燃煤電廠濕煙羽消除設計方案對比分析

王爭榮，耿宣，汪洋，夏懷鵬，付麗輝，沈明忠，沈建永，王凱亮

(中國華電科工集團有限公司，北京 100160)

0 引言

濕法脫硫技術成熟、效率高、安全可靠，是大型燃煤電廠主要的脫硫技術。煙氣與脫硫漿液在脫硫塔中逆向運動進行傳熱傳質，脫硫漿液中的水分吸收了煙氣的熱量變?yōu)檎羝M入煙氣，煙氣露點溫度和絕對含濕量被逐漸升高。脫硫塔煙氣出口往往為飽和凈煙氣，出口凈煙氣溫度較低導致煙氣爬升能力降低，在煙囪附近遇冷產(chǎn)生白煙現(xiàn)象。經(jīng)過超低排放改造之后，該“白煙”主要為煙氣冷凝析出的水霧滴。凝結水滴與煙氣未脫除的SO2形成亞硫酸液滴，進一步氧化之后變?yōu)楦g能力更強的硫酸液，造成電廠附近酸雨現(xiàn)象[1-3]。

為了減少硫酸液滴對煙道和煙囪的腐蝕，一般采用將凈煙氣升溫至不飽和煙氣，避免煙氣產(chǎn)生液滴。若直接將凈煙氣加熱至不飽和溫度，能耗成本較高，因此，美國的濕法脫硫采用濕煙囪，在煙囪內(nèi)壁敷設高溫熔化耐腐蝕磚[4]；德國采用雙塔合一方案[5-6]， 1982年Volklingen電廠“煙塔合一”建成運行，隨著該技術逐步成熟，歐洲其他國家也采用了該技術；日本采用三菱再循環(huán)非泄漏型燃氣加熱器(MGGH)技術，通過在空冷器與電除塵器之間布置的熱降溫換熱器和在脫硫塔與煙囪之間的再熱器之間的循環(huán)熱媒水進行換熱，使凈煙氣溫度從50 ℃升至100～130 ℃[1,7]。我國排放標準并未對煙囪排放溫度做相應規(guī)定，只有部分發(fā)達地區(qū)對濕煙羽排放有環(huán)保要求：在《上海市2015年—2017年環(huán)境保護和“建設三年行動計劃” 》中，要求漕涇電廠對包括#1機組的12臺現(xiàn)役燃煤機組進行升級改造，并同步解決“石膏雨”問題；2016年1月，上海市地方頒布新的污染物排放標準——《燃煤電廠大氣污染物排放標準》；浙江省環(huán)境保護廳也頒布了關于征求地方環(huán)境保護的標準——《燃煤電廠大氣污染物排放標準(征求意見稿)》。

根據(jù)我國實際需求，提出了一種脫硫塔出口煙氣降溫、冷凝、再熱的技術路線[8-10]。該技術路線主要針對濕煙羽形成的兩個主要可控因素(絕對含濕量和煙氣溫度)進行調整，從而消除濕煙羽。經(jīng)換熱冷凝后的凈煙氣絕對含濕量顯著降低，可減少北方電廠的工藝補水[11]。冷凝提水后的凈煙氣加熱至不飽和所需要的熱量明顯降低，凈煙氣再熱熱量可通過MGGH的降溫換熱器提供。

目前雖有文獻對濕煙羽消除路線進行過原理分析，但缺少對煙氣降溫、煙氣冷凝、煙氣再熱及配套換熱設備的綜合性研究討論及不同方案實際應用案例的計算和經(jīng)濟對比。本文通過分析濕煙羽生成和消除原理，針對電廠具體項目進行了若干組方案的計算和對比分析，討論了環(huán)境狀態(tài)對濕煙羽消除效果的影響，并對不同材質和形式的換熱器的應用進行分析，得到最為經(jīng)濟的換熱器組合方式和種類。

1 濕煙羽生成和消除機理

1.1 濕煙羽生成機理

氣體的露點溫度主要取決于氣體的絕對含濕量，含濕量越高露點溫度越高。脫硫塔出口凈煙氣溫度一般為50 ℃左右。煙囪煙氣體積相對于環(huán)境大氣體積來說很小，煙氣會迅速降溫至環(huán)境溫度，當凈煙氣露點溫度大于環(huán)境溫度，遇冷降溫，便會凝結出水分，形成濕煙羽[12]。對于南方地區(qū)，一般當環(huán)境濕度較大或冬季溫度較低時濕煙羽現(xiàn)象較重；對于北方地區(qū)，由于冬季時間更長、環(huán)境溫度更低，形成濕煙羽的情況會更加嚴重。具體形成過程如圖1所示。

圖1 濕煙羽生成機理

煙氣飽和曲線顯示含濕量隨溫度升高而增大。降溫線a和降溫線b分別為相同環(huán)境狀態(tài)下，環(huán)境狀態(tài)點與不同煙氣狀態(tài)點的連線。由圖1可知，煙氣沿降溫線b降溫時，與煙氣飽和曲線將交于兩點，當?shù)?次與飽和曲線相交于A點，溫度繼續(xù)降低時，煙氣產(chǎn)生凝結水。當溫度曲線與降溫線b相交于第2點B時，又進入非飽和區(qū)域，不再產(chǎn)生白煙。而當降溫線變?yōu)榻禍鼐€a時，降溫曲線與煙氣飽和曲線只有一個交點C，該點也是煙氣降溫過程中是否產(chǎn)生濕煙羽的臨界點。我們可以稱環(huán)境點與該交點連線為臨界線，當降溫線斜率繼續(xù)增大時，將與飽和曲線無交點，此時煙氣降溫過程中不會產(chǎn)生濕煙羽現(xiàn)象。

1.2 濕煙羽消除機理分析

濕煙羽治理技術路線主要有以下4種[12]：煙氣間壁式加熱，將凈煙氣溫度加熱至臨界線，如圖2中a線所示[5,13]；煙氣降溫[14]，利用冷卻循環(huán)水或噴淋冷卻液降低脫硫塔煙氣出口溫度，降溫曲線與飽和線重合，沿著飽和曲線將煙氣降至目標溫度，該路線一定程度上可以削弱濕煙羽，但無法完全消除，如圖2中b線所示；煙氣降溫再升溫[12]，煙溫先降至目標冷凝溫度，再通過升溫換熱器升至臨界線，如圖2中c線所示；混熱風[15-16]，利用電廠的熱二次風或燃燒氣與凈煙氣的混合風，將煙氣的溫度和干度同時提升，混合線如圖中d線所示。

圖2 濕煙羽消除機理

2 技術路線對比

2.1 煙氣加熱

煙氣單純加熱是直接將凈煙氣溫度提升至臨界線，增加煙氣抬升高度，降低煙囪附近污染物沉降濃度。加熱介質可以是原煙氣、循環(huán)熱媒水或蒸汽等[4]。該方法能夠在一定條件下消除濕煙羽，但隨著外界環(huán)境溫度的降低或濕度的提高，徹底消除濕煙羽的所需要消耗的額外熱量也將越來越大，經(jīng)濟性隨之變差。該方法目前的主要業(yè)績見表1。

表1 煙氣加熱技術主要業(yè)績

2.2 煙氣降溫

煙氣降溫包括直接換熱降溫和間接換熱降溫。直接換熱降溫為通過噴淋冷卻介質與煙氣混合降低煙溫；間接降溫是冷媒通過間壁式換熱器或回轉式換熱器與煙氣進行換熱，降低煙溫使凈煙氣絕對含水量減少。煙氣降溫技術只有在高溫低濕度的條件下才能削弱而非完全消除濕煙羽，該技術的主要應用業(yè)績見表2。

表2 煙氣降溫技術

2.3 熱風混合

熱風混合加熱利用的是空預器熱二次風、原煙氣或燃氣燃燒后產(chǎn)生的熱煙氣與凈煙氣的混合。混風加熱曲線斜率與混合熱氣的溫度和濕度相關，熱風溫度越高，干度越大，熱風用量越小。

利用空預器熱二次風作為熱風對機組的二次風余量有要求，若機組的熱二次風余量不足，將涉及空預器、熱風道改造：由于脫硫塔至煙囪的煙道距離短，熱風和煙氣的混合管道長度一般不夠，可能導致改造機組的熱煙氣和凈煙氣不能充分混合，需要增設混風器；同時，由于二次風溫度為300 ℃左右，而目前電廠煙道防腐層主要采用的玻璃鱗片樹脂所承受溫度一般小于180 ℃，因此采用該技術應對煙道防腐層進行改造，防腐層改用賓高得耐酸磚、鈦合金或鎳基合金鋼板貼襯；另外，二次風量增大，還將引起風機功率的增加[4,17]。

燃氣直接加熱，需要增設新的燃燒系統(tǒng)，會增加能耗和設備投資，現(xiàn)基本僅應用于燃油機組[5,7]。

熱風混合技術的業(yè)績見表3。

表3 熱風混合技術主要業(yè)績

2.4 煙氣降溫再熱

煙氣降溫再熱技術的組合方式靈活，降溫段和升溫段均可以選用直接換熱或間接換熱，主要應用業(yè)績見表4。

表4 煙氣降溫再熱技術

直接換熱雖換熱效率高，但由于噴淋冷卻水與煙氣中粉塵、酸和鹽等直接接觸導致產(chǎn)生更多廢水，對于缺水地區(qū)不推薦使用，對于水資源充足的地區(qū)同樣會增加了廢水處理成本，因此限制了該技術的應用范圍[11]。間接換熱效率雖然低于直接換熱，但冷卻水可以循環(huán)使用，尤其適用于嚴重缺水地區(qū)；對于沿海、沿河地區(qū)，可以使用海水或河水作為冷卻水，從而節(jié)約設備投資。煙氣再熱段可使用間壁式換熱器、熱二次風或兩者一起使用。

2.5 方案效果對比

煙氣單純加熱方案可有效提高煙氣爬升高度，但不能減少煙氣中絕對含濕量及污染物濃度。煙氣的溫度隨著煙氣爬升高度的增加而降溫，依然會產(chǎn)生濕煙羽，并且能耗的經(jīng)濟代價大；煙氣單純降溫法可降低煙氣露點溫度和絕對含濕量，但同時降低了煙氣的爬升高度，受溫度和循環(huán)水量的限制，降溫溫度不會低于環(huán)境溫度，不能完全消除濕煙羽；熱風混合方案對于熱二次風量余量或其他燃料有要求，熱二次風的使用會增加機組煤耗，導致排放超標，混風過程對煙道防腐和混合氣有更高要求[18]；煙氣降溫再熱方案，煙氣絕對含濕量和露點溫度可有效降低，一方面可以達到節(jié)水目的，另一方面再熱所需熱量顯著減少，所需熱量可由低溫煙氣余熱提供，升溫后的煙氣爬升高度得到保障，可滿足節(jié)能環(huán)保要求。在可行的技術經(jīng)濟條件下，煙氣降溫再熱技術路線適用環(huán)境范圍最廣，煙氣再熱次之，煙氣冷凝最小。

技術路線的選擇應結合地區(qū)政策、電廠煙氣溫度、地理環(huán)境、冷熱源等條件綜合分析，在滿足環(huán)保要求的情況下選擇投資最少的方案。

3 換熱方案的選擇

3.1 MGGH方案

某電廠1 000 MW超超臨界機組煙氣加熱原設計方案為MGGH，用Aspen plus 軟件對該電廠煙氣系統(tǒng)進行模擬計算。循環(huán)熱媒水通過低溫省煤器換熱被加熱至124.86 ℃，其中一部分用于加熱凈煙氣，冷卻后的循環(huán)水返回至省煤器，凈煙氣被加熱至80 ℃,所需熱量為39.08 MW，剩余循環(huán)熱媒水用于加熱電廠循環(huán)凝結水，模擬結果與電廠實際情況參數(shù)一致。為了降低單純依靠MGGH加熱消除濕煙羽的能耗，本次在原系統(tǒng)的模擬基礎上對系統(tǒng)進行節(jié)能改造，改造方案為在脫硫塔出口煙道上增設煙氣冷凝換熱器。

3.2 煙氣飽和曲線計算

消除濕煙羽計算首先需可靠的煙氣飽和曲線。煙氣組成及煙道壓力影響著煙氣飽和曲線的形狀，本文利用成熟商業(yè)軟件Aspen plus，設定煙氣組成、溫度及壓力，模擬計算煙氣飽和曲線，并與已驗證的Excel計算程序得到的飽和曲線一致。通過Origin軟件對所得數(shù)據(jù)進行精確的曲線擬合，得到指數(shù)形式的關聯(lián)方程

y=a+b×xc，

(1)

式中：x為煙氣含濕量，g/kg；y為煙氣飽和溫度，℃；a，b，c分別為擬合方程常數(shù)。

3.3 設計環(huán)境點的選取

設計中所采用的環(huán)境溫度和濕度決定著一年中多少天能夠消除濕煙羽，環(huán)境溫度越低濕度越大，消除濕煙羽所需代價越大，尤其是當環(huán)境溫度在0 ℃以下時，要完全消除煙羽的難度明顯加大。本文分別以環(huán)境為5，0 ℃時為例，115 ℃原煙氣被降至90 ℃用于加熱脫硫塔后凈煙氣，選用間壁式降溫 +間壁式加熱、間壁式降溫+熱二次風加熱、間壁式降溫+間壁式加熱+熱二次風加熱3種方案對該電廠進行計算。方案中所用循環(huán)水入口溫度為10 ℃，出口溫度為25 ℃，熱二次風溫度為300 ℃。對于混熱風進行編程和迭代計算，可以快速準確得到混熱風的混合點。不同方案中，當凈煙氣再熱所需熱量少于降溫換熱器供給熱量時，多余的熱量用于加熱凝結水，若凈煙氣再熱所需熱量大于降溫換熱器供給熱量時，不足部分用熱二次風進行補充。3種工藝計算在兩種環(huán)境溫度下的技術參數(shù)見表5、表6。

表5 環(huán)境溫度為5 ℃時3種凈煙氣溫度技術參數(shù)

表6 環(huán)境溫度為0 ℃時不同凈煙氣溫度技術參數(shù)

由表5、表6可知，隨著環(huán)境溫度的降低，排煙溫度需升至更高，消耗熱風增多：環(huán)境溫度為5 ℃，脫硫塔出口溫度為50 ℃時，僅依靠降溫段所需熱量已不能滿足再熱所需熱量；而環(huán)境溫度為0 ℃時，脫硫塔出口溫度為45 ℃和50 ℃時，僅依靠降溫段所需熱量依然不能滿足再熱所需熱量。

根據(jù)該電廠的現(xiàn)場條件，電廠可提供的循環(huán)水量為6 000 t/h，可知凈煙氣最多只能冷凝至45 ℃，所能提供熱二次風量為4 000 000 m3/h，綜合考慮只能選擇間接換熱器加熱后再混合熱二次風方案，該方案所需循環(huán)冷卻水量為5 561 t/h，煙氣凝結水量為120 t/h，煙溫升至95.38 ℃，所需熱二次風量為134 400 m3/h。

當環(huán)境溫度為-5 ℃時，經(jīng)計算所需熱二次風量為436 800 m3/h，超過廠里所能提供的熱二次風余量，故濕煙羽不能完全消除。這是由于環(huán)境溫度越低，臨界線斜率快速增加，需要的熱二次風量也就急速變大。

3.4 降溫幅度和換熱器選擇

分別計算了凈煙氣冷凝溫降為3，5，7 ℃時采用凈煙氣冷卻提水+間壁式換熱加熱，所需冷卻水量、煙氣析出凝結水量和換熱量，降溫后需再熱至臨界溫度，計算結果見表7。

表7 不同降溫幅度的物料和熱平衡

由表7可知隨著煙氣降溫幅度越大，所需循環(huán)水逐漸增大。凈煙氣再熱段需加熱至臨界溫度分別為67，60，54 ℃。

由于改造方案需冷卻循環(huán)水，須增設循環(huán)水泵。循環(huán)水泵增加了系統(tǒng)功耗，同時由于降溫之后部分凝結水析出，導致煙氣升溫所需熱量減少，最終系統(tǒng)能耗減少，見表8。

表8 系統(tǒng)減少熱耗和增加功耗

4 換熱器材料的選擇

由于凈煙氣中含有大量硫、氯離子等[14]，且為低溫飽和狀態(tài)，在煙道中遇冷析出酸霧，對換熱器和煙道產(chǎn)生低溫腐蝕。因此，對降溫換熱器和升溫換熱器的材質要求比較高，目前降溫換熱器采用氟塑料或耐腐蝕能力強的超級鋼2057(國標00Cr25Ni7Mo4N)。與降溫換熱器相比，升溫換熱器除了可以選擇氟塑料或2057材質之外，還可以利用三段金屬組合(濕煙氣段換熱管采用316L、干濕煙氣交叉處熱管采用304、干煙氣段熱管采用ND鋼)材質的換熱器。目前用得較多的換熱器為氟塑料換熱器、寬通道式換熱器、金屬光管換熱器。由于不同材料的價格差異，導致不同材質換熱器的造價不同。根據(jù)每種換熱器換熱特性進行計算，結合價格因素，初步對每種方案的回收期進行了綜合對比，見表9。

表9 不同方案和換熱設備投資回收期 年

由表9可知，隨著煙氣降溫幅度增大，整體投資回收期縮短，這是由于降溫設備費用小于降溫之后升溫所節(jié)約能耗的費用，導致溫度下降幅度大，整體回收期反而變短。降溫換熱器和再熱換熱器均采用氟塑料換熱器時靜態(tài)回收期最長，降溫段采用氟塑料換熱器再熱段采用三段金屬材質組合的換熱器和板式換熱器時的回收期基本一致，兩段2057材質的寬通道板式換熱器回收期最短。

5 結論

本文對濕法脫硫消煙羽治理方法進行分析對比，在可行的技術經(jīng)濟條件下，煙氣降溫再熱技術路線適用環(huán)境范圍最廣。利用商業(yè)軟件Aspen plus計算煙氣飽和曲線，可以獲得更加準確的煙氣飽和曲線，為消煙羽臨界線的計算提供準確基礎數(shù)據(jù)。利用3種方案對某電廠進行計算，考察了環(huán)境狀態(tài)對濕煙羽消除的影響，煙氣降溫越幅度大、環(huán)境溫度越低，所需循環(huán)冷卻水和再熱熱耗越多。對比了不同材質和形式的換熱器換熱效果和回收周期，降溫換熱器和再熱換熱器均采用材質為2057寬通道板式換熱器時，靜態(tài)回收期最短，綜合考慮初步投資和回收期，得到凈煙氣溫降范圍為應在5～7 ℃。