湿烟气余热及水分回收！你电厂是怎么做的？-北极星火力发电网

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摘要：为了降低燃煤电厂脱硫后烟气中的含湿量,有效回收烟气中的水分及余热,同时解决因饱和湿烟气中水蒸气凝结引起的烟囱腐蚀、“烟囱雨”及“白烟”等问题,分析了湿烟气的热力特点及能量分布的形式,介绍并对比了冷凝法、溶液吸收法及膜法3种较为可行的湿烟气除湿工艺,论述了其技术特点、研究现状、不足及研究方向。研究表明,脱硫后湿烟气中每千克干烟气含湿量约80g,70%余热以水蒸气潜热的形式存在,冷凝法现阶段相对较为成熟,但吸收法除湿潜力更高、膜法系统简单稳定可靠,具有非常好的应用前景,是烟气除湿工艺研究的趋势;低品位余热的经济利用途径将是燃煤电厂烟气除湿技术的一个重要研究方向。

引言：燃煤发电是我国主要发电形式,截至2015年,燃煤发电装机容量占我国发电装机总容量的59%,燃煤电厂发电量占全国总发电量的67．9%,燃煤发电消耗标准煤11．5亿t,约占全国煤炭消费总量42%。作为耗水耗能大户,巨大的水资源、能源消耗使得燃煤电站成为节能减排的重点。我国2005—2020年电力发展规划中明确提出了发电节水的问题,必须着力发展适用于水资源短缺地5012017年第5期洁净煤技术第23卷区的节水型烟气污染控制技术;此外,工业用水成本逐步升高,2012年,国家修订了取水定额标准,将火力发电取水定额在2002年的基础上下调了30%以上;2015年4月,我国出台了《水污染防治行动计划》(简称“水十条”),提出了严格的水污染防治目标,燃煤电厂面临着巨大的节水减排压力,而我国大部分新建燃煤机组选址在西部产煤缺水地区,节水降耗需求迫切,经济有效的节水降耗措施将对我国建设环境友好型、资源节约型社会意义重大。如何减少脱硫后水蒸汽及余热的排放,是燃煤电厂节水降耗的重点方向之一。由于烟气中水分及潜热的耦合效应,有效的烟气除湿技术可同时回收水分及潜热,降低电厂水耗及排烟损失,并从根本上解决烟囱腐蚀及“白烟”现象。本文分析了脱硫后湿烟气的热力状态特点,介绍了冷凝法、吸收法及膜法3种湿烟气除湿工艺的技术特点及其研究现状,指出了存在的问题及研究方向,为高效烟气除湿技术的研发提供参考。

1脱硫后湿烟气热力状态分析

绝大多数燃煤电厂采用湿法脱硫工艺,脱硫过程中大量水分蒸发,烟气中水蒸气体积分数由6%升至约11%,出口烟气中每千克干烟气含湿量80~100g。锅炉系统尾部排放的水蒸汽及低温余热是燃煤电厂水资源和能量消耗的重要组成部分。以300MW机组为例,脱硫后烟气携带水分超过100t/h。锅炉系统的各项热损失中,排烟损失占总损失的50%以上,约占燃煤低位发热量的6%。脱硫后烟气显热的比例由63%降至25%,而水蒸气潜热由37%升高至75%,如图1所示。大部分烟气显热转换为水蒸气潜热,即脱硫后烟气热量主要以水蒸气潜热的形式存在。

2湿烟气除湿技术的发展

常用的空气湿度调节方法包括冷凝除湿、液体吸收剂吸收除湿、固体吸收剂吸附除湿、膜法除湿等。随着技术的发展,出现了一系列新型除湿技术,包括热电冷凝除湿、电化学除湿等,但距离应用尚远。冷凝法是空调领域广泛采用的湿度调节方式,采用7℃冷冻水将空气温度降至露点温度以下使水蒸气凝结析出。由于冷凝后需再热、盘管表面滋生霉菌使空气品质恶化等缺点,基于溶液除湿(吸收法)的空气除湿工艺得到越来越多的应用。烟气除湿方向的研究相对较少,尚处于起步阶段,目前研究多采用冷凝法、吸收法及膜法。

2.1冷凝法

湿烟气冷凝除湿工艺可分为两类:第1类采用间壁式换热器,烟气与冷却水通过换热器相互隔离,水蒸气在换热器表面凝结并将热量传递给冷却水,换热器底部设有回收装置收集凝结水,如图2(a)所示,换热器可采用单级或多级;第2类采用直接接触式,如图2(b)所示,通过喷淋塔或填料塔等方式对烟气降温,水蒸气凝结并混入冷却水,烟气显热及水蒸气的潜热均进入冷却水。间壁式换热器热阻较大,但冷却水侧水质稳定,同时分离出冷凝水便于处理。直接喷淋式效果较好,但烟气中粉尘、酸、盐等成分的富集,使系统出水需进行处理以达到回用要求。

上述两类冷凝方式的热力过程相同,如图3所示(图中含湿量以每kg干空气计),湿烟气由点1沿100%相对湿度线降至点2,温湿度同时降低。所回收的水量即点1与点2的含湿量差为d1-d2,所回收的热量即点1与点2的焓差h1-h2,烟气始终保持饱和状态。

冷凝法于20世纪70年代在欧洲应用于冷凝式燃气锅炉以提升锅炉能效,后逐步推广至工业锅炉,国内应用尚较少。近年来,利用冷凝法回收燃煤电厂烟气中水蒸气的研究逐步增加。LevyE等进行了冷凝法回收烟气中水分的研究,采用多级换热装置冷却烟气回收冷水作为冷却塔补水。研究表明,水回收率主要与冷却水量及水温相关,综合考虑防腐能力及成本,提出采用304ss作为换热器材质。CHENQ等进行了工业锅炉增设烟气冷凝器预热锅炉给水的研究,提出换热器热阻集中于壳侧,包括气相对流热阻、污垢热阻及水液膜热阻。雷呈勇等模拟褐煤锅炉排烟,进行了烟气水分冷凝回收技术的实验室研究,在烟气温度50~60℃的条件下探索了烟气流速、水蒸气容积份额、冷却水流量及流动方式等因素对冷凝液捕集率的影响,研究表明,冷凝水捕集率最大可达51．57%,但应考虑酸腐蚀及清除潮湿积灰的问题。熊英莹等在某600MW燃煤机组湿法脱硫后进行了中试试验,在湿烟气烟道中加装改性氟塑料换热器,采用冷凝法实现高水分烟气的深度凝结,回收水分和汽化潜热,结果表明,当烟气温度降低9~10℃时,所回收的水分作为脱硫系统补水可以实现脱硫系统零水耗。

低品位热能的利用是水分回收过程中需重点研究的问题之一,锅炉尾部烟气温度较低,出水水温难以继续提升,所吸收热量的利用一般采用2种方式:一种是在冷凝器出水侧加装热泵,将热量品位提高以达到供暖或其他利用要求,具有较好的前景;另一种是预热锅炉给水,但由于温度低,温差较小,传热系数低加热能力有限。将喷淋换热与热泵技术充分结合,回收烟气余热以供暖的应用研究较多:杜红波等介绍了某小区14MW燃气锅炉烟气余热回收改造工程,采用喷淋水对烟气喷淋降温回收余热并使部分水蒸气凝结,并采用吸收式热泵回收余热,满负荷运行状态下烟气进出口温度为110℃/35℃,热回收量1．8MW,供热提高率12%;ZHAO等将燃气锅炉烟气喷淋余热回收装置与分布式热泵供暖系统结合,通过分布式热泵的应用,降低一次网回水温度,提高喷淋余热回收装置的余热回收能力,采用两级喷淋式换热装置预热一次网回水,在第1级换热装置中,热网回水与喷淋循环水通过板式换热器换热;在第2级中,采用热泵系统进一步提取余热,从而更充分的回收烟气余热。此外,喷淋换热与热泵结合的余热回收技术进行了工业示范,在1台220t循环流化床锅炉及3台130t煤粉炉的脱硫系统下游汇合烟道上,安装了喷淋降温装置并配套溴化锂吸收式热泵。系统运行数据表明,烟气温度由48℃降至39℃,回收余热16．7MW用于热电厂供热,同时,喷淋装置有益于烟气的深度净化。

此外,应用至非热电联产的燃煤电厂时,热利用的途径及工艺参数有待深入分析,且系统工艺系统较为复杂,应用至大机组成本较高,采用间壁式换热工艺时,抗腐蚀材料价格较高。

原标题：燃煤电厂湿烟气余热及水分回收技术研究

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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