新一代媒介式煙氣—煙氣換熱器在小型機組系統布置方案研究

潘志越

(福建永福電力設計股份有限公司，福建 福州 350108)

煙氣—煙氣換熱器(Gas-Gas Heater,簡稱GGH)作為燃煤電站煙氣處理設備，具有消除煙囪“白煙”、改善煙氣排放等優點。由于初投資大、系統復雜等原因，GGH的研究與應用主要集中于各大發電集團的大中型機組[1-2]，而在小型機組中還較少。特別是在福建省內，GGH系統在熱電聯產小型機組中尚無應用先例。鑒于此，以省重點項目福鼎熱電廠工程為例，結合實際工程條件與環保政策，對不同布置方案進行對比分析，確定技術、經濟效益最優的方案，為類似工程提供借鑒與參考。

1 GGH系統概述

1.1 GGH應用背景

火電行業燃煤機組煙氣脫硫工藝以石灰石-石膏濕法為主，該工藝更是燃煤電廠煙氣脫硫的首選工藝。如果脫硫后的煙氣不經加熱直接排放，則煙囪出口溫度在45～55℃之間，屬于攜帶有飽和水的濕煙氣，導致煙囪出口形成白色的“煙柱”。電廠“冒白煙”的現象普遍受到公眾的質疑和誤解，給電廠生產帶來了很大壓力。

脫硫后的凈煙氣由于排放溫度較低，密度較大，自煙囪排出后，不能迅速抬升并擴散到大氣中。煙氣中攜帶的微小石膏漿液滴聚集在煙囪附近并落到地面，形成“石膏雨”現象。沉降的微小液滴呈酸性，會對沉降區域內的設備、設施和建筑物造成損害，也會對周邊地區的生產和生活帶來不良影響。

1.2 GGH裝置

GGH裝置的基本原理如圖1所示，其通過轉子中的數萬個換熱元件持續不斷地交替從脫硫前原煙氣側吸熱并向脫硫后凈煙氣側放熱，以提高排放煙氣溫度。其原理類似于回轉式空預器，因此又稱為回轉式或再生式GGH (Regenerative Gas-Gas Heater，簡稱RGGH)。

GGH裝置通過從脫硫前原煙氣吸熱，降低了進入吸收塔的煙氣溫度，可減少脫硫系統耗水量，相對的低溫可降低塔內對防腐的工藝技術要求；另一方面，GGH加熱脫硫后凈煙氣，減少煙氣冷凝結霧，有效緩解煙囪“冒白煙”現象；促進煙囪排煙擴散，解決了“石膏雨”問題。同時，加熱后的煙氣對GGH出口煙道和煙囪的腐蝕減輕，降低煙囪防腐維護成本，提高設備安全性。

1.3 MGGH系統

在日本的火電廠，為了增強煙氣的擴散能力，減輕對本土的污染，幾乎所有的濕法煙氣脫硫系統后均設置了GGH裝置。GGH的大規模應用，加上地方環保法規日益嚴格，促進了GGH技術的迅速發展。

但在實際運行中，RGGH換熱元件易腐蝕、堵塞等固有缺陷也逐漸凸顯。針對傳統RGGH的缺點，日本三菱公司于1997年研發了取代傳統RGGH的新一代媒介式煙氣-煙氣換熱器(Medium Gas-Gas Heater, 簡稱MGGH)，并成功應用于工程實踐[3]。

典型的MGGH系統流程如圖2所示。MGGH系統由煙氣冷卻器，煙氣加熱器、熱媒平衡罐、輔助加熱器、循環泵及電控裝置等組成。基本原理是利用原煙氣的熱量通過煙氣冷卻器的換熱管加熱熱媒介質(一般采用水)，再利用加熱后的熱媒介質循環至煙氣加熱器的換熱管以加熱凈煙氣。熱媒水在管路中形成閉式循環。在鍋爐低負荷時，采用熱助加熱系統對熱媒水進行加熱，以保證煙氣加熱器出口煙氣溫度。熱媒水補充系統的作用是在系統啟動前注水以及運行中補水。

與傳統RGGH系統對比，MGGH具有以下優點。

(1)無泄漏。在RGGH中，由于原煙氣與凈煙氣側存在壓差，不可避免產生煙氣泄露。而MGGH的煙氣冷卻器和煙氣加熱器獨立布置，降溫側和升溫側完全分開，保證了在熱煙氣和冷煙氣之間無煙氣和飛灰泄漏。

(2)布置靈活。由于煙氣與煙氣之間換熱系數低，RGGH中布置數萬個傳熱元件，外形笨重，占地面積大。而MGGH的煙氣冷卻器和煙氣加熱器布置可根據工藝流程優化，特別是對于改造工程，可因地制宜優化布置設備及煙道，節約投資成本。

(3)避免腐蝕。MGGH在運行中可通過控制循環熱煤水的流量來調節換熱量，保持煙氣側溫度始終高于酸露點，以防止SO2腐蝕。

(4)可靠性高。RGGH中容易造成煙塵的沉積和結垢，影響換熱效果；在鍋爐低負荷工況下，RGGH也缺乏提高煙氣溫度的手段。而MGGH中無易堵塞的換熱原件，也可通過控制熱煤水的循環流量和溫度保證系統穩定運行。

(5)熱經濟性高。熱媒水在煙氣冷卻器中吸收的熱量除了用于加熱凈煙氣，也可用于加熱凝結水系統，提高熱循環效率。

1.4 GGH在我國的發展與應用

我國火電行業在GGH的認識與應用上經歷過曲折與反復。在1979年，南京下關電廠安裝了國內首套GGH裝置[4]。隨著濕法脫硫的大規模運用，GGH也開始大量推廣。據統計，到2004年國內火電廠中采用GGH的約占80%以上，其中基本是RGGH。

根據行業對FGD的運行跟蹤，幾乎所有的GGH在運行過程中都出現了故障。GGH的投資約占濕法脫硫的15%左右，但其引發的問題已經成為制約脫硫系統長期穩定運行的瓶頸。當時流行的觀點是：取消GGH可簡化煙氣系統，提高FGD系統可靠性[5-6]。因此，此后部分新建機組不再要求安裝GGH，部分已安裝的機組開始拆除。

近年來，濕煙囪排放帶來的“冒白煙”、石膏雨等問題又逐漸引起社會關注。有研究甚至認為，溫度低、濕度大的電廠排煙是形成霧霾的根本原因[7]。2014年至今，隨著“超凈排放”標準的提出，MGGH、低溫省煤器、低低溫電除塵器、電袋除塵器、濕式除塵器等新型煙氣凈化裝置百花齊放。曾經僅是脫硫系統中附屬設備的GGH，已發展為協同煙氣凈化技術中的重要一環。

2 工程條件

2.1 工程概況

福能集團晉南熱電廠工程為福建省2017—2019年重點建設項目。項目位于晉江市深滬灣東海垵工業區，新建3×300 t/h循環流化床鍋爐，配套新建2×30 MW抽汽背壓汽輪機組。以熱電聯產、集中供熱的方式替代園區內67臺企業自備燃煤工業蒸汽/導熱油鍋爐和17根煙囪，具有顯著環保和社會效益。

2.2 鍋爐參數

鍋爐為杭州鍋爐集團股份有限公司設計制造的NG-300/13.7/540-M型單循環流化床、高溫超高壓自然循環鍋爐。BMCR工況主要參數如表1所示。

表1 鍋爐主要參數

2.3 煤質條件

本工程設計煤種為神華煙煤，校核煤種為神華煙煤與天湖山無煙煤混煤。煤質資料詳見表2。

表2 本工程煤質資料

3 MGGH系統技術方案

本項目為小型熱電聯產機組，能源綜合利用效率很高。考慮到煙氣側的控制難度、熱力系統簡化、系統可靠性以及投資性價比等因素，選用簡單MGGH系統，即熱媒水僅在煙氣冷卻器與煙氣加熱器之間循環流動傳熱，而不參與機組熱力循環。

3.1 比選技術方案

MGGH系統的核心設備——煙氣冷卻器與煙氣加熱器，可在FGD前后分別獨立靈活布置。對于本工程，根據煙氣冷卻器與除塵器、引風機相對位置的不同，有3種布置方案，如圖3所示。

3種工藝方案各有利弊，初步對比3種方案的優缺點如表2所示。

表3 3種煙氣冷卻器布置方案初步對比

3.2 對比分析

3.2.1 方案一

從本項目煤質與飛灰成分分析，根據相關選型標準，設計煤種與校核煤種均滿足電除塵器除塵指標，可以選用靜電除塵器或電袋除塵器。

方案一在工程實際中大多與低低溫靜電除塵器配套采用。實際上，換熱器(低低溫省煤器或MGGH或二者聯合)+低低溫除塵器的系統配置，也是目前燃煤電站“超凈排放”的典型方案之一[8]。低低溫除塵器的理論依據與SO3煙氣調質(FGC)相類似。飛灰溫度在225℃以上時，體積導電占主導作用；而在143℃以下時，表面導電占主導作用。表面導電性主要取決于煙氣中SO3含量。溫度低于酸露點時，SO3冷凝成硫酸霧滴，吸附在飛灰顆粒表面，其表面電導率增大，容易被除塵器捕捉。

影響靜電除塵效率的最大的因素是飛灰比電阻。在1010～1011Ω·cm數量級時，為靜電除塵器最佳運行范圍。從本項目飛灰數據分析，校核煤種飛灰的低溫特性適宜采用低低溫除塵器；對于設計煤種，雖然在低低溫下降低了一個數量級，但仍處于高比電阻區間，不利于靜電除塵。

從低低溫除塵器的協同脫硫效果分析。低低溫靜電除塵器脫硫的基本判據是灰硫比[9]，對中低硫分煤種，一般要求灰硫比大于100。本工程脫硝出口的SO3的轉化率按照2.5%(原始SO3轉化率取1.5%，脫硝SO3轉化率取1%)計算，除塵器進口的灰硫比分別為179/297(設計/校核煤種)，滿足除塵器脫硫條件。

因此，本工程采用低低溫除塵器是基本合適的。設計煤種飛灰比電阻偏高的問題，可進一步采用高頻電源的手段加以彌補。本工程采用五電場低低溫靜電除塵器(一、二電場配高頻電源)+高效濕法脫硫配高效除霧器的聯合除塵工藝。除塵器除塵效率不低于99.925%，可滿足重點地區新建燃煤機組10 mg/m3的最新排放標準。

對于受熱面易磨損的問題，在設計上應采取加裝防磨瓦、分組分區布置受熱面等措施，運行中也需及時吹灰、更換磨損管子等。因此MGGH制造、運維費用均高于方案二。另外，低低溫引風機需采取防腐措施，如鎳基自熔合金噴涂葉片等。

3.2.2 方案二

方案二的最大優勢在于煙氣冷卻器運行條件好。受熱面處于除塵器后的低塵環境，換熱管束磨損強度大大降低，設計中無需考慮特殊防磨措施，節約了MGGH設備造價；同時，也能緩解受熱面積灰造成換熱系數下降的問題，因此換熱器運行可靠性很高，維護費用低廉。

從對應除塵器配置來看，方案二如果選用普通五電場靜電除塵器無法滿足所需除塵效率，而換熱器后置又不滿足采用低低溫靜電除塵器的先決條件，因此只能選用電袋除塵器。與靜電除塵器相比，電袋除塵器具有煤種適應性強、除塵效率高、單位容量造價低等優點。經與相關廠家溝通咨詢，本工程如選用電袋除塵器(二電場二袋區，相同保證效率)，較方案一節約造價約50萬元。

但另一方面，電袋除塵器也存在運行阻力大的顯著缺點。如選用電袋除塵器，煙風系統阻力較方案一增加600 Pa左右；而且電袋除塵器存在濾袋成本高、壽命有限(一般不超過5年)、更換濾袋工作量較大等問題，造成其維護費用高于靜電除塵器。

從對引風機影響方面，電袋除塵器增加的額外壓損導致引風機運行壓頭、選型壓頭均高于方案一，而且同樣運行于低低溫環境，必須考慮防腐手段。因此引風機投資、運行費用均高于方案一。

3.2.3 方案三

與方案二相比，方案三中的煙氣冷卻器運行條件得到進一步優化。不但含塵量低，而且可利用引風機對煙氣的溫升效應。經計算，本工程引風機后煙氣溫度增加約為11.8℃，冷卻器中煙氣側與水側換熱溫差增大，在保證同等換熱效果的前提下，可減少受熱面數量，設備設計、制造更加緊湊，初投資費用降低。經相關廠家估算，可較方案一節約投資45.5萬元，較為顯著。

方案三中的引風機運行條件也最為優越。其輸送介質為高溫煙氣，始終運行在酸露點以上，無低溫腐蝕風險，無需考慮葉片防腐等措施，制造成本、維護費用均較低。但是，鑒于與方案二同樣的原因，方案三只能配套采用電袋除塵器，煙風運行阻力增加較多。而且引風機實際煙氣量大，導致其運行電耗較方案二進一步增加。經計算，方案三在BMCR工況下的運行電耗分別較方案一、方案二增大了7.6%、16.9%。值得注意的是，方案三引風機TB點的工況參數與方案二相同，其能耗高的劣勢并不體現在造價中，而得益于無需防腐方面的成本投入，引風機投資甚至還略低于方案二。

3.2.4 綜合對比

3種方案的經濟性比較見表4(年運行小時數按5 000 h，度電成本按上網電價0.393 2元/kWh考慮)。可見，方案一的初投資最高，較方案二、方案三分別增加51萬元、94.5萬元，但后期運行維護投入最低；方案三的情況正好與之相反，方案二則處于二者之間。

表4 三種方案經濟性對比

方案一得益于靜電除塵器運維費用低、引風機節能方面的優點，雖然初投資最高，但從投運約3年起，其經濟性最優，而且隨著投運時間的增加，其優勢不斷擴大。另外，方案一可利用低低溫除塵器協同脫硫，具有減少脫硫系統耗水的額外收益。方案三的優勢在于初投資最低，但被引風機耗電高的巨大劣勢完全抵消，故不推薦采用。綜合而言，方案一為本工程MGGH的系統最佳配置方案。

3.3 運行效果

福鼎熱電廠已于2019年12月正式運行。采用方案一配置的MGGH系統運行穩定、效果良好，為打造“一流火電廠”、維護工業區良好形象起到關鍵作用。

4 結語

(1)MGGH系統消除煙囪“白煙”、改善煙氣排放、運行可靠等優點，是今后“超凈排放”電廠的重要方向。

(2)MGGH系統方案不可孤立分析，其最優方案應結合實際工程條件與除塵器、引風機的配置綜合分析確定。

(3)對于本項目，采用煙氣冷卻位于除塵器前的MGGH系統與低低溫靜電除塵器的布置方案有利于除塵器運行、節約引風機電耗、除塵器可協同脫硫，經濟性也最優。