文_謝慶亮

福建龍凈環(huán)保股份有限公司

目前我國(guó)燃煤電廠90%以上機(jī)組的脫硫設(shè)施采用濕法脫硫工藝，濕法脫硫后的濕煙氣在煙囪口排入大氣的過(guò)程中受冷空氣作用形成霧狀水汽和明顯的白色煙羽。如何有效減少濕法脫硫后煙氣水蒸汽排放，是燃煤電廠節(jié)水降耗的重點(diǎn)研究方向之一。

由于濕法脫硫后煙氣中水分及潛熱的耦合效應(yīng)，采用煙氣冷凝除濕技術(shù)可回收煙氣中的水分及協(xié)同脫除煙氣中的污染物，降低電廠水耗及污染物排放量，從而緩解煙囪腐蝕及白色煙羽現(xiàn)象。

本文將圍繞間接冷凝技術(shù)，對(duì)燃煤機(jī)組濕煙氣開(kāi)展水回收應(yīng)用研究。

1 項(xiàng)目概況

華北某1000MW 燃煤機(jī)組，鍋爐型式為超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、半露天布置、全鋼構(gòu)架、單爐膛雙切圓燃燒方式，Π 型布置。循環(huán)冷卻水采用自然通風(fēng)冷卻塔冷卻，冷卻水水質(zhì)為海水。

鍋爐尾部煙氣處理中除塵系統(tǒng)采用低低溫靜電除塵器，脫硫系統(tǒng)采用濕法脫硫，濕法脫硫塔出口煙溫在52℃左右，煙囪出口外排大量水蒸氣，造成水資源浪費(fèi)的同時(shí)在煙囪口形成“白色煙羽”。

2 煙氣冷凝相變收水的理論分析

2.1 濕煙氣熱力狀態(tài)分析

煙囪排放的濕煙氣中所攜帶水分主要來(lái)源于兩個(gè)方面，一是鍋爐中煤燃燒形成的水分，與煤種密切相關(guān)；二是濕法脫硫系統(tǒng)，煙氣與石膏漿液在接觸過(guò)程中，由于煙氣溫度較高，使得漿液中的水蒸發(fā)帶入煙氣中，煙氣含濕量增加，煙氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)由6%～8%升至11%～13%，出口煙氣中每千克干煙氣含濕量可達(dá)到80 ～100g。

對(duì)于1 臺(tái)1000MW 燃煤機(jī)組，脫硫后煙氣攜帶水分可達(dá)到300t/h 以上。煙氣中含有SO3/H2SO4等可凝結(jié)顆粒物，以及離子態(tài)硫酸鹽、亞硫酸鹽、氯鹽等可溶解性固形物，再加上煙氣中水分的存在，使得煙氣具有一定的腐蝕性。因此，若將煙氣中的水分進(jìn)行回收，能夠產(chǎn)生良好的環(huán)境效益。

2.2 濕煙氣冷凝回收水量分析

針對(duì)飽和濕煙氣，煙氣的含濕量?jī)H取決于煙氣溫度，系統(tǒng)進(jìn)出口煙氣溫差的大小直接影響到冷凝水的回收效果。由于脫硫后的濕飽和煙氣，冷凝前后的干煙氣量基本不變，因此可以將干煙氣量作為煙氣水回收率、冷凝水回收率的計(jì)算基準(zhǔn)。

根據(jù)Antoine 方程飽和水蒸氣分壓力為：

式中Pw—水蒸氣分壓，MPa；T—熱力學(xué)溫度，K；T在290 ～500K 時(shí)該式適用。

飽和煙氣的含濕量可通過(guò)將伯努利方程和道爾頓分壓定律聯(lián)立得：

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

煙氣含水量：

式中qm,H2O—煙氣的含水質(zhì)量流量，kg/h；qm,gy—干煙氣的質(zhì)量流量，kg/h。

煙氣水回收率：

式中qm,t—系統(tǒng)實(shí)際回收的冷凝水質(zhì)量流量，kg/h；qm,H2O,in—系統(tǒng)入口處煙氣的含水質(zhì)量流量，kg/h。

2.3 濕煙氣冷凝回收水技術(shù)

煙氣冷凝技術(shù)主要有直接接觸式冷凝相變技術(shù)和間接換熱式冷凝相變技術(shù)兩種工藝路線。直接接觸式是通過(guò)大流量低溫循環(huán)水對(duì)濕煙氣持續(xù)噴淋，低溫循環(huán)水與凈煙氣直接接觸實(shí)現(xiàn)煙氣降溫冷凝除濕，換熱效率高，阻力小，系統(tǒng)維護(hù)工作量也較小。但回收的冷凝水與冷媒水無(wú)法區(qū)分，需要對(duì)循環(huán)水進(jìn)行連續(xù)的加藥處理，同時(shí)對(duì)管路及再冷卻系統(tǒng)的材質(zhì)要求也相對(duì)較高。

間接換熱式則是通過(guò)大流量低溫循環(huán)水流經(jīng)耐腐蝕材質(zhì)的換熱管對(duì)濕煙氣進(jìn)行降溫。煙氣與冷卻水間接接觸換熱，水蒸汽在換熱管表面冷凝，實(shí)現(xiàn)了煙氣降溫冷凝除濕。該系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，只需要對(duì)收集的冷凝水進(jìn)行單獨(dú)處理。管材可以選用鈦管、氟塑料、超級(jí)雙相不銹鋼等。

3 煙氣冷凝收水方案

3.1 工藝方案

本項(xiàng)目采用煙氣間接冷凝技術(shù)對(duì)濕法脫硫后的煙氣進(jìn)行冷凝收水，在脫硫吸收塔和煙囪之間的水平煙道上布置冷凝器，冷凝器采用間接接觸式換熱結(jié)構(gòu)，采用海水作為冷卻水源，將濕法脫硫后煙氣溫度從52℃降低至45℃（夏季）/43℃（冬季），冷凝器后設(shè)置有除霧器，盡可能地收集煙氣冷凝出來(lái)的液滴。經(jīng)理論計(jì)算，夏季和冬季分別可回收冷凝水114t/h和140t/h。

本工藝采用間接接觸式換熱形式，一方面海水與煙氣無(wú)接觸，對(duì)海水無(wú)污染；另一方面被加熱后的海水溫度較低，也不存在熱污染問(wèn)題。

具體核算如下：夏季工況時(shí)，加熱后的海水溫度為35℃；冬季工況時(shí)，為避免-1.2℃的海水直接進(jìn)入冷凝器中造成換熱管凍裂等，采用熱水再循環(huán)工藝，將30℃的冷凝器出口水（5000t/h）引出一部分（2600t/h）為再循環(huán)水，與溫度較低的海水（2400t/h）摻混至15℃作為冷凝器進(jìn)口水。

另外，冷凝器冷凝回收的冷凝水經(jīng)處理后可用于脫硫工藝補(bǔ)水，可以有效節(jié)約脫硫補(bǔ)水。煙氣冷凝收水工藝如圖1所示。

圖1 煙氣冷凝收水工藝圖

3.2 煙氣冷凝器材質(zhì)選擇

由于海水的強(qiáng)腐蝕性（海水中影響金屬腐蝕速度的因素主要有海水溫度、溶解氧含量、鹽度、pH 值、生物活性等），間接冷凝器的換熱管要兼顧換熱性能和使用壽命，故選取合適的換熱管材質(zhì)變得極為關(guān)鍵。

鈦是一種耐腐蝕的金屬，鈦在酸性、堿性、中性鹽水溶液和氧化性介質(zhì)之中具有較好的穩(wěn)定性，其在25℃的海水中穩(wěn)定電位偏向正值，約為+0.09V。鈦表面在煙氣中會(huì)發(fā)生鈍化，生成一種致密、附著力極強(qiáng)、惰性大的氧化膜，從而將煙氣中或者附著在鈦管表面的腐蝕物質(zhì)與鈦隔離，保護(hù)鈦基不被腐蝕。即使鈦的氧化膜在發(fā)生機(jī)械磨損情況下，也會(huì)很快自愈或重生。此外，鈦材還具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、機(jī)械性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)中廣泛應(yīng)用的TA2材質(zhì)，其耐蝕性能優(yōu)異、綜合力學(xué)性能適中，經(jīng)綜合比較，本項(xiàng)目的煙氣冷凝器換熱管采用TA2材質(zhì)。

3.3 冷凝回收水處理及利用

一般來(lái)說(shuō)，濕法脫硫系統(tǒng)中對(duì)水質(zhì)要求最高的是設(shè)備冷卻水和機(jī)封水，其次是真空泵密封水，再次是除霧器沖洗水與濾餅沖洗水（一般要求較低的氯離子濃度），濾布沖洗水與管道沖洗水對(duì)水質(zhì)要求也相對(duì)較低，要求最低的則是石灰石制漿用水。對(duì)于實(shí)現(xiàn)超低排放的燃煤機(jī)組，其脫硫后濕煙氣冷凝水呈酸性，溶解固體濃度一般為100 ～200mg/L。經(jīng)綜合比較，煙氣冷凝回收的水可以直接作為機(jī)組制漿用水和吸收塔補(bǔ)水；在經(jīng)過(guò)加藥中和以后，也可以作為煙道除霧器沖洗水、管道沖洗水、濾布以及濾餅沖洗水。參考機(jī)組冷卻循環(huán)水水質(zhì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，冷凝水除了pH 值為酸性外，其他項(xiàng)均能滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于循環(huán)水質(zhì)的要求，因此煙氣冷凝水經(jīng)過(guò)處理后還可以作為循環(huán)冷卻水補(bǔ)水使用。

對(duì)于本項(xiàng)目濕法脫硫后煙氣的回收水，設(shè)置有一套冷凝水收集及處理系統(tǒng)。煙氣中的水冷凝回收后進(jìn)入冷凝水集水箱，通過(guò)加藥系統(tǒng)將冷凝水中和處理達(dá)到循環(huán)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后，由冷凝水泵將冷凝水集水箱中的水輸送至脫硫工藝補(bǔ)水系統(tǒng)，可大大節(jié)約電廠脫硫工藝水補(bǔ)水量，降低機(jī)組的運(yùn)行水耗。

4 冷凝收水效果分析

本項(xiàng)目實(shí)施后，為了獲取冷凝器的實(shí)際降溫效果，測(cè)量了煙氣進(jìn)出口溫度，將進(jìn)口測(cè)試位置布置在冷凝器前的水平煙道上，在煙道頂部布置6 個(gè)測(cè)孔，每個(gè)測(cè)孔布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)；出口同進(jìn)口一樣取點(diǎn)測(cè)量。如圖2 所示為不同測(cè)孔上6 個(gè)測(cè)點(diǎn)平均溫度曲線圖。

圖2 脫硫前后煙氣參數(shù)的變化

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量：機(jī)組負(fù)荷約1000MW，冷凝器進(jìn)口平均溫度為53.43℃，出口平均溫度為44.87℃，冷凝回收水量約128t/h。從表1 中可以看出水質(zhì)總體呈酸性，水中的陰離子主要為 SO42-和Cl-，其中SO42-濃度較高，達(dá)到1.76×103mg/L，氨氮濃度達(dá)到670mg/L。煙氣冷凝水總體呈強(qiáng)酸性主要是HCl和SO3等酸性物質(zhì)的溶入，水中氨氮溶度較高說(shuō)明溶解的NH3和NH4+較多。因此，從回收水的水質(zhì)分析得出，濕煙氣冷凝技術(shù)對(duì)煙氣中的多種污染物有協(xié)同脫除作用，如SO3、Hg、As 以及逃逸NH3等。

冷凝水經(jīng)處理后主要用于機(jī)組脫硫系統(tǒng)工藝用水，實(shí)現(xiàn)了淡化海水補(bǔ)水零消耗。對(duì)于部分超過(guò)脫硫系統(tǒng)所需的多余冷凝水，日常通過(guò)排至爐后工業(yè)水管道用于煤水處理間用水和廠區(qū)雜用水，以保持脫硫系統(tǒng)水平衡。

表1 冷凝水水質(zhì)測(cè)試表

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在1000MW 燃煤機(jī)組上實(shí)施濕煙氣間接冷凝水回收技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)淡化海水補(bǔ)水零消耗，對(duì)于節(jié)水起到了良好的效果。同時(shí)，冷凝收水后煙氣中的含水量大大降低，有助于減小煙囪腐蝕及白色煙羽現(xiàn)象，回收水質(zhì)分析也表明了間接冷凝技術(shù)能夠協(xié)同脫除濕煙氣中的多種污染物，因此該項(xiàng)目具有較好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

間接冷凝技術(shù)在1000MW 燃煤機(jī)組的濕煙氣水回收的成功應(yīng)用對(duì)于燃煤電廠節(jié)水及污染物協(xié)同治理具有示范效應(yīng)，為缺水地區(qū)濕煙氣水回收及污染物協(xié)同治理提供有益借鑒。