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锅炉湿法脱硫系统排烟除湿脱白的技术途径探讨

2018-09-13 14:41:45来源:清洁高效燃煤发电微信浏览:评论:0

  本文探讨燃煤锅炉各种湿法脱硫系统降排烟除湿脱白的技术途径,锅炉湿烟气排烟除湿脱白首先是锅炉低投入实现超低排放的可选择途径之一,还有回收低温余热节能和节水的显着经济效益。

  1 概述

  我国火电燃煤锅炉烟气100%上了脱硫,其中超过90%采用湿法,通过采用低低温电除尘器和/或末端湿式静电除尘器改造,可以满足新国标(GB13223-2011)要求、甚至实现超低排放。抛开投资和运行成本问题不说,就算我国各种燃煤锅炉都达到超低排放水平,也不能彻底解决大气雾霾污染,原因是现行标准规范有一大缺失,就是没有排放烟气湿度的控制指标,而这恰恰是形成雾霾的根源。反之如能有效解决湿法脱硫的排烟除湿脱白,不仅能根除雾霾污染,还能低成本实现环保达标、超低近零排放,特别是回收烟气中的水分和余热,年节水潜力几十亿吨,提高燃煤效率,能兼顾解决环境与发展的矛盾。本文尝试估算我国燃煤锅炉等各主要行业湿排烟放散的水份总量,介绍和探讨~50°C低温湿烟气除湿脱白的技术途径。

  2 我国湿排烟带出水分的总量估算

  水在自然界中呈现三种状态:固态冰、雪,液态水、雾;气态水蒸汽。水吸热后会蒸发相变为水蒸汽进入大气,大气中的水蒸汽含量达到一定程度会饱和达到含湿量的最大值,饱和后的大气遇冷降温就会再相变为雾、雨、雪、冰雹等,自然界水变蒸汽、蒸汽冷凝成水是一个可逆过程,有其自身规律和平衡,我国最湿月份室外平均大气湿度为12g/kg(~15g/Nm3),西北部大气湿度低属于干燥区域,东南部属于高湿区域。

  燃煤锅炉湿法脱硫系统排烟带出的水分,以300MW机组为例,脱硫系统的水平衡如图1所示 ,脱硫系统每小时消耗水120m3/h,包括原烟气带水分71.8 m3/h、脱硫增加40m3/h,年耗水量~100万吨。按照燃烧吨煤放散烟气10000Nm3/t、湿烟气所含水分112g/Nm3估算,每燃烧1吨煤湿烟气带走水份1吨,主要包括煤中原始含水、脱硫补充水,2014年全国消耗煤36-37亿吨,燃煤烟气带入大气的水份高达三十多亿吨。

锅炉湿法脱硫系统排烟除湿脱白的技术途径探讨

  其次是天然气燃烧,煤改气一直被国家和北京等有些地方做为控制大气污染的主要技术措施,不谈天然气的来源和价格问题,也不论天然气燃烧温度高导致排烟氮氧化物含量高,一个很大问题是每燃烧1单位体积的天然气,会产生2倍体积的水蒸汽。2014年我国天然气消耗量1800亿立方米,则产生3600亿立方米水蒸汽,折合近3亿吨水分。仅此两项,我国放散湿烟气每年就人为增加~40亿吨的水分进入大气。加上钢铁、化工等其它行业,我国工业烟气排放总量超过50亿吨,夹带着达标后的残余污染物成分,并且主要集中在京津冀、长三角、珠三角等经济发展区域,分布极不均匀。由于烟气中的二氧化硫等污染成分降低,按照设计规范排放烟囱又比以前降低。按照常识或检测,都可以确定这一点就是我国近年来大气环保控制指标逐年大幅降低、但雾霾却加重的原因,是我国大气污染控制从标准和技术规范层面必须尽快解决的问题。

  3 现有的除湿脱白技术

  我国在引进的石灰石石膏湿法脱硫成套技术中,包含烟气再热器,业内称GGH(Gas-Gas Heater),通过湿烟气与干烟气间接换热将其温度抬升到80°C以上排放。采用GGH再热器的优点是只需一组换热器,应用中出现了堵塞、腐蚀、串烟导致排放超标等一些问题影响了电厂的正常运行。随后引进了热媒循环烟气再热器MGGH(Media Gas-Gas Heater),采用降温和升温两组换热器分离单独布置,成功解决了堵塞、串烟问题,腐蚀问题通过换热器采用耐腐材料也有解决办法,新的问题是造价过高。由于MGGH再热器的升温换热器是将湿烟气间接升温为干烟气,腐蚀更突出,MGGH在国产化过程中,有些用户只用降温换热器,用软水或环境空气做为换热介质,升温后回收利用,脱硫后湿烟气直接排放。国外也有用户采用辅助燃烧产生高温干烟气,与脱硫后湿烟气混风+升温除进行除湿脱白。

  总之,我国火电锅炉在实际大范围推广湿法脱硫过程中,原设计机组多拆除GGH,新建基本不用GGH,代之以防腐蚀烟囱直接湿排烟,钢铁、化工等其它行业也纷纷效仿,这就是导致我国产生严重雾霾的主要根源。有充分理由相信,按照我国现行大气污染控制标准,就算燃煤等相关行业都完全达到超低近零排放标准时,也不能解决雾霾污染。

  据介绍,湿烟气采用升温排放在一些发达国家是排放硬性标准,比如德国的《大型燃烧设备法》规定,烟囱入口温度不得低于72℃;英国规定排烟温度不得低于80℃,日本规定排烟温度在90-100℃[6]。国外也确有一些企业采用湿烟气不除湿直排,但由于当地国燃煤总量少、分散、环境容量大,不足于导致产生雾霾,也不应成为我国有关部门制定排放湿烟气的标准依据。

  不管什么有多少客观和人为原因,笔者坚持认为,我国火电等行业湿法脱硫采用不除湿脱白湿排烟是一个技术路线和标准控制上的决策错误,是治理雾霾污染从法规标准层面必须纠正和增补的决定性控制指标。

  4 湿烟气除湿脱白的新技术途径

  湿气体的饱和含湿量与湿烟气压力和饱和温度有关,压力、饱和温度越高含湿量就越高。湿法脱硫后的烟气表压为几百帕的微正压,可以近似视为恒定绝对大气压。在恒定大气压力下,湿烟气的饱和含湿量只与饱和烟气温度相关,这在许多相关技术手册中都可以查到,也可以计算。为方便讨论,以1Nm3的干烟气为基数,将其饱和含湿量与饱和温度的关系列于表1。

锅炉湿法脱硫系统排烟除湿脱白的技术途径探讨

  将上表绘制成图2,图中的O点就是目前湿法脱硫后放散湿烟气的状态点:平均温度~50°C、含湿量为111.8g/Nm3。在湿烟气饱和含湿量不变的条件下,通过间接换热方式将烟气温度升高到80°C,则烟气的相对湿度就从100%降低到16%,成为干烟气排放,属于升温除湿,见图中OA线。采用GGH、MGGH升温除湿,尽管分别存在换热器堵塞、腐蚀、串烟、造价高、安装空间紧张、增加阻损导致系统能力不足或电耗增加,但只要企业和有关标准管控部门认同湿烟气除湿脱白对产生雾霾污染的重要相关性,推广升温除湿脱白从技术和操作管理层面是没有问题的,需要增加投资和运行成本也是事实,存在环境治理与经济效益之间的矛盾。

锅炉湿法脱硫系统排烟除湿脱白的技术途径探讨

  随着相关技术的进步,通过尝试新的除湿脱白技术来解决这一矛盾已经具备条件,在我国有必要研发相反方向的湿烟气除湿脱白技术途径,就是冷凝除湿为主的混合除湿技术,如图OB所示:将脱硫后~50?C湿烟气深度冷凝冷却到25°C以下,也就是大气平均温度,如能进一步冷却到15°C,然后再升温到25°C效果更好。采用湿烟气混合冷凝除湿脱白有技术有以下特点:

  湿烟气的饱和含湿量从111.8降低到26g/Nm3以下,与大气含湿量接近,实践证明可以实现除湿脱白,从而有助于解决我国的大气雾霾污染。

  回收湿烟气中的冷凝水,吨煤燃烧排烟水分减少0.8吨以上。前述300MW机组小时可回收冷凝水80吨,年回收80万吨以上。全国脱硫预计年回收超过四十亿吨水,超过全国海水淡化的总量,脱硫不仅不耗水,还能回收煤中的大部分水份,经过适当的处理后为脱硫或锅炉提供补充水,应该被视为一个新的非常规水源。

  湿烟气中含有一定的余热,每立方米干烟气的余热量~228kJ,大致相当于燃煤低发热量的10%,回收用于民用采暖、热水、制冷或低温发电,预期可抵顶除湿成本。

  冷凝除湿还有一个重要作用,就是可以将残留的细颗粒粉尘、二氧化硫、酸、重金属等大部分污染成分大部分冷凝进入排水中,是实现燃煤锅炉放散烟气低成本达标、甚至超低近零排放的可选择技术之一。

  5 相关问题讨论

  湿烟气冷凝除湿脱白技术与升温除湿技术虽然温差变化接近,但冷凝所需的冷量却是升温所需热量的近6倍,主要是湿烟气中所含水蒸汽的冷凝潜热。同样冷凝除湿从技术层面是没有问题的,并且有多种不同冷凝工艺可供选用,关键也是投资多少、是否经济。研究表明,要使冷凝除湿脱白技术经济可行,首先必须解决大量廉价冷源,二是低温余热和冷凝水必须得到充分利用,三是换热器的选择需要合理实用,分别讨论如下:

  廉价冷源:要采用冷凝冷却就必须有低于目标温度5°C左右的冷源,仅从除湿脱白角度考虑,应优先选择自然冷源,比如江河海地下水、北方寒冷地区冬季的冷空气,如果自然冷源不足或从回收利用余热的角度,就必须采用人工冷源,比如蒸汽喷射式热泵、吸收式热泵等,在提高6°C左右空调冷冻水的同时,可以回收低温余热。

  低温余热的用途:电厂、钢厂等低温热源的热量一定是富裕的,应该优先内部利用,但也必须考虑外供社区民用,比如洗浴、医院、学校、酒店、人工游泳池和景观等民用热水是一年四季都需要,但相比余热量,需求量远远不足,而北方民用采暖和南方夏季空调等季节性需求量巨大,而且所需能量品质也低,是低温余热比较适合的用途,采用120°C~20°C大温差供热输送距离达到100km也比燃煤成本低,而与燃气供热比可以输送300km。余热需求不均衡可以通过ORC、CO2等低温余热发电平衡。

  换热器的选择:锅炉空气余热器出口烟气~130-150°C,采用低低温技术的降温换热器冷却到~90°C是合理的,换热器本身存在的腐蚀问题可以通过选择耐腐蚀合金、氟塑料、玻璃、碳化硅陶瓷管等换热器解决,对后部干式电除尘器可以存在的腐蚀可以采用在换热器入口增加喷煤粉、石灰粉等增大灰硫比的方法预防。降温换热器应该大力推广,因为不仅回收的余热品质高,更主要的是对于电除尘器实现超低排放、除酸、除二恶英、除重金属等有害成分都有效果,而这些有害成分最好在脱硫前去除,以提高脱硫产物的品质。90°C以下的冷却也要综合比较,优先选择间接换热器冷却,以提高回收余热温度和减少制冷量,可以考虑采用增加喷水的混合冷凝技术提高换热器换热效率减少换热面积,同时低成本防腐蚀放和防结垢。而对于采用换热器不经济的温度区域,可以采用直接喷淋冷凝的方法。

  低温冷却的方式:如前所述,对于90°C以下的低温湿烟气,所含余热量大部分是水蒸汽的冷凝潜热,冷却方式可以比较选择:直接膨胀式热泵蒸发器、低温空调冷水间接水水换热和/或喷淋冷却,需要结合用户的冷源种类和余热用途综合优化选择。

  与湿式静电除尘除雾器的配合使用:湿式静电除尘器是净化湿烟气的理想终端除尘器,还是顶级除雾器,可以确保实现超低近零排放,但目前设置在脱硫塔机箱除雾器后部,入口烟气温度在~50?C,设备造价浪费,因为大约20%的电场面积是用于处理水蒸汽,水蒸汽冷凝液PH值1-3产生低温腐蚀是造价高的主要原因,而且是否能长期稳定运行也有疑问。将冷凝冷却布置在湿电前对湿烟气进行预处理可以解决许多问题,甚至有可能不用湿电也能实现超低排放和除湿脱白,烟囱也不再需要防腐。

  结论与建议

  1. 为了彻底根除雾霾污染,火电行业大气污染控制标新国标(GB13223-2011)必须增加排烟温湿度控制指标要求,以实现排放烟气的除湿脱白处理,首先采用成熟的升温~80°C除湿脱白技术,

  2. 按相反方向研发应用冷凝除技术湿更经济:建议为25?C以下、相对湿度70%以下,不仅有助于除雾霾,还有节水节能效益。

  3. 采用冷凝除湿可以降低采用湿电的成本,甚至不用湿电实现超低近零、除湿脱白排放,燃煤可以比天然气更清洁。

 

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