毛雙華，林國(guó)輝，王浩添

（浙江巨化熱電有限公司，浙江 衢州 324000）

0 引言

現(xiàn)階段，燃煤發(fā)電廠(chǎng)全面實(shí)施超低排放和節(jié)能改造，以大幅降低發(fā)電煤耗和污染排放，使電力行業(yè)向清潔化、高效化發(fā)展。國(guó)內(nèi)常規(guī)的高效除塵設(shè)備對(duì)粒徑為0.1～2.5 μm的細(xì)顆粒不能有效捕集，當(dāng)顆粒物直徑小于2.5 μm時(shí)，除塵效率明顯下降，極端情況下甚至低于40%，而現(xiàn)階段工業(yè)煙塵排放主要成分為超細(xì)粉塵。

浙江巨化熱電有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“巨化熱電廠(chǎng)”）8號(hào)機(jī)組原設(shè)有電袋除塵裝置，粉塵排放質(zhì)量濃度（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“濃度”）為13 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同），不能滿(mǎn)足5 mg/m3的超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求，需要進(jìn)行煙氣除塵技術(shù)改造。通過(guò)對(duì)相變凝聚技術(shù)的深入研究，并結(jié)合熱電企業(yè)的實(shí)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(lián)產(chǎn)企業(yè)補(bǔ)水量大的特點(diǎn)進(jìn)行低溫潛熱回收利用，同時(shí)該技術(shù)還可以達(dá)到收水節(jié)能的效果。

1 煙氣相變凝聚綜合利用技術(shù)

相變凝聚技術(shù)是在機(jī)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(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)補(bǔ)水量較大的特點(diǎn)，配合現(xiàn)有除鹽水綜合利用系統(tǒng)，用常溫除鹽水作為相變凝聚器的冷卻介質(zhì)，進(jìn)行熱量回收，換熱后的除鹽水進(jìn)入低低溫省煤器作為鍋爐補(bǔ)水，最終進(jìn)入鍋爐給水系統(tǒng)。

相變凝聚裝置內(nèi)部布置有數(shù)量眾多的毛細(xì)冷凝管，冷凝管采用巨化集團(tuán)生產(chǎn)的PTFE（聚四氟乙烯）制成，可在脫硫塔后的低溫腐蝕環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行。

1.1 相變凝聚基本原理

相變凝聚脫除細(xì)顆粒的原理是：飽和煙氣中水蒸氣在細(xì)顆粒表面相變、凝聚、長(zhǎng)大，并同時(shí)產(chǎn)生熱泳和擴(kuò)散泳作用，促使細(xì)顆粒在溫度梯度的作用下向冷的管壁移動(dòng)，附著在管壁表面的液膜上，最后在重力作用下，隨著流動(dòng)的液膜被收集。在顆粒物脫除過(guò)程中，通過(guò)控制裝置內(nèi)部冷凝管壁面的溫度來(lái)控制飽和濕煙氣的相變程度，結(jié)合濕式相變冷凝、凝聚、慣性等多重除塵機(jī)制，實(shí)現(xiàn)“收水+除塵+余熱回收”功能[1]。

1.2 材料特點(diǎn)

相變凝聚裝置主要包括低溫?zé)煔鈸Q熱器和除霧器，安裝于脫硫塔出口水平煙道。煙氣介質(zhì)的主要條件是：溫度不高于60℃，過(guò)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?fù)Q熱器面臨的最大問(wèn)題，傳統(tǒng)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(wèn)題。本項(xiàng)目采用PTFE作為煙氣換熱器管材，PTFE的物理、化學(xué)性能極其穩(wěn)定，基本不溶于任何酸堿以及溶劑，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，對(duì)煙氣成分、換熱器管壁溫度以及煙氣酸露點(diǎn)沒(méi)有特殊要求[2]。同時(shí)，PTFE管材表面光滑，不積灰，不結(jié)垢，易清理[3]。

因PTFE導(dǎo)熱系數(shù)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(qiáng)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(zhǎng)，維修成本低[4]。

2 改造方案

研究表明，煙氣中的顆粒物經(jīng)常規(guī)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(xì)顆粒為主，且濃度很高，更易富集有害物質(zhì)。本次改造是基于相變凝聚綜合處理技術(shù)，其中的相變凝聚除塵器能有效脫除煙氣中的細(xì)顆粒，并實(shí)現(xiàn)有毒重金屬（如汞、砷等）的脫除，同時(shí)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(chǎng)8號(hào)鍋爐為杭州鍋爐廠(chǎng)生產(chǎn)的NG-280/9.8-M型鍋爐，2001年3月正式移交生產(chǎn)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。8號(hào)機(jī)組目前設(shè)有電袋除塵裝置，粉塵排放濃度為13 mg/m3，不能滿(mǎn)足5 mg/m3的超低排放粉塵標(biāo)準(zhǔn)要求，需要進(jìn)行煙氣除塵技術(shù)改造。

2.2 工藝流程

表1 8號(hào)鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

本次改造是在8號(hào)鍋爐（280 t/h）爐后脫硫塔出口煙道布置PTFE相變凝聚除塵設(shè)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(jī)制作用下脫除。該裝置通過(guò)煙氣換熱加熱常溫除鹽水，一路送至除氧器并入機(jī)爐給水系統(tǒng)，一路進(jìn)入6號(hào)、7號(hào)機(jī)組的低低溫省煤器再加熱，最終進(jìn)入全廠(chǎng)鍋爐給水系統(tǒng)。煙氣經(jīng)脫硫塔脫硫后變成飽和濕煙氣進(jìn)入相變凝聚器冷凝后，冷凝水進(jìn)入脫硫塔塔外漿池匯流管再利用，煙氣則通過(guò)除霧器由煙囪排出。相變凝聚系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 相變凝聚系統(tǒng)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(mǎn)足工藝要求，在進(jìn)口和出口位置設(shè)置煙道擴(kuò)口，將除霧器布置在換熱管后面。進(jìn)口煙道擴(kuò)口中布置導(dǎo)流板，使進(jìn)入相變凝聚器的流場(chǎng)分布均勻，提高除塵、換熱效率。相變凝聚器下部設(shè)置高效收水裝置，收集起來(lái)的水通過(guò)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(xiàn)場(chǎng)煙道布置，脫硫塔出口的直煙道段為前期改造預(yù)留位置，正好用于安裝相變凝聚裝置。圖3為安裝現(xiàn)場(chǎng)。

2.4 技術(shù)參數(shù)

相變凝聚技術(shù)中液滴長(zhǎng)大是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，影響液滴長(zhǎng)大的主要因素是停留時(shí)間、過(guò)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(xiàn)場(chǎng)

8號(hào)機(jī)組相變凝聚裝置按鍋爐額定負(fù)荷工況（280 t/h）設(shè)計(jì)，具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 8號(hào)機(jī)組相變凝聚裝置技術(shù)參數(shù)

由表2可以看出，飽和煙氣經(jīng)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(duì)其他分子吸引力小，因而摩擦系數(shù)非常小，對(duì)流體產(chǎn)生的流動(dòng)摩擦阻力也較小[6]。該裝置煙氣側(cè)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(diǎn)

此次改造結(jié)合熱電企業(yè)實(shí)際情況，用除鹽水作為換熱介質(zhì)。該廠(chǎng)現(xiàn)有5臺(tái)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，設(shè)有4臺(tái)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(bǔ)水，提高了全廠(chǎng)熱效率[7]。本次改造將相變凝聚裝置并入全廠(chǎng)除鹽水系統(tǒng)，常溫除鹽水經(jīng)脫硫塔出口煙氣加熱后，去往6號(hào)、7號(hào)低低溫省煤器作為鍋爐補(bǔ)水進(jìn)行二次加熱，最終進(jìn)入鍋爐給水系統(tǒng)。本技術(shù)多層次利用煙氣潛熱，提高了能源利用率。

3 結(jié)果分析

3.1 除塵效果

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

通過(guò)對(duì)煙氣顆粒物進(jìn)行采樣檢測(cè)，本文選擇2個(gè)工況進(jìn)行實(shí)例分析：鍋爐負(fù)荷分別為260 t/h和200 t/h，雙磨運(yùn)行，除鹽水流量控制在130 t/h，除鹽水進(jìn)口溫度為20℃，測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 粉塵檢測(cè)數(shù)據(jù)

由表3可以發(fā)現(xiàn)，2個(gè)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(mǎn)足超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，對(duì)煙氣中SO3含量進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)相變凝聚裝置可以進(jìn)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(jìn)入相變凝聚裝置后，通過(guò)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(duì)煙氣冷凝水進(jìn)行取樣，樣品無(wú)色無(wú)味，無(wú)肉眼可見(jiàn)物，樣品pH值為2.92，所含成分具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

由表4可以看出，本裝置在節(jié)水的同時(shí)，可以脫除多種元素，包括有毒重金屬汞和砷等，進(jìn)一步提高環(huán)保效率。相變凝聚裝置所收集到的冷凝水通過(guò)脫硫地坑重新回到脫硫系統(tǒng)作為系統(tǒng)補(bǔ)水，這也是對(duì)水資源的再利用。

表4 冷凝水成分檢測(cè)數(shù)據(jù)

在機(jī)組負(fù)荷270 t/h、環(huán)境溫度37℃、除鹽水初始溫度24℃、進(jìn)口煙氣溫度54.5℃的工況下，通過(guò)控制除鹽水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)進(jìn)水量，煙氣冷凝水流量隨除鹽水進(jìn)口流量大小而變化，具體變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 除鹽水流量對(duì)冷凝水量以及出口煙氣溫度的影響

從圖4曲線(xiàn)可以看出，隨著除鹽水流量的增加，冷凝水量的增長(zhǎng)速率逐漸降低?？梢酝普摚寒?dāng)除鹽水流量達(dá)到某個(gè)值時(shí)，冷凝水量趨于平穩(wěn)。除鹽水流量為160 t/h時(shí)，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(shì)漸緩，煙氣整體降溫幅度不大，進(jìn)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(jī)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?yàn)槔鋮s水溫度低、流量大，發(fā)電企業(yè)很難有效利用或處理這部分水源。而熱電企業(yè)補(bǔ)水量大，可利用除鹽水作為冷卻介質(zhì)，有效回收煙氣余熱。

該廠(chǎng)在煙氣余熱利用方面已進(jìn)行過(guò)多次技術(shù)改造，全廠(chǎng)設(shè)有4臺(tái)PTFE低低溫省煤器，利用煙氣余熱加熱除鹽水作為鍋爐補(bǔ)水。此次改造將相變凝聚裝置加熱后的除鹽水作為6號(hào)、7號(hào)機(jī)組低低溫省煤器的進(jìn)口水源，提升了余熱換熱器效率以及機(jī)組熱效率，提高了能源利用率。

在上述相同工況下，調(diào)節(jié)除鹽水流量，測(cè)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(duì)出口水溫的影響

當(dāng)進(jìn)入相變凝聚裝置的除鹽水流量由100 t/h增大至150 t/h時(shí)，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(guò)計(jì)算可知，回收熱量為 2.5～3.5 MW。

4 效益分析

4.1 環(huán)保效益

相變凝聚裝置在8號(hào)機(jī)組經(jīng)過(guò)安裝、調(diào)試后，已正常運(yùn)行。該項(xiàng)目不僅符合超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求，還達(dá)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(dá)到的效果有如下幾點(diǎn)：

（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(guó)家超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求，并能有效脫除煙氣中的細(xì)顆粒及有毒重金屬（汞和砷等）。

（2）通過(guò)相變凝聚裝置對(duì)飽和煙氣進(jìn)行冷凝收水，回收利用到脫硫系統(tǒng)中，減少了資源浪費(fèi)。

（3）通過(guò)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(jìn)水，最終進(jìn)入全廠(chǎng)鍋爐給水系統(tǒng)，大大提高了全廠(chǎng)熱效率。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

水從蒸汽發(fā)生相變成為液體時(shí)，會(huì)釋放出大量的熱，被稱(chēng)為汽化潛熱。本項(xiàng)目實(shí)施后，可以有效回收煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，同時(shí)煙氣經(jīng)過(guò)相變凝聚器時(shí)會(huì)有煙氣冷凝水，設(shè)備設(shè)有收水裝置，可將冷凝水回收。按一年運(yùn)行7 000 h計(jì)算，預(yù)期收益見(jiàn)表5。

表5 項(xiàng)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(jié)約標(biāo)煤2 064 t，以標(biāo)煤價(jià)500元/t計(jì)，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益約103.2萬(wàn)元。

（2）間接效益：減少脫硫用水，年節(jié)約工業(yè)用水 17 220 t。

（3）增加的電耗：經(jīng)計(jì)算，煙氣阻力增加300 Pa，引風(fēng)機(jī)功率需增加85 kW，用電597 MWh，折算成標(biāo)煤約191 t；水泵用電約增加年消耗標(biāo)煤67 t。

直接經(jīng)濟(jì)效益加上間接經(jīng)濟(jì)效益，扣除增加的消耗，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益110萬(wàn)元。

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

5 技術(shù)探討

相變凝聚裝置在8號(hào)機(jī)組運(yùn)行投產(chǎn)以來(lái)，存在以下問(wèn)題需進(jìn)一步研究處理：

（1）本次改造時(shí)，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(zhǎng)，電袋除塵效率降低，需進(jìn)一步觀察相變凝聚裝置的使用情況。

（2）不同季節(jié)除鹽水溫度有差異，為保證裝置平穩(wěn)運(yùn)行，將適時(shí)調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)水流量，并觀察其對(duì)相變凝聚效率是否有影響。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）將相變凝聚裝置應(yīng)用在熱電廠(chǎng)余熱系統(tǒng)中，不但解決了粉塵超低排放的問(wèn)題，同時(shí)達(dá)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(shí)現(xiàn)了環(huán)保提升，又達(dá)到了節(jié)能減排、余熱利用等效果。

（2）巨化熱電廠(chǎng)使用相變凝聚裝置，全年收益110萬(wàn)元，預(yù)計(jì)5年內(nèi)收回節(jié)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(diǎn)，降低了維護(hù)成本，提高了機(jī)組安全性及經(jīng)濟(jì)性。

（4）巨化熱電廠(chǎng)8號(hào)機(jī)組相變凝聚裝置的投用，不僅打開(kāi)了熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)節(jié)能環(huán)保一體化改造的新道路，同時(shí)也打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，為今后的節(jié)能環(huán)保工作提供了新方向。