠家溝通咨詢，本工程如選用電袋除塵器(二電場(chǎng)二袋區(qū)，相同保證效率)，較方案一節(jié)約造價(jià)約50萬(wàn)元。

但另一方面，電袋除塵器也存在運(yùn)行阻力大的顯著缺點(diǎn)。如選用電袋除塵器，煙風(fēng)系統(tǒng)阻力較方案一增加600 Pa左右；而且電袋除塵器存在濾袋成本高、壽命有限(一般不超過(guò)5年)、更換濾袋工作量較大等問(wèn)題，造成其維護(hù)費(fèi)用高于靜電除塵器。

從對(duì)引風(fēng)機(jī)影響方面，電袋除塵器增加的額外壓損導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)運(yùn)行壓頭、選型壓頭均高于方案一，而且同樣運(yùn)行于低低溫環(huán)境，必須考慮防腐手段。因此引風(fēng)機(jī)投資、運(yùn)行費(fèi)用均高于方案一。

3.2.3 方案三

與方案二相比，方案三中的煙氣冷卻器運(yùn)行條件得到進(jìn)一步優(yōu)化。不但含塵量低，而且可利用引風(fēng)機(jī)對(duì)煙氣的溫升效應(yīng)。經(jīng)計(jì)算，本工程引風(fēng)機(jī)后煙氣溫度增加約為11.8℃，冷卻器中煙氣側(cè)與水側(cè)換熱溫差增大，在保證同等換熱效果的前提下，可減少受熱面數(shù)量，設(shè)備設(shè)計(jì)、制造更加緊湊，初投資費(fèi)用降低。經(jīng)相關(guān)廠家估算，可較方案一節(jié)約投資45.5萬(wàn)元，較為顯著。

方案三中的引風(fēng)機(jī)運(yùn)行條件也最為優(yōu)越。其輸送介質(zhì)為高溫?zé)煔猓冀K運(yùn)行在酸露點(diǎn)以上，無(wú)低溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)需考慮葉片防腐等措施，制造成本、維護(hù)費(fèi)用均較低。但是，鑒于與方案二同樣的原因，方案三只能配套采用電袋除塵器，煙風(fēng)運(yùn)行阻力增加較多。而且引風(fēng)機(jī)實(shí)際煙氣量大，導(dǎo)致其運(yùn)行電耗較方案二進(jìn)一步增加。經(jīng)計(jì)算，方案三在BMCR工況下的運(yùn)行電耗分別較方案一、方案二增大了7.6%、16.9%。值得注意的是，方案三引風(fēng)機(jī)TB點(diǎn)的工況參數(shù)與方案二相同，其能耗高的劣勢(shì)并不體現(xiàn)在造價(jià)中，而得益于無(wú)需防腐方面的成本投入，引風(fēng)機(jī)投資甚至還略低于方案二。

3.2.4 綜合對(duì)比

3種方案的經(jīng)濟(jì)性比較見表4(年運(yùn)行小時(shí)數(shù)按5 000 h，度電成本按上網(wǎng)電價(jià)0.393 2元/kWh考慮)?？梢?，方案一的初投資最高，較方案二、方案三分別增加51萬(wàn)元、94.5萬(wàn)元，但后期運(yùn)行維護(hù)投入最低；方案三的情況正好與之相反，方案二則處于二者之間。

表4 三種方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

方案一得益于靜電除塵器運(yùn)維費(fèi)用低、引風(fēng)機(jī)節(jié)能方面的優(yōu)點(diǎn)，雖然初投資最高，但從投運(yùn)約3年起，其經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，而且隨著投運(yùn)時(shí)間的增加，其優(yōu)勢(shì)不斷擴(kuò)大。另外，方案一可利用低低溫除塵器協(xié)同脫硫，具有減少脫硫系統(tǒng)耗水的額外收益。方案三的優(yōu)勢(shì)在于初投資最低，但被引風(fēng)機(jī)耗電高的巨大劣勢(shì)完全抵消，故不推薦采用。綜合而言，方案一為本工程MGGH的系統(tǒng)最佳配置方案。

3.3 運(yùn)行效果

福鼎熱電廠已于2019年12月正式運(yùn)行。采用方案一配置的MGGH系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、效果良好，為打造“一流火電廠”、維護(hù)工業(yè)區(qū)良好形象起到關(guān)鍵作用。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)MGGH系統(tǒng)消除煙囪“白煙”、改善煙氣排放、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，是今后“超凈排放”電廠的重要方向。

(2)MGGH系統(tǒng)方案不可孤立分析，其最優(yōu)方案應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程條件與除塵器、引風(fēng)機(jī)的配置綜合分析確定。

(3)對(duì)于本項(xiàng)目，采用煙氣冷卻位于除塵器前的MGGH系統(tǒng)與低低溫靜電除塵器的布置方案有利于除塵器運(yùn)行、節(jié)約引風(fēng)機(jī)電耗、除塵器可協(xié)同脫硫，經(jīng)濟(jì)性也最優(yōu)。