燃煤煙氣余熱和水分綜合利用技術研究

涂 釗, 姜未汀, 潘衛國, 冀思哲, 葛 帥

(上海電力學院 a.能源與機械工程學院; b.上海發電環保工程技術中心, 上海 200090)

燃煤電廠消耗大量煤炭、石油和水資源,因此節能和節水是電廠一貫的追求[1],能源的回收變得越來越重要[2]。考慮到低溫腐蝕問題,鍋爐的排煙溫度一般都在120～140 ℃[3],對于一些小型鍋爐,由于排煙溫度高于200 ℃,其排煙熱損失可達到10%～20%[4]。研究發現,鍋爐排煙溫度每下降10 K,鍋爐的熱效率就會增加1%[5]。燃煤電站排煙熱損失巨大,同時,以蒸汽形式存在的水占到煙氣量的12%～16%[6],因此將煙氣溫度降低到煙氣水露點以下,不僅可以充分利用這部分熱量,還能回收大量的冷凝水。利用煙氣顯熱與水蒸氣潛熱來加熱鍋爐給水或者為鍋爐的空氣加熱,不僅提高了燃料的利用效率,而且在冷凝過程中,煙氣中的氣體組成成分被冷凝水反應、凝結或吸收,從而能減少煙氣中Hg,SO2,NOx等[7]有害物質。煙氣余熱和水分綜合回收利用技術是一項環境友好型、資源節約型的環保技術[8]。

燃煤電站鍋爐煙氣中的水分主要來源于燃料水分、燃燒氫的氧化、助燃空氣攜帶的水分和脫硫蒸發水分[9]。目前就我國而言,90%的電廠采用濕法石灰石脫硫工藝[10],脫硫過程中煙氣放熱,循環漿液中水分吸收熱量蒸發,大大增加了煙囪煙氣中水分的含量,因此煙氣中有大量的熱源和水分可以回收,其回收技術就是煙氣余熱和水分回收技術。煙氣余熱和水分綜合回收技術就是回收煙氣中的顯熱,并對煙氣中水分的潛熱加以利用。現階段,其利用方式主要有冷凝換熱器法、膜凝汽器法和吸收法3種。冷凝換熱器法相對應用廣泛,在缺水地區的燃煤電廠增加空冷凝汽器,水耗得到大幅度的降低,但其中某臺600 MW機組耗水量依然驚人,通過該機組煙囪排放的水量約300 t/h,年排水量約1.5×106t[11]。

1 國內外研究及應用情況

國內與燃煤電站煙氣余熱利用相關的大型項目始于上海外高橋第三發電廠[12]的1 000 MW機組。該機組采用低溫省煤器給煙氣降溫,體現了節能思想,但冷卻后的煙氣沒有低于煙氣水露點溫度,因此回收煙氣中的余熱仍可利用。上海交通大學的雷承勇等人[4]開展了燃煤電站煙氣水分回收技術的試驗研究,探索了凝結水冷凝法則,研究了冷凝水捕集率和煙氣流量、水蒸氣量比例以及換熱器冷卻水流量等的關系,討論了防腐材料的選擇等。目前國內關于大型電站鍋爐煙氣冷凝與換熱的研究不多,還不夠成熟。煙氣中水蒸氣占到煙氣量的12%～16%,若將鍋爐排煙溫度降至水露點溫度以下[13],煙氣中的水蒸氣冷凝再循環,這樣對于缺水地區將大有裨益。吳乃新等人[14]提出,高濕氣煙氣和翅片管換熱器在冷卻水換熱時,大量水汽凝結,通過水處理系統捕獲水可作為再生水供給水使用。但這種模式的水分捕獲效率受冷卻水溫度和煙氣流量的影響,當冷卻水進口溫度從38 ℃降至25 ℃時,蒸汽捕集效率可以從48%提高到72%。甘露等人[15]對冷凝換熱器的材料進行了研究,結果表明,氟塑料性能優良,使用氟塑料換熱器具有阻力小、不積灰結垢、性能穩定等優點。

為了應對不斷上漲的水價和提高機組的發電效率,在20世紀90年代末和21世紀初美國和歐洲各國研究了煙氣濕氣捕集技術。經過近幾年的摸索,完成了其實驗室研究,目前正處于從中試到全面研究的過程中。在美國能源部的支持下,輸運膜凝汽器(Transport Membrane Condenser,TMC)煙氣濕氣捕集技術由美國天然氣研究所進行研發,由14個電力公司、膜材料制造商和研究機構組成了CAPWA技術聯盟[6],CAPWA在歐洲啟動的研究項目由歐盟資助。研究人員在第一階段采用數值模擬和實驗相結合的方式,對燃煤電站煙氣余熱和水分進行綜合利用探索,第二階段是第一階段的補充,著重于水和酸冷凝的規律、開發高性價比防腐換熱器、冷凝液處理方式等方面的研究[14]。美國能源部希望此技術將來能在全尺度燃煤電站鍋爐得到利用[8]。DOLKEDAHL B C等人[16]在研究回收煙氣水分時運用除濕溶液技術,對不同的溶液除濕劑的特性進行了比較,并且利用氯化鈣溶液在不同燃料的鍋爐中進行了實驗,研究了影響溶液除濕系統的因素。實驗結果表明,回收水的水質良好,工藝可行性較高。

2 煙氣余熱和水分綜合回收利用技術

換熱器是煙氣余熱回收技術的核心,在煙氣余熱回收系統設計時,有必要選取合適的換熱器[17]。常見的換熱器按換熱方式分為直接接觸式換熱器和間接接觸式換熱器。

直接接觸式余熱回收器的優點主要有:冷凝時會進行傳質,因此直接接觸式在煙氣凈化方面要優于間接式;由于高系數的傳熱傳質,使得潛熱回收較高;噴淋液對設備具備沖洗功能,并且對冷凝水有稀釋作用,因此對設備防腐要求不高;整體結構緊湊,對安裝空間要求不高。主要缺點是兩種流體相互接觸,易造成煙氣和水分換熱時污染水質[18]。

間接接觸式余熱回收器的優點主要有:兩種流體互不接觸,保證了煙氣與水換熱時水質不發生變化;對兩種流體溫度的控制能力較好;煙氣溫度降低會對煙氣有凈化的作用。主要缺點是:管壁存在熱阻,潛熱回收率較低;當煙氣冷凝時,煙氣中氣態水分轉化為液態冷凝物,但由于冷凝物呈酸性,所以要求換熱器的耐腐蝕性非常高;有限的熱交換面積和復雜的結構在安裝過程中會受到空間的限制[19]。

學者們對燃煤電站鍋爐煙氣的余熱利用和煙氣的水分利用兩部分分別進行了大量的研究,但在燃煤電站鍋爐中煙氣和水分的綜合利用還處于起步階段[12]。由于煙氣的余熱利用和煙氣水分利用相互影響,因此綜合利用燃煤電站鍋爐煙氣余熱和水分還有很長一段路要走。煙氣的余熱包含水蒸氣潛熱與煙氣顯熱兩部分[18],技術層面的可行性方法包含冷凝法、溶液法和膜法。

2.1 冷凝換熱器法

冷凝換熱器是冷凝換熱器法的核心部件,冷凝換熱器使鍋爐排煙溫度降至一定的水平,煙氣中飽和的水蒸氣被冷凝成液體,同時釋放出汽化潛熱,收集到的液體用于提高水的利用效率,釋放的汽化潛熱可以提高熱利用效率[8]。

冷凝換熱器法在電站鍋爐中的應用較為常見,如間接接觸式的煙氣冷卻器和直接接觸式的噴淋塔或者填料塔。根據實際情況,燃煤電站鍋爐的冷水機組可以安排在不同位置,甚至可分多個區域排列。主要布局形式[20-21]如下:一是放置在靜電除塵器前面;二是布置在脫硫風機和靜電除塵器之間;三是安裝在脫硫風機和脫硫塔之間;四是排煙溫度較高時,可以串聯兩級——空氣預熱器與靜電除塵器之間設置第一級(高溫段),脫硫增風機和脫硫塔之間設置第二級。由于各自的優缺點,以及電廠在煙氣余熱利用方面側重點的不同,實際工程都有相應應用。圖1為煙氣冷卻器安裝不同位置的鍋爐煙氣流程圖。因為需要除去煙塔冒白煙現象,一般會在煙塔前段安裝煙氣加熱裝置,圖1未畫出,特此說明。

圖1 煙冷器處于不同位置的鍋爐煙氣流程

圖1中,煙氣冷凝器所放的位置不同,所產生的效果也不一樣,a是指沒有安裝低溫省煤器,b是指低溫省煤器安裝于空氣預熱器和靜電除塵器之間,c是指低溫省煤器安裝于靜電除塵器和脫硫風機之間,d是指低溫省煤器安裝于脫硫風機和煙塔之間。如圖1的b部分,從空氣預熱器出來的煙氣進入低溫省煤器,實現對煙氣余熱的提取,此時煙氣中含有大量的顆粒物、硫氧化物。煙氣中的熱量經低溫省煤器傳輸到水中,煙氣中的水分遇冷凝結,從熱網水中排出。煙氣溫度降低,體積流量減小,這樣引風機出力減小,降低了廠用電的消耗。再者,煙氣溫度降低,減少了煙氣的體積流量,而總的飛灰不變,這樣單位流量的煙氣中灰和硫氧化物的含量增加,提高了除塵器和脫硫塔效率。但進入低溫省煤器的煙氣沒有除塵和脫硫,煙氣中會有較多顆粒物和硫氧化物,這樣煙氣會沖刷管壁和腐蝕管壁。因此,在空氣預熱器和靜電除塵器之間布置的低溫省煤器對換熱器管的耐磨性和耐腐蝕性要求較高。煙氣溫度的降低也會減少煙氣經過脫硫塔時水分蒸發的量,這樣減少了脫硫工藝用水。c與d中煙氣冷凝器放置不同位置產生的效果分析依舊可從引風機出力、廠用電消耗、腐蝕、除塵和脫硫工藝用水等幾個方面進行。

從脫硫塔出來的煙氣進入低溫省煤器,實現對煙氣余熱的提取,此時煙氣中大部分的顆粒物和硫氧化物已被除去。煙氣經過脫硫塔之前都會將煙溫控制在脫硫效果最佳溫度范圍內,一般為90 ℃左右[22]。脫硫塔雖然設有除霧器,但是煙氣使脫硫塔內水分蒸發,從而帶走大量的水分,當經過低溫省煤器時,煙氣中的水分遇冷大量凝結,然后從熱網水中排出,或者直接回收到脫硫塔中,減少了工藝用水。最后加熱煙氣溫度,消除煙囪冒白煙的煙羽現象,可消除視覺污染。目前,為了實現水分回收和減少白色煙羽,會采用先降溫后加熱的方式回收煙氣中的水分。首先,在除塵器之前進行降溫,回收煙氣中的熱量,在脫硫塔中對噴淋液進行降溫,使煙氣中的水蒸氣凝結;然后,通過脫硫塔的煙氣經回收煙氣中的熱量進行加熱,由煙囪排放至大氣中[23]。

煙氣中含有對換熱管有腐蝕性的硫氧化物。當換熱器的壁溫低于三氧化硫的露點溫度時,硫氧化物的腐蝕效果將增大[12]。在換熱器防腐蝕材料選取方面,可以選用氟塑料——聚四氟乙烯,能有效防止低溫腐蝕。相比于金屬不銹鋼而言,其優勢為價格低、抗腐蝕性高、柔韌性好,并且摩擦因數低,在高負荷、低速情況下,摩擦因數可以達到0.04[12]。在煙氣冷凝中,換熱器中的冷凝液含有較多的酸性物質,其pH值為1～2,因此需采用耐酸優異的材料。

由于燃煤電站煙氣余熱和水分綜合回收處于發展階段,可以借鑒燃氣冷凝采用的鎳-銅-磷涂層材料,也可以使用氟塑料,最終采用何種防腐材料需要從經濟角度加以考慮。熊英瑩等人[24]對內蒙古某600 MW褐煤機組進行了中試試驗,通過氟塑料換熱器對煙氣中的余熱和水分進行了回收,結果表明,當煙氣的溫度下降9～10 K時,該系統可實現褐煤機組濕法脫硫零水耗。

在凈煙道或吸收塔出口安裝除霧器,能脫除煙氣中大部分的石膏液,但仍有一部分液滴或者石膏液會隨著煙氣排出,當環境處于惡劣狀況時,如除霧器布置不合理、流速過高、流場不均勻等,凈煙氣中的液滴和石膏液會直接導致“石膏雨”。產生石膏雨現象的原因主要來自3個方面:除霧器效果不好、凈煙氣夾帶石膏漿液和水分、周圍的環境條件較差[25]。凈煙氣中的水分是煙囪降溫的冷凝水,如果能有效地將煙氣中的水分回收,則白色煙羽和石膏雨也能得到有效解決。

冷凝換熱器法是目前較為成熟的一種煙氣余熱和水分綜合利用的方法[26],其在燃氣鍋爐和熱水器領域的應用研究較多,但用于燃煤電站仍需要深入研究[27]。

2.2 膜凝汽器法

目前,膜法除濕得到了越來越多的研究[28],已廣泛應用于分離、提純、濃縮、凈化等工業生產中。膜的除濕機理是利用膜的兩端濃度差和膜的選擇透過性來分離蒸汽和不凝氣體,然后通過冷凝來液化水蒸氣。傳統的膜除濕原理[29]如圖2所示。

圖2 膜凝汽器法原理

許全坤和汪洋介紹了膜凝汽器法煙氣濕氣捕獲技術的研究,主要為CAPWA膜法水回收技術和TMC技術,其水的回收效率均高于40%[11]。

TMC技術使用輸運膜冷凝器從電廠煙氣中回收能量和水分。 該技術的開發是美國能源部現役電廠創新研究計劃的子項目。該計劃的主要目的是通過開發先進技術來實現電廠冷卻水循環利用,進而回收煙氣水分和利用廢熱,從而顯著降低電廠的用水量。

TMC技術是在煙囪設置一套氣膜分離裝置,煙氣流入中空陶瓷膜,膜外液體為鍋爐給水,煙氣中的水蒸氣通過3層過濾層,其他氣體成分被攔截,水蒸氣與溫度較低的鍋爐接觸,使水蒸氣凝結;同時,鍋爐給水加熱,實現熱量和水分的雙重利用。其膜組件的工作原理如圖3所示。

圖3 膜組件工作原理示意

某研究團隊對一座550 MW燃煤電廠進行了初步估算。 全面安裝氣膜分離裝置需要264個模塊。 煙氣垂直流過TMC裝置,煙氣側的壓降約為250 Pa。在燃燒煙煤的情況下,回收的水被用作濕法脫硫工藝用水,每年節約水費約144萬美元[30]。

CAPWA膜法是通過在氣道中放置選擇性膜來實現水捕獲,它只允許水分子通過而不對其他分子起作用。捕集到的水蒸氣可以冷凝并循環運輸[26,31]。 膜部件為模塊化安裝,標準制造,對應不同單元處理不同煙氣量的水捕集裝置,只需選擇不同數量的模部件即可。膜材選用先進的SPEEK,配備了這種膜式水分捕獲裝置,效率會提高40%。600 MW機組煙氣水分回收率約為150 t/h[30]。

陳海平等人[32]制備了涂覆有磺化聚醚醚酮(磺化度56%)的聚醚砜中空纖維膜,應用于火電廠煙氣中水蒸氣的回收利用; 并且研究了不同氣體流量、煙氣溫度對滲透系數和回收率的影響。 文獻[33]的試驗結果表明,600 MW機組脫硫后的60 ℃濕煙氣在有效長度為500 mm的200萬個中空纖維膜下進行回收,可回收率為37.9 t/h,水回收率為28.3%,煙氣露點溫度降低了6.5 ℃。

目前膜材料的種類繁多,有各種形式的膜組件,既有較高的水蒸氣選擇性,又有較高的滲透性,但適合燃煤煙氣除濕的膜材料還很少[16]。與其他除濕技術相比,膜法有很多優點,如無腐蝕問題,無運動部件,能耗低,除濕過程連續,無閥切換等[34]。用于回收煙氣水分的膜分離技術應用前景廣闊。

2.3 溶液吸收法

溶液吸收法根據蒸汽壓差驅動溶液和煙氣之間的水蒸氣遷移,同時釋放并吸收汽化潛熱。該過程包括再生和除濕兩個步驟。 如采用具有吸濕性的溶液作為干燥劑,如三甘醇、氯化鋰、溴化鋰、氯化鈣等物質在水溶液中,與煙氣直接接觸以實現水分的遷移。當除濕溶液的水蒸氣分壓力小于煙氣中水蒸氣的分壓力時,煙氣中的水分會遷移到溶液中,即為除濕過程,反之亦然,用于溶液的再生[29]。

溶液蒸汽分壓遠低于煙氣中水蒸氣的分壓,與冷凝法相比,出口煙氣更處于不飽和狀態,因此溶液吸收法可以回收更多的水蒸氣[35]。在空調領域的溶液吸收法相對成熟,溶液除濕裝置及設備也已實現產業化[36],已有部分研究者將此技術推廣到燃煤電站煙氣除濕領域。

除濕溶液的選擇很關鍵,影響著除濕的效果,需綜合考慮成本、除濕(再生) 性能、溶液結晶性、熱濕傳遞性能、腐蝕性等條件,并且滿足大煙氣量下的需求。目前在燃氣電廠應用較多的是溶液吸收法中的噴淋吸收法[18]。噴淋吸收法是效仿濕法脫硫而來的,通過噴淋高濃度的除濕劑吸取煙氣中的水分,轉化為液態,然后將水分分離出來就能回收煙氣中的水分。噴淋吸收技術通過高效螺旋形霧化噴嘴噴出很細的霧狀液滴,然后與煙氣直接接觸,這樣換熱效果會更好[37]。

噴淋吸熱吸水裝置如圖4所示。

圖4 噴淋吸熱吸水裝置

此裝置分為3個系統:一系統為煙氣通道系統,1→3→2;二系統為高濃度溶質的循環水,4→5→6→7→8→3→4;三系統為換熱水,9→10。首先,煙氣從進口1進入到塔體3中,塔頂部噴淋的高濃度液體會與氣中的水進行換熱,吸收煙氣中的熱量。由于噴淋的液體濃度較高,會吸收煙氣中的水分,在重力的作用下,噴淋液會降到塔體底部變為低濃度液體,而煙氣會從位置2出去。從塔體底部出來的液體在換熱器中進行換熱,此換熱方式為逆流布置,用以增大換熱量,因此位置9進水,位置10出水。經過換熱后的水分進入除雜質保溫池中,對低濃度液體中的雜質進行清除,然后進入到位置6。位置6的作用是將低濃度的液體變為高濃度液體,具體操作可以通過滲透膜將低濃度的水排走而變為高濃度水,再通過泵將高濃度水上升到積液槽中,積液槽內的高濃度水再在塔體頂部進行噴淋,如此循環[13]。此裝置的熱量通過換熱器被帶走,水分通過位置6對低濃度中的水分進行回收利用。位置3類似一個吸收器,位置6類似一個發生器。此裝置中,噴嘴是一個關鍵部件。朱進林[38]研究發現,在底座上面增設分流槽,擴大底座直徑,可使噴淋出來的水花更加均勻,從而增大盤管液體薄膜的傳熱特性,提高傳熱效果。

相比冷凝法,溶液吸收法具有一定的優勢,如余熱和水分回收的潛力較大,能除去煙氣的灰分等雜質,能有效地避免煙囪冒白煙等現象,降低煙囪被腐蝕。但煙氣通過溶液具有一定的流速,因此在余熱和水分綜合回收時,需要安裝配套的溶液處理和再生系統,防止鹽溶液被煙氣帶走。

2.4 3種方法對比

冷凝法系統簡單,發展較為成熟,在國內外有很多工業示范,因熱量品位低,大多通過熱泵提升品位后對用戶供暖;膜法前景較好,具有系統簡單的優勢,但是膜材料的選取及制備還需提高,可靠性和水分的回收性能還有待加強,因此開發出適用燃煤電站煙氣條件下的膜材料是當務之急;溶液吸收法的余熱回收和除濕潛力最大,凈煙氣的相對濕度最低,有望根治石膏雨和有色煙雨現象,但溶液的后處理工藝有待提高,需要研究該工藝的最佳流程和相關參數[38]。

3 結 語

燃煤電站鍋爐煙氣余熱與水分利用相互影響,如何在余熱利用最大化的同時增加水分回收仍需要深入研究。從節能環保和效益兩方面考慮,燃煤電站煙氣余熱和水分綜合利用的研究前景會較好,其材料仍是研究的重點。需要進一步研究新型相變換熱器的結構材質,并進行性能優化,如經濟型抗腐蝕凝聚材質的遴選、煤電煙氣水分凝結和結垢形成的機制、新型相變凝聚器煙氣阻力的優化及換熱的強化技術。借鑒國外先進的研究成果,開發出適合中國燃煤電廠煙氣余熱和水分綜合回收的軟件是當務之急。隨著環保要求的提高,燃煤煙氣水分凝結回收與多污染物協同脫除技術有待研究,如濕法脫硫工藝煙氣溫度特性和煙氣水分凝結的析出規律、燃煤煙氣凝結水的處理及利用技術、燃煤煙氣相變凝聚過程中多污染物的協同深度脫出特性等。