燃煤電廠煙氣冷凝再熱技術現狀及展望

馬再山，楊寶昌

（遼寧沈煤紅陽熱電有限公司，遼寧沈陽，211081）

0 引言

煤炭是我國最主要的一次能源，2019年煤炭消費在我國全部能源消費中的占比仍接近60%。絕大部分煤炭的利用為直接燃燒，這一過程會排放大量含有污染物，如SOx、NOx、煙塵和SO3等可凝結顆粒物等的煙氣，對區域環境和人類健康等均會造成重大影響。自“十三五”以來，我國大氣污染防治政策日益嚴格，國內燃煤電廠等相繼進行了煙氣超低排放的建設或改造，主要采用“低氮燃燒+SCR/SNCR脫硝+電除塵器+濕式電除塵”的工藝路線，并要求完善相關的節能管理措施等，以達到顆粒物、SO2、NOx的排放限值不高于5mg/Nm3，30mg/Nm3和50mg/Nm3（標況，6%O2）的目標。

目前，我國90%以上的燃煤電廠脫硫設施采用的是石灰石石膏濕法脫硫工藝。盡管該法可高效地脫除SO2和PM10，但其排放的煙氣為飽和濕煙氣（50℃左右），水分含量較高（約為12%-18%），且會攜帶大量的可凝結顆粒物、可溶鹽等物質。此類煙氣的排放一方面浪費大量的水資源和余熱，且會加劇煙囪的腐蝕；另一方面，排放到大氣中的煙氣在陽光折射下會產生“煙羽”現象，影響電廠周圍區域的居民。近年來，煙羽現象日益引起關注， 我國上海、天津、浙江和河北等省市自2017年起相繼出臺了有關燃煤電廠煙羽治理的政策法規等，要求燃煤電廠采用煙溫控制及其他有效措施，消除石膏雨和有色煙羽等現象（即“消白”）[1]。本文針對燃煤電廠煙羽控制這一問題，主要分析了煙羽的形成機理，主要的“消白”技術路線及發展方向，并對該技術的未來發展提出了展望。

1 煙羽形成及消白機理

燃煤鍋爐產生的煙氣在低氮燃燒、SCR/SNCR和電除塵器等一系列環保裝置處理后，進入濕法脫硫塔。在脫硫塔內煙氣經過洗滌后被冷卻，脫硫溶液中的水分則汽化為水蒸氣，且其水蒸氣含量接近飽和，而煙氣溫度一般不高于60℃之間。以300MW機組為例，脫硫后煙氣攜帶水分超過100t/h。600MW機組的脫硫后煙氣中水蒸氣含量為200t/h。一般來說，濕煙氣中的成份比較復雜，我們將其簡化為濕空氣，通過分析其與環境空氣的混合過程來解釋燃煤電廠白色煙羽的產生與消除機理。根據工程熱力學的原理，空氣的含濕圖如圖1所示[2]。

圖1上A點為脫硫系統脫硫后煙囪出口處煙氣的狀態點，E點為環境中空氣的狀態點，而煙囪出口處煙氣與環境中空氣的混合過程為AE連線的變化過程。顯然，脫硫塔排煙溫度高于環境空氣溫度，且該溫度下單位質量的空氣含濕量也遠高于環境空氣。當煙氣從煙囪直接排入大氣后，即與環境空氣發生混合過程（圖1中A到B過程）。隨著混合過程的進一步發展，濕煙氣溫度與濕度的降低，煙氣狀態由B點沿著曲線BCD變化。由于飽和濕煙氣溫度高于環境空氣溫度，原煙氣中的水汽會因為過飽和而凝結析出小水滴，對太陽光產生折射或散射，產生灰色或白色的煙羽。當煙氣與環境空氣進一步混合，其狀態可從D點變化為E點，濕煙氣向未飽和狀態轉變，煙氣中的小水滴逐漸蒸發，視覺上的白色煙羽開始消散。此外，從脫硫塔出來的濕煙氣，除水蒸氣外，也有可溶液、SO3等可凝結顆粒物以及溶解性固體等。這些物質在進入大氣之后會在大氣中逐漸成核長大，產生細微顆粒物，從而加重煙羽現象。

2 煙氣冷凝再熱消白技術

燃煤煙氣的消白是一個較為復雜的煙氣綜合治理工程。一般而言，煙羽的消除可以從控制燃煤煙氣的可溶液、可凝結顆粒物濃度、煙氣含濕量和煙氣排放溫度等幾個方面進行。另外，除白色煙羽的消除外，也因考慮到消白過程中的水資源循環利用和余熱回收等事宜，以期在排放達標的前提下，提高這一過程的技術經濟性，為業主單位帶來一定經濟效益。目前的煙氣消白技術主要有分別以下3大類，即煙氣再熱技術、煙氣冷凝技術和煙氣冷凝再加熱的組合技術。

2.1 煙氣再熱技術

煙氣再熱技術可將進入電廠煙囪前的飽和濕煙氣進行加熱，升高濕煙氣的溫度。在保持濕煙氣的絕對含濕量不變的同時，減小其相對含濕量，使得煙氣在升溫后進入不飽和狀態（即升溫之后煙氣相對濕度小于升溫后的飽和濕度），從而達到消白的目的。該方法具有系統簡單，一次投資費用低的特點，但運行費用相對較高，與煙氣量和升溫溫差直接相關，且無法去除脫硫塔內攜帶的可溶鹽和PM2.5和SO3等細微顆粒物。一般而言，該方法的運行成本較高。姚國華等報道上海外高橋第二發電有限責任公司通過加熱煙氣來實現白色煙羽的消除，然而該廠為了保持規定的排煙溫度75℃，消耗了大量的輔助蒸汽來彌補加熱器熱量[3]。間接加熱技術主要有GGH、MGGH和蒸汽加熱器等。GGH通常利用煙氣余熱，運行費用較低，但易發生積灰、堵塞現象。目前，水媒式煙氣-煙氣換熱器(MGGH)在煙氣加熱技術中因其較緊湊的結構和較小的占地面積，應用最為廣泛。

2.2 煙氣冷凝技術

煙氣冷凝技術是通過換熱的方法，將鍋爐煙氣溫度冷卻到一定值。在煙氣降溫過程中隨著濕煙氣溫度的降低，煙氣的絕對含濕量大大降低，煙氣中的水汽會大量的凝結析出供回收利用。該技術不但有利于水資源的循環利用，也可以大幅度降低煙氣中PM2.5和SO3等多種污染物的濃度。然而冷凝后的煙氣仍為該溫度下的飽和煙氣。若將該煙氣直接排放的話，當冷凝后的煙氣溫度高于大氣環境溫度時，該煙氣與大氣環境混合，仍會產生煙羽污染環境。

目前，冷凝技術分為直接換熱和間接換熱法兩大類。直接法一般采用較低溫度循環水直接與煙氣接觸降溫，主要在噴淋脫硫塔內完成，通過“煙氣—漿液— 循環冷卻水”三者之間的換熱來降低煙囪入口的煙氣濕度和溫度，達到“消白”的目的。采用直接法時，冷媒與飽和濕煙氣直接接觸進行劇烈的熱量交換，換熱效率高，系統復雜。而間接法主要采用換熱器進行，飽和濕煙氣不與冷媒直接接觸[4]?？紤]到燃煤煙氣中含一定量硫分，具有腐蝕性，其材料一般選用不銹鋼或氟塑料。

2.3 煙氣冷凝再熱技術

煙氣冷凝再熱技術是前述的煙氣再熱技術和煙氣冷凝技術的有機結合，其技術路線如圖2所示。這一技術的煙氣消白原理是通過冷凝換熱的方式將煙氣降溫，使煙氣達到過飽和狀態，飽和水汽凝結成水后析出，可供電廠循環使用；采用除霧器等裝置去除凝結水后，再由煙氣再熱裝置提高凈煙氣溫度，同時降低濕煙氣的相對含濕量，從而消除煙羽。目前，煙氣冷凝再熱技術在燃氣鍋爐上有一定應用，除了能夠回收煙氣余熱外，該方法也有利于降低煙氣中的細顆粒物和SO2排放。目前，該方法的冷凝過程主要采用水媒式煙氣-煙氣換熱器(MGGH)。這種換熱器以其較緊湊的結構和較小的占地面積，目前應用較為廣泛。該技術是對傳統回轉式煙氣加熱器的升級改進，一般使用時會在除塵器前和煙囪入口煙道分別布置2個換熱器(煙氣冷卻器和煙氣再熱器)，以水為介質，將原煙氣的熱量用于加熱凈化后的煙氣，以提高凈煙氣排煙溫度，達到消白的目的[4]。該技術同時也能夠避免傳統GGH存在的積灰堵塞現象，提高了系統的可靠性，目前，MGGH己在國內外多臺1000MW機組上得到成功應用，有著很廣闊的應用前景。

圖2 燃煤煙氣冷凝再熱系統流程圖

在該方法中，隨著煙氣的溫度降低，飽和濕煙氣進入濕式相變冷凝裝置內部后遇冷降溫，所含水蒸氣發生相變凝結。凝結后的水蒸氣可以與煙氣中的污染物和液滴等發生碰撞，且以煙氣中的SO2和細顆粒物等為凝結核發生團聚長大，逐步團聚長大。通過控制裝置內部冷凝管壁面的溫度，可進一步控制飽和濕煙氣的相變程度。在冷凝裝置內部的溫度梯度作用下，長大后的顆粒物向冷凝壁面移動，附著在冷凝管表面的液膜上，在重力作用下隨液膜流動到裝置底部后收集。王豐吉等改造了由三級屋脊式高效除霧器和冷凝濕膜層組成的冷凝式除霧器，在50%和100%負荷工況下進行試驗，發現隨著冷卻器換熱量的增加，該系統對霧滴、煙塵及 SO3的脫除效果越好[5]。目前，目前國內德梅斯特環?？萍加邢薰疽褜⒃摷夹g應用在國內數十個電廠的脫硫系統中。煙氣經過超精細分離器后，凈煙氣中大于13微米的液滴100%被去除分離，小于10微米的液滴40～70%被去除分離，霧滴含量不高于15mg/Nm3。而且冷凝過程可產生源源不斷的冷凝水，在起到除霧消白作用的同時，不斷對下方除霧器進行沖洗，防止系統堵塞。

通過兩種技術的聯用，一方面可以達到節水、煙氣中多種污染物同時消除的目的；此外，吸熱段降低原煙氣溫度可減少脫硫漿液的蒸發量，凈煙氣的濕度和溫度也會降低，煙氣冷凝器換熱量也相應減少。另一方面，由于煙氣的含濕量大幅降低，煙氣再熱幅度相對比直接再熱小，煙氣再熱的所需的能量會大大降低，可有效降低整體系統的運行成本。該技術具有的優勢可以有效緩解極端天氣狀況（如冬季低溫、高濕等）下和高寒地區等在消白過程中存在的煙氣的加熱臨界溫度過高或冷凝臨界溫度過低的問題[2]。

圖3 燃煤煙氣冷凝消白原理及裝置

2.4 燃煤電廠冷凝再熱系統的技術經濟性分析

目前，用于煙氣消白的技術路線主要有以上三大類，但這三類技術的適用范圍、投資和運行成本的等各不相同，需要根據項目實際情況展開分析。除消白以外，同樣也要考慮業主單位循環水回用和余熱利用方面的因素。一般情況下，排煙溫度每升高10K，排煙熱損失增加0.6%-1.0%，而發電煤耗增加2g/(kW·h)左右。顯然通過冷凝再熱的方法使得燃煤電廠的煙氣余熱在消白過程中得到回用，具有巨大的意義和經濟效益。

余波等以常州某連鑄廠為例，針對其量10.5萬m3/h（工況），排煙溫度60℃的燃燒爐煙氣開展消白技術經濟性和環境影響的分析。通過對直接加熱法和直接冷凝法兩種消白工藝路線進行比較發現，直接加熱法需增加一臺熱風爐，主要消耗高爐煤氣進行補熱；而直接降溫法主要消耗電力，但需要新增體積較大的噴淋塔和冷卻塔，占地面積較大。直接加熱法的年運行成本245萬元，而直接降溫法的年運行費用僅為直接加熱法的45.7%，約112萬元。

而當環境溫度低于5℃時，只能運用煙氣冷凝再熱的白色煙氣深度處理技術路線。王琳等通過建立數學模型，運用數值計算詳細分析了“濕煙羽”形成和消散機理，對煙氣加熱法、煙氣冷凝法、冷凝再熱法和膜回收煙氣水分法4種消白技術進行理論分析，利用濕煙羽預測模型定量計算了4種濕煙羽消除技術的參數選擇。結果表明采用煙氣加熱法在環境溫度低于5℃，相對濕度大于40%時，煙氣需要加熱至100℃以上方可實現消白目的，其經濟性較差；采用冷凝法時，當環境溫度低于0℃，環境相對濕度大于40%時，需要將煙氣冷凝到低于16℃，當環境溫度較低時，單獨采用煙氣冷凝法不可行。而煙氣冷凝再熱法時，冷凝溫度越低，再熱溫度隨之降低，當環境溫度高于5℃，煙氣冷凝至40℃時，再熱溫度不高于80℃，在較大的環境溫度和相對濕度范圍內，冷凝再熱法具有技術可行性。采用膜回收法時，當環境溫度大于15℃、水回收率達到40%時，基本無白煙產生，而環境溫度低于5℃時，水回收率要達到60%以上才可實現消白，但目前缺少適合電廠燃煤煙氣的低成本耐用性好的膜材料。

為了更好的降低能量消耗、減少污染物的排放、完全消除煙囪“濕煙羽”現象，舒喜等以某300MW機組為例，對煙氣冷凝再熱復合技術與常規 MGGH 技術進行技術可行性和經濟性的對比分析。結果表明，采用煙氣冷凝再熱復合技術雖然需要增加煙氣冷凝器，但可有效降低煙氣再熱器的換熱面積，在環境溫度較低時(即5℃左右)，冷凝再熱復合技術與MGGH技術總體投資費用基本不變。此外，該技術可以進一步降低SO3、細顆粒物等污染物和水汽的排放，減少加熱過程的能耗，實現節水減排(效果與降溫幅度相關)。冬季氣溫低時也可有效保證消白效果，具有較好的經濟和環境效益。此外，冷凝法回收的水處理后可用作電廠循環冷卻水補水以及脫硫工藝水，當煙氣溫度降低9-10℃時，回收水分作為脫硫系統補水可實現脫硫系統零水耗。

目前，已有越來越多的燃煤電廠進行了煙氣消白項目的建設，考慮到濕煙氣直接排放可導致煙囪腐蝕等問題，非金屬材料換熱器在消白技術的發展過程中逐漸成為熱點。非金屬材料換熱器具有耐腐蝕、耐高溫以及不粘性，可在露點以下溫度的尾氣中長周期使用，也不會積灰。生產過程中，非金屬材料換熱器可以通過減薄管壁提高導熱性、小管徑增加換熱面和傳熱效果，使實際制造的非金屬材料換熱器換熱效率和成本均優于金屬換熱器。一般非金屬材料換熱器的材質包括氟塑料、PE、PVC等，但目前氟塑料換熱器以其較高的耐熱溫度（不低于250℃）和較高的換熱系數（接近金屬換熱器），已逐漸成為主流。王猛等發現在脫硫塔后使用聚四氟乙烯換熱器能夠節水30%以上，并且脫硫凈煙氣含水量的下降，從而夠減緩煙囪的腐蝕。另外該換熱器可從脫硫后的凈煙氣中獲取大量的熱能，產生可觀的經濟效益。改造后的脫硫系統換熱器進出口溫差為7℃。該部分熱量被凝結水吸收而帶入鍋爐補水系統，實現余熱的回收利用。周黎旸等報道采用該類換熱器后，1套125MW燃煤機組每年可節約標煤10kt以上。徐祥根等在某電廠試驗中，同樣發現低溫煙氣經過氟塑料換熱器后，在換熱管束外部冷凝液的帶動下，設備除塵效率可達77%，顯著減少了白色煙羽的排放。胡清等經對某1000MW機組氟塑料換熱器進行經濟性計算分析，發現該技術具有適用性強和調節性好等特點，系統投資回收期約5.61年。馮國華等于巨化熱電有限公司8號機組280t/h項目測試中發現，在脫硫塔后安裝氟塑料換熱器后，煙溫可降低3℃～4℃，且安裝后顆粒物排放濃度穩定低于5mg/m3，且SO3的去除效率約為20%，有效緩解了白煙排放，具有較好的經濟效益和環境效益。

3 結論

煙氣冷凝再加熱技術可有效降低煙氣的含濕量，對冷凝形成的液滴實現有效捕集，同時實現節能、節水、多污染減排、消除白色煙羽等多種功能，具有良好的環境、經濟、社會效應，符合我國節能減排的政策要求，為我國煙煤電廠節能減排和治理白色煙羽提供了很好的技術改造思路，具有較好的應用前景。非金屬材料換熱器以其低成本、高換熱系數、耐腐蝕等優點在煙羽消除技術方面日益受到關注。具體的設計方案和參數建議充分考慮到各地季節氣候變化、負荷高低對各方案經濟性的影響，最后確定改造技術路線和最終改造方案。