蒸汽加熱法去除煙氣白霧技術

張 攀,范祥子

(煤科集團杭州環(huán)保研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引 言

隨著我國超凈排放政策的實施，在電站燃煤鍋爐尾部增加超低排放裝置已是大勢所趨，超低排放技術中以石灰石-石膏濕法脫硫(WFGD)為主。燃煤電廠排放煙氣在煙囪口排入大氣的過程中因溫度降低，煙氣中部分汽態(tài)水和污染物會發(fā)生凝結，在煙囪口形成霧狀水汽，霧狀水汽會因天空背景色和天空光照、觀察角度等原因發(fā)生顏色的細微變化，形成“白色煙羽”。可以認為，濕法脫硫系統(tǒng)“白霧現(xiàn)象”是煙氣脫硫后含濕量增加、露點溫度升高的結果[1]。

濕煙氣中帶有未脫除的污染物主要有:① 固體不溶物，如飛灰、石膏等，嚴重時產(chǎn)生石膏雨;② 可溶性鹽，主要包含Cl、Mg和硫酸鹽等;③ 超細氣溶膠物質(zhì)，如SO3，嚴重時形成藍色煙羽。雖然這些污染物可達到排放標準，但煙囪排放煙氣形成有色煙羽，不僅影響視覺效果，還會造成地面污染物濃度較高，加劇“煙囪雨”的形成和煙囪腐蝕[2]。

上海市《燃煤電廠大氣污染物排放標準》明確要求，燃煤發(fā)電鍋爐應采取煙溫控制及其他有效措施消除石膏雨、有色煙羽等現(xiàn)象。浙江省、天津市、邯鄲市也相繼提出了鍋爐要控制煙溫，或其他方法消除有色煙羽要求。除白霧的主要技術路線有煙氣加熱法、煙氣降溫冷凝法、煙氣冷凝再加熱法。1992年，國內(nèi)華能珞璜電廠一期首座濕法煙氣脫硫裝置MGGH開始投運。國內(nèi)陸續(xù)開始對煙氣加熱器進行研究。到目前為止，國內(nèi)燃煤電廠濕法煙氣脫硫裝置采用的煙氣加熱器型式主要有3種:回轉(zhuǎn)式煙氣加熱器、管式熱媒水強制循環(huán)式加熱器(MGGH)和管式蒸汽熱交換式加熱器。回轉(zhuǎn)式煙氣加熱器采用蓄熱傳熱部分旋轉(zhuǎn)分別進行高溫及低溫側(cè)排煙的熱回收再加熱，由于是回轉(zhuǎn)式，高溫和低溫部分都有漏風。GGH堵塞后會造成系統(tǒng)阻力增加，增壓風機喘振，爐膛負壓降低，影響鍋爐正常運行，只能停機進行沖洗除垢，同時GGH漏風會造成脫硫效率降低。目前回轉(zhuǎn)式GGH已逐漸被淘汰[3]。管式熱媒水強制循環(huán)式加熱器(MGGH)強制使管內(nèi)熱媒循環(huán)，在高溫及低溫側(cè)各自進行排煙的熱回收再加熱。該技術成熟，運行靈活，可根據(jù)不同氣溫靈活調(diào)整排煙溫度，合理、高效回收煙氣余熱，但需利用低低溫省煤器(若有)熱能，降低鍋爐熱效率。另外材質(zhì)需耐高溫、耐腐蝕，換熱效率低，換熱面積大，投資費用高[4]。

蒸汽換熱器國內(nèi)應用較少，目前重慶電廠采用了蒸汽加熱煙氣的裝置，蒸汽取自6段抽汽及輔汽聯(lián)箱(壓力0.26 MPa，溫度257 ℃/300 ℃)，加熱用汽量達35.3 t/h，每天用幾百噸蒸汽加熱煙氣[5]，蒸汽消耗量很大。

除使用加熱技術外，采用冷凝再加熱技術是在MGGH的基礎上，中間增加一級煙氣冷卻冷凝設備，通過冷卻煙氣溫度，回收一部分煙氣中過飽和水蒸汽冷凝析出的凝結水，減少煙氣向環(huán)境中排放的水量，再進行加熱升溫達到降白色煙羽的目的。該技術具有以下優(yōu)勢:① 節(jié)能效果:相比MGGH直接加熱技術將煙氣加熱到80 ℃，冷凝再熱技術處理后煙氣僅需60 ℃左右，即可達到同樣效果，節(jié)能顯著;② 百萬機組節(jié)水50～100 t/h，有效回收煙氣中水分，收集水回收利用，部分時段實現(xiàn)脫硫系統(tǒng)零水耗，有效節(jié)約水資源;③ 進一步降低煙氣中SO3、煙塵、可溶性鹽等污染物，實現(xiàn)多污染物聯(lián)合脫除。可過濾顆粒物脫除效率>50%，液滴脫除效率>70%，SO3脫除效率>75%。煙氣冷凝冷卻意味著部分過飽和水蒸汽析出變成冷凝水，水蒸汽冷凝釋放大量的汽化潛熱，該部分熱量遠大于該段溫降的煙氣釋放的顯熱，需要冷源將這2部分熱量帶走。一般需要江河水、海水、環(huán)境空氣作為冷源。此方法系統(tǒng)工藝較為復雜，應用在大機組成本較高[6]。

本文介紹了煙氣再熱法中蒸汽再加熱技術除白霧的技術特點，提出了提高換熱效果、減少蒸汽耗量的措施，為去除白色煙羽技術的研發(fā)提供參考。

1 蒸汽加熱技術

蒸汽加熱技術是一種間接加熱技術，使用飽和蒸汽在蒸汽-煙氣換熱器(steam-gas heater，SGH)內(nèi)與煙氣進行熱交換。可以用于冷凝再加熱技術的加熱段，或與MGGH串聯(lián)組合使用，也可單獨使用去除白霧。單獨使用時，將煙氣溫度升到85 ℃左右，遠高于煙氣的水露點溫度，從而使煙囪出口的煙氣遠離飽和態(tài)，基本看不到白霧現(xiàn)象。盡管對污染物濃度和排放量沒有影響，但是煙氣溫度升高可提高煙氣抬升高度和有效源高，一定程度上改善了煙氣擴散條件。蒸汽加熱技術的工藝流程如圖1所示。可知，煙氣在SGH加熱后排入煙囪，蒸汽在換熱后排入除氧器進行收集。DCS控制系統(tǒng)設置換熱后煙氣溫度(TIC103)的目標值(如80 ℃，夏天可調(diào)低)，通過PID調(diào)節(jié)，電動調(diào)節(jié)閥(LV)自動運行的開度變化引起流量(FIQRC)變化，跟蹤加熱后煙氣溫度，使該溫度趨近于目標值。

圖1 蒸汽加熱工藝流程Fig.1 Process of steam heating technology

蒸汽換熱器采用列管式結構，蒸汽走管程，煙氣走殼程，2個介質(zhì)分開流動，蒸汽與煙氣通過管壁進行傳熱。

2 蒸汽加熱器換熱材料的選擇

換熱器布置于脫硫出口煙道，長期在煙氣酸露點溫度以下運行，面臨低溫腐蝕問題，工作環(huán)境惡劣。目前已投運機組的脫硫出口煙氣換熱器一般采用ND鋼、316L等金屬管材制造，由于腐蝕引起的泄漏、集垢導致的換熱效率下降等問題較突出。

因此對于蒸汽-煙氣換熱器的設計、選材、等均有較高要求。考慮到煙氣腐蝕性以及經(jīng)濟性，與煙氣接觸側(cè)材質(zhì)可以采用聚四氟乙烯(氟管)、雙向不銹鋼等耐腐蝕材料。

氟管制造原料采用聚四氟乙烯(PTFE)。與金屬換熱器相比，氟塑料換熱器具有以下優(yōu)點:① 氟塑料換熱管的密度小，為2.15×103kg/m3，約為金屬換熱管的27%。因此，在相同換熱面積要求下，氟塑料換熱器的質(zhì)量小于金屬換熱器。② 耐腐蝕性強，適用于各種強酸、強堿類強腐蝕條件。但用其制作換熱器存在熱性能差;抗拉強度低，冷流現(xiàn)象嚴重，抗蠕變性能差;表面黏結性差，很難與其他材料黏結，無法采用熱塑性塑料的熱熔接方法;加工性能差[7];價格較高等問題。

金屬換熱器多采用2205雙相不銹鋼，2205雙相不銹鋼(00Cr22Ni5Mo3N)兼有兩相組織特征。2205雙相不銹鋼有較成熟的應用，如用于制作攪拌器、托盤、支撐梁、擋板門等。鮑聽[8]、田豐[9]研究表明，各種材料在吸收塔出口煙氣冷凝液中抗腐蝕能力的排序依次為:2205雙相不銹>316L不銹鋼>ND鋼。雙相不銹鋼合金在抗斑蝕及裂隙腐蝕方面的性能更優(yōu)，具有很高的抗腐蝕能力，與奧氏體相比，其熱膨脹系數(shù)更低，導熱性更高。雙相不銹鋼中鉻、鉬及氮的含量使其在氧化性及酸性的溶液中，對點腐蝕及隙腐蝕具有很強的抵抗能力，而且雙相不銹鋼的雙相微觀結構有助于提高不銹鋼的抗應力腐蝕龜裂能力[10]。換熱器換熱管選用SAF2205高頻焊管，外殼選用SAF2205合金板。

3 蒸汽加熱技術的工程應用

為去除煙囪白霧配套蒸汽加熱系統(tǒng)，按照滿負荷100%煙氣量設計。煙氣加熱器采用0.6 MPa(絕對壓力0.7 MPa)的飽和蒸汽(165 ℃)汽源將脫硫后的凈煙氣從50 ℃加熱至85 ℃后進入煙囪排放。加熱系統(tǒng)入口煙氣參數(shù)見表1。

表1 加熱系統(tǒng)入口煙氣參數(shù)Table 1 Inlet flue gas parameters of heating system

3.1 換熱管的設計

蒸汽-煙氣換熱器采用多管式結構，換熱管選用H型翅片管。H型翅片管在鍋爐及省煤器中應用廣泛。目前，世界上裝機容量超過70 000 MW的燃煤鍋爐中均安裝了H型翅片管省煤器，在MB、IHI、BHK等主要外國公司的鍋爐上也都采用此類型的省煤器;在大連、丹東、福州和岳陽等地的350 MW機組、常熟600 MW超臨界機組以及開封125 MW等機組上也均有運用實例[11]。本文首次將H型翅片管應用除白霧的蒸汽-煙氣換熱器中。

翅片管換熱器由于具有“高效、緊湊、在相同橫截面積下水力直徑小于圓管”的優(yōu)點，在工業(yè)領域具有廣泛的應用。管外翅片除了增大管內(nèi)蒸汽與管外煙氣進行熱交換的有效傳熱面積外，還對煙氣側(cè)流場、溫度場的時空分布產(chǎn)生重要影響[12]。換熱管外徑為43 mm，壁厚為3 mm，呈28組3管圈水平W型順排布置。換熱管間距為120 mm，翅片高度85 mm，長度85 mm，翅片間距為12 mm。換熱器迎風面寬3 600 mm，高2 010 mm，換熱器內(nèi)管排數(shù)為28×4排(垂直于煙氣方向×沿煙氣流動方向)，換熱管內(nèi)蒸汽與管外煙氣呈整體順流布置。蒸汽在換熱管管內(nèi)流動，待加熱煙氣從左向右包裹著翅片流動，蒸汽中的熱量先傳遞給翅片和換熱管管壁，最后傳遞給煙氣，提高了煙氣溫度。

H型翅片管應用于除白霧的蒸汽-煙氣換熱器中具有以下優(yōu)點:① 換熱管的傳熱系數(shù)高，相同換熱量所需換熱管數(shù)量少，翅片管使受熱面布置更為緊湊。② 對氣流有均流作用。縱橫交錯的格柵結構，使得氣流較均勻地通過蒸汽換熱器。③ 不易積灰，阻力小。H形翅片管由于翅片焊在管子不易積灰的兩側(cè)，而氣流筆直地流動，氣流方向不改變，翅片不易積灰[13]。同時由于翅片和氣流流動方向平行，灰粒不易在翅片上沉淀，避免了煙氣流動通道的阻塞，流動阻力小[14]。

3.2 換熱蒸汽的選取

蒸汽-煙氣換熱器采用蒸汽提供加熱煙氣的熱量，蒸汽進入換熱器后的換熱分為汽-氣換熱(利用顯熱)和水-氣換熱(利用潛熱)。因潛熱的數(shù)值大于顯熱，因而熱量來源取自蒸汽的潛熱。過熱蒸汽首先冷卻到飽和溫度，潛熱隨之釋放。相比蒸發(fā)潛熱，從過熱蒸汽冷卻到飽和溫度所釋放出的熱量很小，但卻需要很大的換熱面積。過熱蒸汽應用于傳熱時，過熱溫度降溫到飽和溫度前放出熱量很少，熱交換表面溫度梯度較大，蒸汽過熱時呈氣態(tài)、換熱效率低，需要更多的換熱面積。所以，過熱蒸汽沒有飽和蒸汽效率高[15]。本文將過熱蒸汽(絕對壓力0.7 MPa，溫度240 ℃)經(jīng)過減溫，得到飽和蒸汽(絕對壓力0.7 MPa，溫度165 ℃)用于換熱。

3.3 投運效果

自2017年12月投運以來，排煙溫度、蒸汽耗量、壓降等數(shù)據(jù)均達到了設計要求，煙囪出口基本看不到白霧現(xiàn)象,基本運行數(shù)據(jù)見表2。

表2 運行數(shù)據(jù)Table 2 Operating parameters of SGH

蒸汽耗量為3.5 t/h中低溫低壓飽和蒸汽，大大降低了運行成本。而對于2205高頻焊管應用在除白霧換熱器的耐腐蝕情況需時間進一步驗證。換熱器投運前、后煙囪白霧情況如圖2所示。

圖2 蒸汽換熱器投運前、后對比Fig.2 Comparison of before and after SGH used

3.4 蒸汽加熱技術對煙氣污染物的影響

使用蒸汽加熱技術，蒸汽與煙氣分開流動，蒸汽走管程，煙氣走殼程，密封良好無漏風。但蒸汽加熱技術單獨使用時并不會減少煙氣中污染物的濃度。當蒸汽加熱技術與前端冷凝法組合使用時，在去除白霧的同時，可有效協(xié)同脫除煙氣中的H2O、SO3、可溶性鹽及PM2.5等。冷凝法使飽和煙氣發(fā)生冷凝相變，使飽和濕煙氣在微細顆粒物表面凝結，同時在煙氣與換熱管冷表面產(chǎn)生熱泳和擴散泳力作用，促使細顆粒向溫度梯度相反的冷管壁面遷移運動，相互碰撞接觸，不斷長大，最后通過毛細管表面收集。該方法通過外部冷源控制過程相變度，有效促進微細顆粒物的凝聚及脫除[16]。

4 結 論

1)蒸汽加熱技術可以用于冷凝再加熱技術的加熱段，或者與MGGH串聯(lián)組合使用，也可以單獨使用去除白霧。當蒸汽加熱技術與前端冷凝法組合使用時，在去除白霧的同時，可有效協(xié)同脫除煙氣中的H2O、SO3、可溶性鹽及PM2.5等。

2)將鍋爐省煤器的H型翅片換熱管應用于脫硫煙氣再加熱除白霧，取得了很好的效果。H型翅片管具有傳熱系數(shù)高，換熱管數(shù)量少，流場性能好，不易堵灰，壓降小的優(yōu)點。

3)考慮到煙氣腐蝕性以及經(jīng)濟性，與煙氣接觸側(cè)材質(zhì)可以采用聚四氟乙烯、2205雙向不銹鋼等耐腐蝕材料。

4)通過將過熱蒸汽減溫后得到飽和蒸汽用于換熱，提高了換熱效率,有效減少了蒸汽的耗量。