煙氣相變凝聚綜合處理裝置在熱電廠的應用

毛雙華，林國輝，王浩添

（浙江巨化熱電有限公司，浙江 衢州 324000）

0 引言

現階段，燃煤發電廠全面實施超低排放和節能改造，以大幅降低發電煤耗和污染排放，使電力行業向清潔化、高效化發展。國內常規的高效除塵設備對粒徑為0.1～2.5 μm的細顆粒不能有效捕集，當顆粒物直徑小于2.5 μm時，除塵效率明顯下降，極端情況下甚至低于40%，而現階段工業煙塵排放主要成分為超細粉塵。

浙江巨化熱電有限公司（以下簡稱“巨化熱電廠”）8號機組原設有電袋除塵裝置，粉塵排放質量濃度（以下簡稱“濃度”）為13 mg/m3（標準狀態，下同），不能滿足5 mg/m3的超低排放標準要求，需要進行煙氣除塵技術改造。通過對相變凝聚技術的深入研究，并結合熱電企業的實際情況，安裝了煙氣相變凝聚綜合處理裝置以降低粉塵排放，并利用熱電聯產企業補水量大的特點進行低溫潛熱回收利用，同時該技術還可以達到收水節能的效果。

1 煙氣相變凝聚綜合利用技術

相變凝聚技術是在機組脫硫塔出口煙道布置相變凝聚器，利用煙氣換熱、顆粒物相變凝聚等方式，脫除煙氣中的粉塵顆粒。根據熱電聯產企業補水量較大的特點，配合現有除鹽水綜合利用系統，用常溫除鹽水作為相變凝聚器的冷卻介質，進行熱量回收，換熱后的除鹽水進入低低溫省煤器作為鍋爐補水，最終進入鍋爐給水系統。

相變凝聚裝置內部布置有數量眾多的毛細冷凝管，冷凝管采用巨化集團生產的PTFE（聚四氟乙烯）制成，可在脫硫塔后的低溫腐蝕環境中長期運行。

1.1 相變凝聚基本原理

相變凝聚脫除細顆粒的原理是：飽和煙氣中水蒸氣在細顆粒表面相變、凝聚、長大，并同時產生熱泳和擴散泳作用，促使細顆粒在溫度梯度的作用下向冷的管壁移動，附著在管壁表面的液膜上，最后在重力作用下，隨著流動的液膜被收集。在顆粒物脫除過程中，通過控制裝置內部冷凝管壁面的溫度來控制飽和濕煙氣的相變程度，結合濕式相變冷凝、凝聚、慣性等多重除塵機制，實現“收水+除塵+余熱回收”功能[1]。

1.2 材料特點

相變凝聚裝置主要包括低溫煙氣換熱器和除霧器，安裝于脫硫塔出口水平煙道。煙氣介質的主要條件是：溫度不高于60℃，過飽和濕煙氣，煙氣流速3～5 m/s，具有酸腐蝕性（pH值為1～3）和氯腐蝕性。低溫腐蝕往往是低溫換熱器面臨的最大問題，傳統換熱器采用ND鋼作為換熱管管材，然而ND鋼不能徹底解決低溫腐蝕的問題。本項目采用PTFE作為煙氣換熱器管材，PTFE的物理、化學性能極其穩定，基本不溶于任何酸堿以及溶劑，具有優異的耐腐蝕性能，對煙氣成分、換熱器管壁溫度以及煙氣酸露點沒有特殊要求[2]。同時，PTFE管材表面光滑，不積灰，不結垢，易清理[3]。

因PTFE導熱系數較金屬低，為增大換熱效果，煙氣換熱器以小直徑PTFE軟管作為換熱元件。PTFE換熱管具有極強的耐腐蝕性，可有效防止低溫酸腐蝕，最大限度地利用煙氣余熱，而且使用周期長，維修成本低[4]。

2 改造方案

研究表明，煙氣中的顆粒物經常規除塵器和濕法脫硫后，粒徑分布峰值在2.5 μm附近，顆粒物以微細顆粒為主，且濃度很高，更易富集有害物質。本次改造是基于相變凝聚綜合處理技術，其中的相變凝聚除塵器能有效脫除煙氣中的細顆粒，并實現有毒重金屬（如汞、砷等）的脫除，同時起到回收汽化潛熱和收水的效果。

2.1 改造背景

巨化熱電廠8號鍋爐為杭州鍋爐廠生產的NG-280/9.8-M型鍋爐，2001年3月正式移交生產，主要設計參數見表1。8號機組目前設有電袋除塵裝置，粉塵排放濃度為13 mg/m3，不能滿足5 mg/m3的超低排放粉塵標準要求，需要進行煙氣除塵技術改造。

2.2 工藝流程

表1 8號鍋爐主要設計參數

本次改造是在8號鍋爐（280 t/h）爐后脫硫塔出口煙道布置PTFE相變凝聚除塵設備，降低鍋爐脫硫塔后排煙溫度，使飽和煙氣冷凝，顆粒物在多重機制作用下脫除。該裝置通過煙氣換熱加熱常溫除鹽水，一路送至除氧器并入機爐給水系統，一路進入6號、7號機組的低低溫省煤器再加熱，最終進入全廠鍋爐給水系統。煙氣經脫硫塔脫硫后變成飽和濕煙氣進入相變凝聚器冷凝后，冷凝水進入脫硫塔塔外漿池匯流管再利用，煙氣則通過除霧器由煙囪排出。相變凝聚系統工藝流程如圖1所示。

圖1 相變凝聚系統工藝流程

2.3 布置方案

相變凝聚器布置在脫硫塔出口的水平煙道上，為保證煙氣流速均勻并滿足工藝要求，在進口和出口位置設置煙道擴口，將除霧器布置在換熱管后面。進口煙道擴口中布置導流板，使進入相變凝聚器的流場分布均勻，提高除塵、換熱效率。相變凝聚器下部設置高效收水裝置，收集起來的水通過下部的收水斗送入脫硫塔塔外漿池。圖2所示為脫硫塔后的現場煙道布置，脫硫塔出口的直煙道段為前期改造預留位置，正好用于安裝相變凝聚裝置。圖3為安裝現場。

2.4 技術參數

相變凝聚技術中液滴長大是一個復雜的傳熱傳質過程，影響液滴長大的主要因素是停留時間、過飽和度、溫度、顆粒所處的位置、氣流的速度、顆粒的物化特性、初始粒度分布以及相變室的壁面特性[5]。

圖2 脫硫塔后煙道布置

圖3 相變凝聚裝置安裝現場

8號機組相變凝聚裝置按鍋爐額定負荷工況（280 t/h）設計，具體技術參數見表2。

表2 8號機組相變凝聚裝置技術參數

由表2可以看出，飽和煙氣經相變凝聚處理后溫度下降3℃，除鹽水量150 t/h，水溫升高約20℃，回收熱量約2.4 MW。相變凝聚器采用PTFE軟管作為換熱管材，由于其表面分子對其他分子吸引力小，因而摩擦系數非常小，對流體產生的流動摩擦阻力也較小[6]。該裝置煙氣側阻力約為300 Pa，大大低于金屬換熱器，降低了電耗成本。

2.5 工藝特點

此次改造結合熱電企業實際情況，用除鹽水作為換熱介質。該廠現有5臺熱電聯產機組，設有4臺低低溫余熱回收裝置，利用煙氣余熱加熱除鹽水作為鍋爐補水，提高了全廠熱效率[7]。本次改造將相變凝聚裝置并入全廠除鹽水系統，常溫除鹽水經脫硫塔出口煙氣加熱后，去往6號、7號低低溫省煤器作為鍋爐補水進行二次加熱，最終進入鍋爐給水系統。本技術多層次利用煙氣潛熱，提高了能源利用率。

3 結果分析

3.1 除塵效果

飽和煙氣通過相變凝聚裝置冷凝后，細顆粒、SO3以及重金屬在熱泳力等作用下到達換熱管，隨著冷凝水一起沿管壁流下，從而達到對微細粉塵的脫除效果[8]。

通過對煙氣顆粒物進行采樣檢測，本文選擇2個工況進行實例分析：鍋爐負荷分別為260 t/h和200 t/h，雙磨運行，除鹽水流量控制在130 t/h，除鹽水進口溫度為20℃，測得數據見表3。

表3 粉塵檢測數據

由表3可以發現，2個工況下粉塵脫除效率都處于較高水平，煙氣粉塵濃度均在3 mg/m3以下，滿足超低排放標準要求。同時，對煙氣中SO3含量進行檢測，發現相變凝聚裝置可以進一步脫除SO3，脫除效率分別為19.29%和18.87%。

3.2 收水

飽和煙氣進入相變凝聚裝置后，通過除鹽水冷凝、換熱，降溫3～5℃，冷凝水析出，流量約3～5 t/h。冷凝水中攜帶粉塵顆粒以及其他重金屬（汞和砷），pH值為1～3，呈酸性。為了研究相變凝聚裝置的除塵效果，對煙氣冷凝水進行取樣，樣品無色無味，無肉眼可見物，樣品pH值為2.92，所含成分具體數據見表4。

由表4可以看出，本裝置在節水的同時，可以脫除多種元素，包括有毒重金屬汞和砷等，進一步提高環保效率。相變凝聚裝置所收集到的冷凝水通過脫硫地坑重新回到脫硫系統作為系統補水，這也是對水資源的再利用。

表4 冷凝水成分檢測數據

在機組負荷270 t/h、環境溫度37℃、除鹽水初始溫度24℃、進口煙氣溫度54.5℃的工況下，通過控制除鹽水進口調節閥，調節進水量，煙氣冷凝水流量隨除鹽水進口流量大小而變化，具體變化曲線見圖4。

圖4 除鹽水流量對冷凝水量以及出口煙氣溫度的影響

從圖4曲線可以看出，隨著除鹽水流量的增加，冷凝水量的增長速率逐漸降低?？梢酝普摚寒敵}水流量達到某個值時，冷凝水量趨于平穩。除鹽水流量為160 t/h時，冷凝水流量為4.3 t/h。同樣，隨著除鹽水流量的增加，相變凝聚裝置出口煙氣溫度降低，趨勢漸緩，煙氣整體降溫幅度不大，進口煙氣溫度在54.5℃左右，飽和煙溫降低 2～3℃。

3.3 余熱回收

相變凝聚裝置的主要機制在于冷卻水使煙氣冷凝，從而獲得一系列綜合利用效果。因為冷卻水溫度低、流量大，發電企業很難有效利用或處理這部分水源。而熱電企業補水量大，可利用除鹽水作為冷卻介質，有效回收煙氣余熱。

該廠在煙氣余熱利用方面已進行過多次技術改造，全廠設有4臺PTFE低低溫省煤器，利用煙氣余熱加熱除鹽水作為鍋爐補水。此次改造將相變凝聚裝置加熱后的除鹽水作為6號、7號機組低低溫省煤器的進口水源，提升了余熱換熱器效率以及機組熱效率，提高了能源利用率。

在上述相同工況下，調節除鹽水流量，測得多組相變凝聚器除鹽水出口溫度，如圖5所示。

圖5 除鹽水流量對出口水溫的影響

當進入相變凝聚裝置的除鹽水流量由100 t/h增大至150 t/h時，水溫上升至43.3～46.2℃。隨著鹽水流量的增加，除鹽水溫升為19.3～22.2℃，水溫差值在3℃左右，通過計算可知，回收熱量為 2.5～3.5 MW。

4 效益分析

4.1 環保效益

相變凝聚裝置在8號機組經過安裝、調試后，已正常運行。該項目不僅符合超低排放標準要求，還達到了收水、余熱回收等效果，是一種綜合性的高效、多功能煙氣處理方法，所達到的效果有如下幾點：

（1）安裝相變凝聚裝置后，粉塵排放濃度降到5 mg/m3以下，符合國家超低排放標準要求，并能有效脫除煙氣中的細顆粒及有毒重金屬（汞和砷等）。

（2）通過相變凝聚裝置對飽和煙氣進行冷凝收水，回收利用到脫硫系統中，減少了資源浪費。

（3）通過相變凝聚裝置，利用煙氣汽化潛熱加熱除鹽水，加熱后的除鹽水作為低低溫省煤器的進水，最終進入全廠鍋爐給水系統，大大提高了全廠熱效率。

4.2 經濟效益

水從蒸汽發生相變成為液體時，會釋放出大量的熱，被稱為汽化潛熱。本項目實施后，可以有效回收煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，同時煙氣經過相變凝聚器時會有煙氣冷凝水，設備設有收水裝置，可將冷凝水回收。按一年運行7 000 h計算，預期收益見表5。

表5 項目收益

（1）直接效益：150 t/h除鹽水溫度升高30℃，年回收熱量為60 480 GJ，節約標煤2 064 t，以標煤價500元/t計，年創經濟效益約103.2萬元。

（2）間接效益：減少脫硫用水，年節約工業用水 17 220 t。

（3）增加的電耗：經計算，煙氣阻力增加300 Pa，引風機功率需增加85 kW，用電597 MWh，折算成標煤約191 t；水泵用電約增加年消耗標煤67 t。

直接經濟效益加上間接經濟效益，扣除增加的消耗，每年可產生經濟效益110萬元。

綜上所述，相變凝聚裝置可以使熱電廠的能源利用率得到提高，節能效果較好，投資回收期不超過5年。

5 技術探討

相變凝聚裝置在8號機組運行投產以來，存在以下問題需進一步研究處理：

（1）本次改造時，電袋除塵器布袋全部更換，除塵效果較好，出口粉塵含量較低，隨著電袋除塵器使用周期變長，電袋除塵效率降低，需進一步觀察相變凝聚裝置的使用情況。

（2）不同季節除鹽水溫度有差異，為保證裝置平穩運行，將適時調整系統進水流量，并觀察其對相變凝聚效率是否有影響。

6 結語

（1）將相變凝聚裝置應用在熱電廠余熱系統中，不但解決了粉塵超低排放的問題，同時達到了煙氣收水、余熱回收、重金屬污染物的脫除等多重效果，既實現了環保提升，又達到了節能減排、余熱利用等效果。

（2）巨化熱電廠使用相變凝聚裝置，全年收益110萬元，預計5年內收回節能改造投資。

（3）采用PTFE作為換熱管材，利用其耐腐蝕、效率高等特點，降低了維護成本，提高了機組安全性及經濟性。

（4）巨化熱電廠8號機組相變凝聚裝置的投用，不僅打開了熱電聯產企業節能環保一體化改造的新道路，同時也打破了傳統的設計思路，為今后的節能環保工作提供了新方向。