王潤(rùn)生， 孔 偉， 楊志國(guó)， 程常杰， 曲 欣， 張 瑞， 楊林軍

(1. 新疆天富集團(tuán)有限責(zé)任公司， 新疆石河子 832000； 2. 杭州蘊(yùn)澤環(huán)境科技有限公司， 杭州 310000； 3. 新疆天富環(huán)保科技有限公司， 新疆石河子 832000；4. 東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210096)

細(xì)顆粒物帶來的污染問題引起了人們的高度重視[1]。燃煤電廠是大氣環(huán)境中細(xì)顆粒物的重要來源之一，嚴(yán)格控制燃煤電廠顆粒物的排放顯得尤為重要。我國(guó)發(fā)電方式主要以燃煤發(fā)電為主，但是我國(guó)的能源分布極不平衡，煤炭資源分布呈現(xiàn)北多南少的格局[2-3]。雖然北方地區(qū)的煤炭?jī)?chǔ)量豐富，但是水資源極其匱乏，且分布不平衡，水資源分布呈現(xiàn)南多北少、東多西少的特點(diǎn)[4-5]。這限制了煤炭資源豐富但水資源貧乏地區(qū)的火電建設(shè)，隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，水資源不足的矛盾將日益突出，尤其是對(duì)于缺水地區(qū)建設(shè)的空冷機(jī)組，脫硫系統(tǒng)用水量約占總用水量的25%，其用水量水平?jīng)Q定了全電廠用水量[6-7]。特別是對(duì)于新疆石河子地區(qū)，由于污染物排放密度大，冬季天氣條件不利于污染物擴(kuò)散，導(dǎo)致霧霾嚴(yán)重，同時(shí)濕煙氣排放還會(huì)產(chǎn)生白色煙羽的污染。因此，在上述地區(qū)開展燃煤電廠排放煙氣細(xì)顆粒物的深度脫除及煙氣中水分的回收研究具有十分重要的意義。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的消除白色煙羽的技術(shù)主要包括煙氣冷卻、煙氣加熱、冷凝復(fù)熱、旋流除濕、溶液除濕、膜法除濕等[8-11]。煙氣冷卻和煙氣加熱技術(shù)均是通過直接/間接換熱來消除白色煙羽，其能耗較大，且對(duì)換熱設(shè)備的防腐要求較高；旋流除濕技術(shù)對(duì)消除白色煙羽的效果有限；溶液除濕和膜法除濕技術(shù)目前還處于試驗(yàn)研究階段，尚未應(yīng)用在燃煤電廠的濕煙氣消除白色煙羽處理工藝中。

筆者以某熱電聯(lián)產(chǎn)電廠為例，通過在脫硫塔除霧器上方設(shè)置兩級(jí)冷凝凝并裝置，對(duì)濕法脫硫凈煙氣進(jìn)行兩級(jí)深度冷凝；同時(shí)，針對(duì)濕法脫硫凈煙氣深度冷凝過程中，煙氣理論回收水量、回收的水質(zhì)，以及總顆粒物(TPM)、可過濾顆粒物(FPM)、可凝結(jié)顆粒物(CPM)的協(xié)同脫除性能展開研究。

1 機(jī)組概況及采樣測(cè)試分析

1.1 冷凝凝并裝置

該電廠3號(hào)和4號(hào)機(jī)組裝機(jī)容量均為330 MW，采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝。濕法脫硫系統(tǒng)入口煙氣體積流量約為120×104m3/h，SO2質(zhì)量濃度為1 300～1 500 mg/m3，煙氣溫度為147 ℃，液氣比為13～14 L/m3，空塔氣速為3～3.5 m/s。在濕法脫硫系統(tǒng)除霧器上方建立兩套相對(duì)獨(dú)立的冷凝系統(tǒng)(見圖1)，對(duì)濕法脫硫后的煙氣進(jìn)行兩級(jí)冷凝，煙氣依次通過一級(jí)、二級(jí)冷凝。一級(jí)冷凝主要回收煙氣水分并補(bǔ)充脫硫水，其溫降一般為3～5 K；二級(jí)冷凝主要進(jìn)行煙氣深度收水，實(shí)現(xiàn)水分回收，緩解電廠運(yùn)行缺水的現(xiàn)狀，其溫降一般為5～20 K。兩套冷凝系統(tǒng)均包含集液盤、噴淋層(或換熱層)除霧器和外循環(huán)箱等組件。一級(jí)冷凝系統(tǒng)中，在循環(huán)液中加入少量石灰石/石灰漿液調(diào)節(jié)pH，收集的冷凝循環(huán)水可用于濕法脫硫系統(tǒng)的制漿補(bǔ)水；二級(jí)冷凝系統(tǒng)采用工藝水換熱。此外，在一級(jí)、二級(jí)冷凝之間還設(shè)置高效除霧設(shè)備，可有效防止一級(jí)冷凝系統(tǒng)中含有大量溶解性鹽和顆粒物的霧滴進(jìn)入二級(jí)冷凝系統(tǒng)。

圖1 加裝兩級(jí)冷凝凝并裝置的脫硫系統(tǒng)

1.2 采樣與分析測(cè)試方法

在濕法脫硫塔入口、脫硫塔中段噴淋除霧裝置后，以及二級(jí)冷凝系統(tǒng)出口設(shè)置測(cè)點(diǎn)，對(duì)煙氣中FPM和CPM的排放水平和脫除效果進(jìn)行了測(cè)試分析。測(cè)試中采用美國(guó)環(huán)境保護(hù)署發(fā)布的Method 202方法，其采樣流程見圖2。采用WJ-60B型全自動(dòng)煙塵采樣儀搭配加熱采樣槍，過濾并收集煙氣中FPM；隨后煙氣進(jìn)入CPM采樣組件，被冷凝器降溫至30 ℃以下，捕集的CPM被收集在冷凝器、干沖擊瓶及CPM過濾器中。

圖2 FPM和CPM的采樣流程

采樣結(jié)束后，將FPM濾膜烘干稱重。依次采用超純水、丙酮、正己烷沖洗冷凝器，收集沖洗液；其他CPM采樣組件連接高純氮?dú)?，?4 L/min吹掃1 h后，再用超純水、丙酮、正己烷沖洗，收集沖洗液與冷凝器沖洗液合并，經(jīng)室溫蒸發(fā)干燥后稱量剩余固體質(zhì)量，結(jié)合采樣煙氣量，可得煙氣中FPM和CPM含量。

2 收水量理論計(jì)算

燃煤煙氣經(jīng)濕法脫硫系統(tǒng)后，一般溫度可降至50～55 ℃，相對(duì)濕度增至100%。當(dāng)脫硫凈煙氣進(jìn)入兩級(jí)冷凝凝并裝置后，進(jìn)一步與低溫噴淋液逆流接觸，溫度降低，煙氣處于過飽和狀態(tài)，水汽通過均相或非均相凝結(jié)析出，由氣態(tài)變至液態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)煙氣中水分的回收。基于水汽平衡，可通過熱力學(xué)計(jì)算獲得煙氣冷凝過程中的可凝結(jié)水量，即煙氣收水量。

煙氣收水量為：

a=Ain-Aout

(1)

式中：a為煙氣收水量，g/m3；Ain為冷凝凝并裝置入口溫度下的煙氣飽和水汽含量，g/m3；Aout為冷凝凝并裝置出口溫度下的煙氣飽和水汽含量，g/m3。

計(jì)算時(shí)，選取脫硫凈煙氣溫度(即一級(jí)冷凝入口煙氣溫度)為50～55 ℃，一級(jí)冷凝煙氣溫降為1～5 K，二級(jí)冷凝煙氣溫降為5～20 K。

圖3為一級(jí)冷凝過程中的煙氣收水量。

圖3 一級(jí)冷凝過程中的煙氣收水量

由圖3可得：當(dāng)一級(jí)冷凝入口煙氣溫度不變時(shí)，隨著煙氣溫降的增加，煙氣收水量大幅提高；當(dāng)一級(jí)冷凝入口煙氣溫度為53 ℃時(shí)，隨著煙氣溫降由1 K升至5 K，煙氣收水量可由5.4 g/m3增至25.0 g/m3。當(dāng)煙氣溫降保持不變時(shí)，隨著一級(jí)冷凝入口煙氣溫度的增加，煙氣收水量略有提高；當(dāng)煙氣溫降保持在3 K時(shí)，隨著一級(jí)冷凝入口煙氣溫度從50 ℃增至55 ℃，煙氣收水量由13.7 g/m3增至17.0 g/m3。這表明影響煙氣收水量的主要操作參數(shù)為煙氣溫降，煙氣溫降越大，煙氣收水量越大。

在濕法脫硫過程中，部分脫硫漿液在與高溫?zé)煔饽媪鹘佑|時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈的傳熱傳質(zhì)，部分脫硫漿液由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，進(jìn)而隨脫硫凈煙氣排放，導(dǎo)致濕法脫硫存在一定的水耗。濕法脫硫水耗可基于濕法脫硫系統(tǒng)入口及出口水汽平衡獲得；計(jì)算中，濕法脫硫系統(tǒng)入口煙氣溫度為147 ℃，煙氣水汽體積分?jǐn)?shù)為8.0%，脫硫后凈煙氣溫度為50～55 ℃，相對(duì)濕度為100%。

圖4為不同脫硫凈煙氣溫度下的煙氣收水量(一級(jí)冷凝煙氣溫降為5 K)與脫硫水耗量。雖然部分脫硫漿液會(huì)以液滴的形式直接穿過除霧器進(jìn)入凈煙氣，但凈煙氣中霧滴質(zhì)量濃度一般為幾十毫克每立方米，遠(yuǎn)小于與脫硫漿液蒸發(fā)導(dǎo)致的水耗量(一般為幾十克每立方米)，因此忽略霧滴夾帶引起的水耗。

圖4 不同脫硫凈煙氣溫度下的收水量與水耗量

由圖4可得：脫硫水耗量一般為20～40 g/m3，隨著脫硫凈煙氣溫度的提高，脫硫水耗量呈下降趨勢(shì)。通過對(duì)比可見，雖然濕法脫硫過程存在較大的水耗，但是一級(jí)冷凝可有效回收脫硫凈煙氣中的水分。該部分水可作為脫硫制漿補(bǔ)水回流至脫硫塔，能顯著降低脫硫工藝水補(bǔ)水量；在某些條件下，甚至可以實(shí)現(xiàn)濕法脫硫系統(tǒng)零水耗。因此，一級(jí)冷凝水作為脫硫制漿補(bǔ)水具有一定的可行性。

鑒于西部地區(qū)常年溫度較低，低溫?zé)嵩摧^易獲得，因此用于二級(jí)冷凝的循環(huán)冷卻水可低至幾攝氏度。圖5為二級(jí)冷凝過程中的煙氣收水量。

圖5 二級(jí)冷凝過程中的煙氣收水量

由圖5可得：隨著煙氣溫降的增加，煙氣收水量顯著提高；隨著入口煙氣溫度的提高，煙氣收水量略有提高。這與一級(jí)冷凝中的收水量變化趨勢(shì)保持一致。由于二級(jí)冷凝煙氣溫降遠(yuǎn)大于一級(jí)冷凝煙氣溫降，因此收水量可達(dá)到60 g/m3以上，節(jié)水效果明顯。

當(dāng)脫硫凈煙氣溫度為53 ℃時(shí)，由圖3～圖5可得：當(dāng)一級(jí)冷凝煙氣溫降為5 K時(shí)，煙氣收水量基本與脫硫水耗量相當(dāng)，約為24.9 g/m3，對(duì)應(yīng)收水質(zhì)量流量為29.9 t/h，濕法脫硫可實(shí)現(xiàn)零水耗；二級(jí)冷凝煙氣溫降為15 K時(shí)，煙氣收水量約為46.6 g/m3，對(duì)應(yīng)收水質(zhì)量流量為55.9 t/h。

3 冷凝水水質(zhì)分析

依據(jù)理論分析，1臺(tái)330 MW機(jī)組配套的濕法脫硫裝置收水質(zhì)量流量基本可達(dá)到100～110 t/h，其中二級(jí)冷凝的收水質(zhì)量流量為70～80 t/h。對(duì)二級(jí)冷凝水采用GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中推薦的方法進(jìn)行水質(zhì)分析，得到冷凝水水質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 二級(jí)冷凝裝置的冷凝水水質(zhì)分析結(jié)果

由于冷凝水中污染物含量較低，參照DL/T 5196—2016 《火力發(fā)電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程》中關(guān)于脫硫工藝水水質(zhì)要求(見表2)，可考慮對(duì)冷凝水采取中和處理后作為工藝補(bǔ)水循環(huán)使用。

表2 直接進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的工藝水水質(zhì)要求

4 協(xié)同顆粒物深度脫除性能

冷凝凝并裝置在實(shí)現(xiàn)收水的同時(shí)，對(duì)顆粒物的脫除也有一定的促進(jìn)作用。飽和煙氣在降溫過程中可形成過飽和水汽環(huán)境，過飽和水汽環(huán)境是一種亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，實(shí)際水汽分壓高于其飽和水汽分壓，水汽有從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的趨勢(shì)。在過飽和水汽環(huán)境中，水汽會(huì)自發(fā)地以顆粒物為凝結(jié)核在其表面發(fā)生非均相凝結(jié)，使其粒徑變大、質(zhì)量增加，進(jìn)而增強(qiáng)傳統(tǒng)洗滌除塵設(shè)備捕集細(xì)顆粒物(如噴淋洗滌、除霧器攔截等)的性能。因此，在實(shí)現(xiàn)收水的同時(shí)，開展了冷凝凝并裝置協(xié)同顆粒物深度脫除性能的研究。圖6為不同測(cè)點(diǎn)顆粒物質(zhì)量濃度的變化。

圖6 不同測(cè)點(diǎn)顆粒物質(zhì)量濃度的變化

由圖6可得：脫硫塔入口煙氣中，F(xiàn)PM、CPM、TPM的質(zhì)量濃度分別為28.6 mg/m3、66.0 mg/m3、94.6 mg/m3；當(dāng)煙氣經(jīng)過濕法脫硫系統(tǒng)后，F(xiàn)PM、CPM、TPM的質(zhì)量濃度分別降至17.9 mg/m3、34.2 mg/m3、52.1 mg/m3；當(dāng)煙氣經(jīng)過冷凝凝并裝置后，F(xiàn)PM、CPM、TPM的質(zhì)量濃度分別進(jìn)一步降至7.0 mg/m3、10.3 mg/m3、17.3 mg/m3。這表明濕法脫硫系統(tǒng)本身對(duì)降低顆粒物排放具有一定的作用，而煙氣冷凝凝并裝置的應(yīng)用可進(jìn)一步降低顆粒物的排放。

圖7為冷凝凝并裝置對(duì)顆粒物深度脫除的效果。

圖7 冷凝凝并裝置對(duì)顆粒物深度脫除的效果

由圖7可得：濕法脫硫系統(tǒng)對(duì)FPM的脫除效率為38%；而耦合冷凝凝并裝置后，對(duì)FPM的脫除效率可達(dá)75%。這是由于濕法脫硫入口煙氣中FPM粒徑較小，慣性力作用不明顯，難以通過濕法脫硫被漿液洗滌捕集；使用冷凝凝并裝置可降低煙氣溫度，建立滿足顆粒物凝結(jié)長(zhǎng)大的過飽和水汽環(huán)境，促進(jìn)顆粒物凝結(jié)長(zhǎng)大，進(jìn)而使顆粒物在循環(huán)冷卻液噴淋與除霧器攔截等作用下被捕集。同時(shí)，濕法脫硫系統(tǒng)對(duì)CPM的脫除效率較高，為48%；當(dāng)耦合煙氣冷凝凝并裝置后，對(duì)CPM的脫除效率可進(jìn)一步提高至84%。這是由于脫硫塔入口處煙氣中CPM以氣態(tài)形式存在，在脫硫塔內(nèi)由于漿液噴淋降溫后，部分氣態(tài)污染物冷凝形成CPM，隨后被脫硫漿液洗滌捕集；然而，仍有部分氣態(tài)污染物無(wú)法在脫硫塔內(nèi)冷凝為CPM，進(jìn)入脫硫凈煙氣中。當(dāng)脫硫凈煙氣中采用冷凝凝并裝置后，煙氣溫度進(jìn)一步降低，導(dǎo)致大量氣態(tài)污染物冷凝形成CPM。一方面，形成的CPM通過循環(huán)冷卻液噴淋與除霧器攔截被脫除；另一方面，由于冷凝凝并裝置內(nèi)已形成過飽和水汽環(huán)境，部分CPM在過飽和水汽環(huán)境中由于水汽相變凝結(jié)長(zhǎng)大，并通過與CPM之間的碰撞聚并進(jìn)一步長(zhǎng)大，促進(jìn)了噴淋洗滌與除霧器攔截的作用。由于冷凝凝并裝置對(duì)FPM與CPM的脫除均有促進(jìn)作用，因此對(duì)TPM的脫除效率也獲得了顯著提高，最終由45%提升至82%。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)西部地區(qū)干旱缺水與冬季霧霾嚴(yán)重現(xiàn)狀，提出了在脫硫凈煙氣后設(shè)置冷凝凝并裝置，在實(shí)現(xiàn)煙氣收水、降低脫硫水耗的同時(shí)，協(xié)同實(shí)現(xiàn)顆粒物的深度脫除?；趯?duì)熱電聯(lián)產(chǎn)電廠冷凝凝并裝置煙氣收水協(xié)同顆粒物深度脫除性能的研究，得到主要結(jié)論為：

(1) 在脫硫凈煙氣后設(shè)置冷凝凝并裝置既可以實(shí)現(xiàn)煙氣收水，又可以協(xié)同促進(jìn)顆粒物的深度脫除。

(2) 冷凝凝并裝置可有效回收煙氣中的水汽。一級(jí)冷凝將脫硫后凈煙氣溫度降低3～5 K后，收水質(zhì)量流量為29.9 t/h，可將其用于脫硫補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)濕法脫硫零水耗；二級(jí)冷凝將脫硫后凈煙氣溫度降低10～20 K后，可進(jìn)一步回收煙氣中的水量，收水質(zhì)量流量為55.9 t/h，且水質(zhì)較好。

(3) 冷凝凝并裝置可促進(jìn)脫硫后凈煙氣中顆粒物的脫除，特別是FPM的脫除；經(jīng)過脫硫系統(tǒng)與冷凝凝并系統(tǒng)的疊加，對(duì)煙氣中FPM、CPM和TPM的脫除效率分別為75%、84%和82%，與原本單獨(dú)的脫硫系統(tǒng)相比，其脫除效率分別提升了37百分點(diǎn)、36百分點(diǎn)、37百分點(diǎn)。