燃煤電廠煙氣冷凝除塵試驗研究

蔣海濤， 林 科， 李 剛， 張 星， 季元良， 張玉斌

(山東博然電力科技有限公司， 山東煙臺 264006)

化石燃料燃燒提供能量的同時產生的煙氣也帶來了嚴重的大氣污染問題。火力發電廠產生的大氣污染物主要是二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、二口惡英、可吸入顆粒物、細顆粒物、重金屬等，其帶來的主要問題包括導致全球變暖、形成酸雨、破壞大氣環境等。近幾年，我國許多地區出現霧霾天氣，并且有加重趨勢，其主要原因就是空氣中漂浮著大量的細顆粒物[1-3]，而火力發電廠是主要源頭之一。

國內火力發電廠大都配備了濕法煙氣脫硫(WFGD)系統，經WFGD系統后的煙氣中可吸入顆粒物大大減少，但其對細顆粒物的脫除卻很有限，而且還增加了煙氣中的石膏顆粒和石灰石顆粒[4]，煙氣中細顆粒物的質量分數不到 10%，但細顆粒物的數量卻占總顆粒物數量的98%以上。WFGD 系統可脫除煙氣中的部分顆粒物[5]，但難以有效脫除亞微米級顆粒物。因此，筆者采用冷凝除塵技術，對細顆粒物的脫除情況進行了試驗研究和分析。

國內外學者已對應用蒸汽相變原理促使細顆粒物凝并長大進行了廣泛研究。 楊林軍等[6]研究得出利用蒸汽在微粒表面凝結是促使細顆粒物增大的最有效措施之一。BOLOGA A等[7]先使亞微米級微粒在飽和蒸汽中凝結長大，然后用靜電除塵器對平均直徑為66 nm、質量濃度為35～55 g/m3的顆粒(由木材燃燒產生)進行脫除，脫除效率可達90%～95%。

筆者以某300 MW燃煤機組WFGD系統脫硫塔出口的凈煙氣為處理對象，采用耐腐蝕性能優異的塑料型換熱管束對煙氣進行冷卻，測試相變冷凝除塵技術的效果，同時測試換熱管束的傳熱及阻力特性。

1 冷凝除塵技術原理

脫硫塔出口的煙氣處于濕飽和狀態，且夾雜大量液滴，冷凝除塵即通過對濕飽和狀態的煙氣進行冷卻，煙氣中蒸汽發生冷凝相變，蒸汽以細顆粒物為凝結核發生相變，使顆粒物粒度增大、質量增加，同時產生擴散泳和熱泳的作用，促使細顆粒物遷移運動，相互碰撞接觸，從而使細顆粒物凝并長大，長大后的顆粒物通過機械碰撞等作用被脫除。

2 試驗系統

試驗系統流程見圖1，系統主要包含塑料型換熱器、煙氣風機、蓄水池、供水箱、冷卻塔、水泵、煙氣擋板等。塑料型換熱器采用細光管管束形式，規格參數見表1，管束為順排布置，管外通煙氣，管內通冷卻水。通過煙氣風機抽取脫硫塔出口濕飽和煙氣，經過塑料型換熱器換熱后再回到脫硫主煙道。換熱器管內通入循環冷卻水，并通過冷卻塔對循環水進行冷卻降溫。煙氣在塑料型換熱器中的冷凝水通過蓄水池收集。

圖1 試驗系統流程圖

表1 塑料型換熱器規格參數

采用自動煙塵采樣儀對換熱器進出口煙氣粉塵進行等速取樣，用天平稱量后計算煙氣中粉塵含量。水側流量采用超聲波流量計測量。試驗過程中對電廠燃用煤質進行取樣分析。

3 結果分析

3.1 換熱管束的傳熱特性

煙氣的冷凝相變程度與換熱管束的傳熱特性有著密切關系，由于煙氣處于濕飽和狀態，換熱管束的傳熱為相變傳熱，其傳熱效果要優于無相變傳熱的情況，表2為換熱管束傳熱性能參數表(煙氣流速為換熱管束間最小截面流速)。

表2 換熱管束傳熱特性

從表2中可以看出：換熱管束傳熱系數在350 W/(m2·K)以上，主要原因是換熱管為光管形式且管徑小，同時由于煙氣中的蒸汽在管外發生凝結，極大地提高了傳熱效率。傳熱系數隨煙氣流速的增大變化不大，說明管外冷凝相變傳熱為影響傳熱效率的主要因素，煙氣流速降低時，煙氣停留時間增長，冷凝作用增強，傳熱可能會高于流速高的情況。

3.2 換熱管束的阻力特性

圖2為不同煙氣流速下換熱管束煙氣側的阻力變化。從圖2可以看出：隨著煙氣流速的增加，阻力呈明顯上升趨勢，主要是由于煙氣流動處于湍流區，阻力隨煙氣流速的增加會有明顯增大。

圖2 煙氣阻力隨煙氣流速的變化

3.3 換熱管束的除塵效果

濕飽和煙氣流經換熱管束時，蒸汽以細顆粒物為凝結核發生相變凝結，使顆粒物粒度增大、質量增加、慣性增大，然后通過與換熱管束潤濕的表面發生機械撞擊而被捕獲，捕獲的顆粒物隨管束表面往下流動的液膜流動而被收集。表3換熱管束進出口粉塵質量濃度及除塵效率。

從表3中可以看出：平均除塵效率可達到58.6%，出口粉塵質量濃度在4.5 mg/m3左右，不同煙氣體積流量下，除塵效率變化不大。3個工況煙氣溫降均在2 K左右，由于煙氣處于濕飽和狀態，煙氣中蒸汽冷凝釋放的熱量為相變放熱，熱量很大，小幅度溫降即可釋放大量的熱量。

對于燃煤電站，煙氣冷凝除塵換熱管束最佳安裝位置位于濕法脫硫塔出口煙道內，煙氣溫度為50 ℃左右，對于采用濕式冷卻塔的電廠，凝汽器出口凝結水溫度一般小于40 ℃，換熱管內循環冷卻水吸收的熱量可用于加熱該凝結水，降低發電煤耗；可采用蒸汽驅動的吸收式熱泵，脫硫塔出口煙氣作為低溫熱源，產生的熱量可用于供暖或加熱凝結水。此外，換熱管外冷卻收集的水可用于補充脫硫塔，降低脫硫水耗。據測算，300 MW機組脫硫塔出口煙溫降低1 K時，冷凝水質量流量約增加6 t/h。因此，回收煙氣中的水對于缺水地區具有重要意義。

4 結語

(1) 濕飽和煙氣的冷凝相變可極大地提高傳熱效率，試驗采用的換熱管束的傳熱系數在350 W/(m2·K)以上，且煙氣流速對傳熱系數的影響不大。

(2) 換熱管束煙氣側阻力隨煙氣流速的增加會明顯增加，主要是由于煙氣流動處于湍流區。

(3) 煙氣經過換熱管束，蒸汽以細顆粒物為凝結核發生相變凝結，使顆粒物粒度增大、慣性增大，通過與換熱管束潤濕的表面發生機械撞擊而被捕獲。試驗表明：換熱管束的平均除塵效率可達到58.6%，出口粉塵質量濃度在4.5 mg/m3左右，不同煙氣體積流量下，除塵效率變化不大。

(4) 煙氣冷凝除塵技術在除塵的同時能夠回收煙氣中的熱量和水分，該技術同時達到了除塵、節能、節水的效果。