超超臨界空冷機組煙氣提水工藝設計

摘" 要：該文主要介紹煙氣提水工藝設計的原理，從煙氣特性、污染物脫除、降溫冷卻裝置、冷源的選擇及循環系統等介紹煙氣提水的工藝設計，以某超超臨界空冷機組為例，介紹煙氣提水工藝設計的主要設計參數與相關運行情況，具有良好的經濟效果并能二次脫除煙氣中的污染物。

關鍵詞：煙氣提水；超低排放；工藝設計；超超臨界機組；超低排放

中圖分類號：TM621" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）19-0009-06

Abstract： This paper mainly introduces the principle of flue gas water extraction process design， including flue gas characteristics， pollutant removal， cooling and cooling devices， selection of cold sources， and circulation system. Taking an ultra supercritical air cooling unit as an example， the paper introduces the main design parameters of flue gas water extraction process design， and introduces relevant operating conditions， which has good economic effects and can secondary remove pollutants from flue gas.

Keywords： flue gas water extraction; ultra-low emission; process design; ultra-supercritical unit; ultra-low emission

化石能源是我國主要能源，以煤炭為原料的燃煤電廠仍占我國電力的大多數。燃煤燃燒后產生的煙氣經除塵、脫硝、脫硫后含有大量的水及低品位的熱量。從脫硫后的煙氣匯總回收水及熱量是一項重要的節水節能措施[1-3]。

目前，從煙氣中回收水的技術主要有冷凝法（換熱器間接冷凝法[4-6]、直接冷凝法）、膜法[7-9]、吸收法[10]等技術路線，膜法中的TMC[11-13]法能同時從煙氣中回收水及熱量，沒有規模化應用。目前已經廣泛應用的是冷凝法，換熱器間接冷凝法由于酸露點的影響[14-15]需選用耐蝕材質，受限于換熱的材質及傳熱效率，成本較高；直接冷凝法，已成功應用到京能五間房電廠等多個煙氣提水項目中[15]。

煙氣提水技術可以應用于水資源的回收（如節水、脫硫零補水、全廠零補水等），適用于水資源緊缺、水資源配額不足的地區，同時也適用于有節能降耗需求的地區；還可以應用于煙氣深度凈化（煙氣的超超低排放、可凝結性顆粒物的脫除），適用于對運行穩定性的保障性措施、對環保指標具有更高要求的機組；還可以用于有色煙羽/煙囪雨的治理，適用于區域性的環保要求，還可以滿足特殊高濕度煙氣排放。

煙氣提水技術還是一種優秀的熱回收技術，與供熱機組、天燃氣供熱鍋爐以及熱泵技術等聯合使用可以用于集中供暖/空調以及熱回收等，是一種優秀的節能減排的環保措施。

為推廣煙氣提水技術在我國電廠中的應用，本文將介紹煙氣提水技術的特點、設計思路及在超超臨界空冷機中煙氣提水的實際應用效果。

1" 工藝流程

直接冷凝法是采用噴淋塔、填料塔等塔類設備作為傳質傳熱設備，飽和煙氣與低溫循環水直接接觸，與循環水換熱降溫后凝結達到收水的目的，低溫循環水的冷源一般采用空冷，如果熱量需要利用，則可以采用溴化鋰熱泵等熱泵系統提取用于供暖供熱等用途，如圖1所示。

煙氣提水系統的工藝組成有煙氣系統、降溫冷卻裝置、冷卻循環系統、冷源系統、pH調節系統4個部分。煙氣系統的設計需要考慮煙氣的特性及煙氣中污染物的脫除情況，因煙氣提水系統有污染物二次脫除的特點，為控制冷卻循環系統的pH需加NaOH或者Na2CO3等堿調節，所以需要控制進入冷卻凝結塔中煙氣的SO2濃度，不宜過高，同時低SO2濃度能夠降低煙氣提水系統的運行成本。降溫冷卻裝置為煙氣提水系統的核心，需要考慮煙氣與循環水的氣液接觸方式、氣液分離方式、氣側流場分布、液側流量分布等特性，一般可采用空噴淋塔，為優化流場布置，底部可以加設湍流器、布氣板等裝置，頂部設置除霧裝置。冷卻循環系統主要考慮回收水的存儲以及加藥調節系統，調節pH，設置循環水箱、循環水泵。冷源系統考慮系統的運行溫度，考慮冷卻器的型式等，一般選擇間壁式空冷裝置。

2" 工藝設計

工藝設計從煙氣特性，污染物的脫除以及降溫冷卻裝置的設計，冷卻循環系統的設計以及冷源的選擇、回收水的存儲等方面綜合考慮，部分工藝參數還需要依據當地氣象條件確定。

2.1" 煙氣特性

目前燃煤電廠的污染物排放基本可以達到超低排放的要求，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度（基準含氧量6%）分別不超過5、35、50 mg/m3，煙氣從脫硫塔中排出后為水飽和煙氣，還有少量其他的污染物組分，常規煙氣的參數包括溫度、煙氣的流量、煙氣的壓力等，而煙氣中的水含量可以依據飽和蒸汽壓公式預測，飽和煙氣的水蒸氣分壓僅與溫度有關，水蒸氣在煙氣中的含量可以按Antonie公式計算，依據相關標準選擇合適的系數。

煙氣特性與可回收水量、回收水系統的經濟性以及回收水系統的配置等密切相關。

煙氣的流量，煙氣的溫度以及煙氣的壓力確定了煙氣中的水含量，煙氣溫度的高低與提水量決定了煙氣與冷循環水之間傳質傳熱的推動力，從而影響到設備的投資進而影響到煙氣提水的成本。而煙氣中的污染物組分，如SO2等，在冷卻凝結塔中由于污染物的二次脫除，需要加NaOH等堿進行調節，進一步影響到煙氣提水系統的經濟性。

2.2" 污染物的脫除

煙氣提水系統對污染物有明顯的二次脫除作用，實測數據表明，污染物脫除能力見表１。

隨系統周期正常運行，SO2、SO3等酸性污染物被脫除后會累積，脫水系統的pH會越來越低，對設備材質等要求較高，會增加系統的投入成本，因此需要加堿進行pH的調節。

2.3" 降溫冷卻裝置

降溫冷卻裝置一般有空塔、填料塔、內構件塔等多種型式。

幾種降溫冷卻裝置的比較見表2。

此外，還需要考慮煙氣提水系統的氣液兩相分離，包括煙氣入口側及煙氣出口側2個位置，重點是煙氣出口側的氣液兩相分離，需要在低阻力下控制液滴的夾帶量，采用屋脊式除霧器、折流板式除霧器、管束式除塵除霧裝置等均可以滿足要求。

氣側流場均布，與煙氣通過氣液分離器時工況流速和均勻性相關，可以通過調整氣液分離器的出口高度交錯降低工況流速。換熱過程劇烈，因此氣相溫度變化顯著發生在下部高溫段，換熱空間足夠時可發生出口水溫高于排出煙溫，常規氣液分離器的阻力約為150～200 Pa。

液體側流場均布，流量分布均勻性與噴淋覆蓋率、噴淋單位面積流量、噴淋液滴粒徑等相關。

噴淋層單層覆蓋率不小于150%，多層總覆蓋率不小于400%，采用湍流器時可降低至300%。

噴淋液滴的粒徑是煙氣提水系統的核心參數之一，液滴表面為煙氣與水傳質傳熱的界面，噴淋液滴粒徑建議1 500 μm，適用范圍大于等于1 200 μm。同時也不宜過細，防止過量細霧滴被煙氣攜帶而不能被除霧器捕獲。

2.4" 冷卻循環系統

冷卻循環系統主要包括：回收水及其儲存系統、循環水箱系統、循環泵、加藥系統4個部分。

回收水及其儲存系統主要與回收水的用途及緩沖存儲時間有關，依據具體的需求進行設計。

循環水箱的設計與運行安全性相關，一般為大型儲罐、高位水箱或者耐壓儲罐，設計時還需要考慮大流量沖擊，加藥混合緩沖時間，循環泵的安全緩沖時間，pH計安裝位置以及防腐材質的選擇等幾個方面。

加藥系統主要調節循環系統的pH，加藥量可以按照入口SO2的總量設計，并考慮一定的裕量，加藥方式有溶液（預留時間3～5 min）或者粉狀（預留時間15 min以上），加藥位置一般設置在流動循環液管道高溫出口側（無壓管道），而粉末加藥時還需設置防結露裝置，防止物料的板結等，加藥泵采用變頻離心泵，關聯pH控制離心泵的啟停及頻率，不宜采用柱塞泵等容積泵。

2.5" 冷源

冷源一般有空冷器、涼水塔、自然冷源及熱泵等幾種型式。

冷源的選擇受設計環境條件（氣象條件/其他資源）等的影響，一般選擇思路如下：空冷器適用于北方寒冷干燥缺水地區；涼水塔適用于我國大部分地區；自然冷源適用于水資源豐富地區（但因為熱污染問題，目前國內一般不批準）；熱泵適用于有熱源供應市場的項目。

冷源設計溫度的選擇是關鍵的參數，設計選取最不利條件下的空氣冷源溫度，依據DL5000—2000《火力發電廠設計技術規程》第14.2.6條款的規定，當采用循環供水系統時，冷卻水的最高計算溫度，宜按歷年最炎熱時期（以三個月計算）頻率為10%的晝夜平均氣象條件計算。

而依據GB 50102—2003《工業循環水冷卻設計規范》第2.1.11條款的規定，計算冷卻塔的最高冷卻水溫的氣象條件應符合下列規定，根據生產工藝的要求宜采用按濕球溫度頻率統計方法計算的頻率為5%～10%的日平均氣象條件，氣象資料應采用近期連續不少于5 a，每年最熱時期3個月（一般為6—8月）的日平均值。

依據當地氣象數據，五間房地區10%頻率的晝夜平均溫度為24.5 ℃，18.6%頻率的為20 ℃。

2.6" 系統的防凍

煙氣提水裝置應用的地區主要是我國北方富煤缺水地區，冬季溫度較低，當氣溫較低時（低于5 ℃）需要做好冬期防凍措施[16]。尤其是機力通風裝置的冬期防凍措施，設置合理的溫度控制邏輯，加強監控設施的設計。并做好循環水泵、堿液泵等泵類設備排凝防凍措施，堿液箱等在冬季停工時也容易結晶，可配置蒸汽加熱盤管。

3" 實際項目

煙氣提水技術已成功應用于京能五間房電廠等多個電廠中，其中五間房電廠還是我國國家優質工程金獎獲得者，創新地集成了零取水，電水聯產技術。

3.1" 京能五間房電廠簡介

京能五間房電廠一期2×660 MW機組工程位于內蒙古自治區錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗吉林高勒鎮境內，屬于大型坑口電廠。所在地屬于內蒙高原的內陸型草原，區域內地表水系不發育，屬于典型的富煤缺水/生態環境脆弱地區。

京能（錫林郭勒）發電有限公司一期工新建程2×660 MW機組工程于2015年9月18日開工建設，項目1#機組于2018年10月20日12：36通過168 h試運轉入商業運營，2#機組于2019年01月24日12：18通過168 h試運轉入商業運營。

3.2" 基礎設計參數

煙氣參數見表3。

設計要求在20 ℃的大氣環境下，煙氣收水量90 t/h，設計參數見表4。

3.3" 工藝流程

京能五間房電廠煙氣提水的基本工藝流程如圖2所示。

3.4" 重要設計參數

設計的核心在換熱區的設計，包括噴淋層數的選擇、噴嘴型式的確定、噴嘴粒徑的選擇以及噴淋換熱區高度的確定，核心參數的確定依據數值模型以及中試實驗的實驗數據確定，重要設計參數見表5。

循環水流量為7 000 m3/h，循環泵選擇3臺，2用1備，每臺泵的流量為3 850 m3/h 。

循環水箱設置在高位，規格Φ10 m×30 m，體積V=2 000 m3。

pH調節藥劑碳酸鈉在低溫時溶解度低，采用Na2CO3作為pH調節系統存在結晶阻塞風險，在循環水罐的頂部粉狀直接加藥，但仍有結晶的風險，后期改為NaOH為pH調節系統的藥劑。測量pH的位置設置在循環水箱至空冷島外排管路上。

為防止煙氣脫硫系統出口SO2濃度排放超標，pH調節系統的設計留有足夠的裕度。

4 運行情況

自2018年10月京能五間房電廠項目調試開始，至機組完成168 h滿負荷試運并轉入試生產后，脫硫系統和煙氣提水系統同步試驗。在機組486 MW、負荷率74%工況下，冷凝塔入口煙氣溫度56.84 ℃，冷凝循環水供水溫度42.3 ℃，煙氣降低4.8 ℃時，冷凝塔回收水量126 t/h（峰值147 t/h），系統參數穩定，達到預期提水效果。

經中試和試生產應用，提水能力達到了90 t/h目標，優良值達147 t/h，年均提水量達100～110萬t，也就是每年少用自然水資源量達100～110萬t。機組取水量指標0.07 m3/（MW·h），耗水指標為0.025 2 m3/s·GW，較行業優值降低52%。（常規2×660 MW等級燃煤火力發電廠年耗水量達181.5萬t等級，平均機組取水量指標為0.25 m3/（MW·h），耗水指標0.09 m3/s·GW）。

生產實踐證明，煙氣提水系統的節水效果顯著，大幅降低了機組發電耗用水資源量。

煙氣提水系統同時具備額外的環保處理能力。在市場煤含硫量大幅波動情況下，保證了脫硫提水塔出口排放指標達標。

4.1" 污染物脫除

如前所述，煙氣提水裝置對SO2、SO3、顆粒物、HCl和HF等均有一定的脫除效果，我們對相關實測數據整理成表，首先介紹煙氣提水裝置對SO2的脫除情況，鍋爐負荷100%及50%負荷煙氣提水裝置的啟停對SO2排放的影響，見表6、7。

從表6、7中可以看出，煙氣提水裝置的開啟能夠脫除大約70%～80%的SO2，可以起到對SO2的二次脫除作用。

煙氣提水裝置對顆粒物的脫除情況參見表8，從表中可以看出，煙氣提水裝置對顆粒物的脫除效率在33%～35%。

同時，我們還測定了煙氣提水裝置對SO3等可凝結顆粒物的脫除情況，參見表9，對SO3等可凝結顆粒物也有一定的脫除效果。

煙氣提水裝置對SO2、SO3及其他酸性氣體以及顆粒物均有一定的脫除作用，是污染物達標或者超凈排放的有力保障。同時，煙氣提水后溫度降低，還具有一定的煙氣消白及消除有色煙羽的作用。

4.2" 水質情況

煙氣經脫硫裝置得到凈化，從4.1中我們可以看出，煙氣提水裝置對污染的二次脫除作用，為控制煙氣提水系統的pH，需加堿調節，回收水的水質較好，可溶鹽類以硫酸鹽為主，回收水的部分水質指標見表10。

煙氣回收水可以直接用于煙氣脫硫裝置的補水，還可以用于電廠化水反滲透裝置的進水，經進一步處理用于電廠補水。

4.3" 脫水運行成本

京能五間房煙氣提水裝置的投資為6 056萬元，按年運行5 500 h設計，設計壽命20 a，單位回收水投資成本6.12元/t。

試驗期間100%、50%負荷工況下，單位回收水量在81.42～121.24 t/h，回收噸水耗電費用在2.74～4.08元/t。

按碳酸鈉市場價格2 000元/t計，每噸水藥劑費用約為1.56元。回收每噸水運行成本約為4.30～5.64元。藥劑成本占直接運行成本的28%～35%。煙氣提水固定投資成本見表11。

按照設計回收水量90 t/h計算，每年可獲利650萬元，滿負荷實際回收水量核算，每年獲得的利潤更高，可達1 100萬元/a，具有良好的經濟效益和社會效益，特別適合我國北方富煤缺水地區。

5" 結論

煙氣直接冷卻提水的基本原理是利用冷循環水噴淋為細小液滴直接對脫硫塔出口的飽和煙氣進行降溫冷凝從而回收水，工藝簡便，傳熱效率高，設計的核心就在于冷卻降溫裝置，保證煙氣與冷循環水換熱效果的同時，適當選擇較高的塔內流速，合適的換熱空間，必要時選擇加裝湍流器等流場均布裝置。

煙氣提水裝置可以解決缺水地區的水資源問題，可以減少生產單位水耗，實現脫硫系統的零補水甚至可以實現全廠零補水。具有良好的經濟社會效益。

煙氣提水裝置能進一步降低污染物排放濃度和排放總量，消除有色煙羽，擺脫煙囪雨的困擾，該系統還可以用于電廠煙氣CO2捕集的前處理工藝，經煙氣提水后的煙氣可進一步接近吸收塔CO2煙氣捕集的氣體質量要求。

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第一作者簡介：王永亮（1965-），男，碩士，高級工程師，副總經理。研究方向為電力能源規劃設計及建設運營。

*通信作者：秦省軍（1978-），男，碩士，高級工程師。研究方向為大氣污染物治理、煙氣節能及提水。