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      燃煤電廠煙氣深度治理技術(shù)研究

      2018-11-30 01:48:28段飛飛
      中國環(huán)保產(chǎn)業(yè) 2018年11期
      關(guān)鍵詞:煙羽含濕量白煙

      段飛飛

      (內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特發(fā)電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

      1 前言

      2017年以來,國內(nèi)多地發(fā)布地方標(biāo)準(zhǔn)和政策要求,對治理白色煙羽的具體指標(biāo)、完成時間等進(jìn)行了明確規(guī)定。如2017年6月6日《上海市燃煤電廠石膏雨和有色煙羽測試技術(shù)要求(試行)》發(fā)布,提出“有色煙羽污染是近年來上海地區(qū)關(guān)注的環(huán)境影響因子。測試有色煙羽適宜的環(huán)境條件:場地地面環(huán)境濕度低于60%,溫度高于17℃?!?;2017年8月28日浙江省《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見稿)要求:“城區(qū)及環(huán)境空氣敏感區(qū)的燃煤電廠應(yīng)采取有效措施消除石膏雨飄落、白色煙羽現(xiàn)象”;2018年3月《唐山市2018年“十項(xiàng)重點(diǎn)工作”工作任務(wù):生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作》 指出,“2018年完成17家燃煤電廠(含自備電廠、煤和其他能源混燒電廠)濕法脫硫煙氣“脫白”治理”。各地政府相繼出臺的消白煙政策,表明消除煙囪冒白煙已成為發(fā)電企業(yè)急需解決的問題。

      2 煙羽的形成

      發(fā)電廠煙囪中排放出來的煙氣,外形呈羽毛狀,因而得名“煙羽”。 煙氣在煙囪口排入大氣的過程中因溫度降低,煙氣中部分氣態(tài)水和污染物會發(fā)生凝結(jié),在煙囪口形成霧狀水汽,霧狀水汽會因天空背景色和光照、觀察角度以及SO3氣溶膠發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)等原因發(fā)生顏色的細(xì)微變化,形成“有色煙羽”。通常為白色、灰白色或淡藍(lán)色。

      濕法脫硫的燃煤發(fā)電機(jī)組在取消GGH(煙氣再熱系統(tǒng))后,煙囪排煙溫度在45℃~60℃,處于濕飽和狀態(tài)。脫硫除霧器不能有效去除煙氣中小于22μm的霧滴,而霧化后的石灰石漿液經(jīng)碰撞后會產(chǎn)生少量直徑在15μm左右的霧滴,因此,煙氣中不可避免地會攜帶石膏漿液。單純的白色/有色煙羽現(xiàn)象只是水汽凝結(jié)后形成的現(xiàn)象,對環(huán)境影響較小,相當(dāng)于冷卻塔出口的霧氣;有危害的是煙氣中攜帶的各種氣體以及氣體與水分及細(xì)微煙塵凝聚的氣溶膠。而與SO3形成的硫酸氣溶膠會在大氣中形成PM2.5,導(dǎo)致霧霾現(xiàn)象加重。如果形成“石膏雨”則會對周邊居民的生活及電廠的生產(chǎn)產(chǎn)生不良影響。

      3 影響煙羽形態(tài)的因素

      3.1 環(huán)境溫度

      隨著環(huán)境溫度降低,煙羽的長度呈指數(shù)關(guān)系增加,表明環(huán)境溫度越低,濕煙羽治理難度越大,如圖1。

      圖1 環(huán)境溫度對白煙長度的影響

      3.2 環(huán)境相對濕度

      在環(huán)境相對濕度較高時,濕煙羽中的水分難以及時擴(kuò)散,濕煙羽的長度呈指數(shù)關(guān)系急劇增大,煙羽影響范圍增大,濕煙羽治理難度增大,如圖2。

      圖2 環(huán)境濕度對白煙長度的影響

      4 消除煙羽的技術(shù)路線

      高溫?zé)煔庠谶M(jìn)入吸收塔之前處于不飽和狀態(tài)。 進(jìn)入吸收塔后,煙氣與漿液除了在接觸過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)外,還伴隨著混合傳熱過程,煙氣冷卻釋放熱量,將漿液中的水分蒸發(fā)成水蒸汽吸收熱量。隨著傳熱過程的繼續(xù),煙氣中的水蒸汽含量增加,直到其在出口煙氣溫度達(dá)到接近飽和狀態(tài)。 因此,吸收塔入口處的煙氣溫度越高,釋放的熱量越多,并且由于漿料的熱吸收產(chǎn)生更多的水蒸汽。煙氣蒸發(fā)水量與入口煙氣量、出口煙溫和含濕量有直接關(guān)系。吸收塔內(nèi)蒸發(fā)水量的計算式如下[4]∶

      式中:

      其中出口含濕量:

      式中:

      在其他參數(shù)不變的情況下,蒸發(fā)水量與濕度成正比,濕度與出口溫度下飽和蒸氣壓成正比,與當(dāng)?shù)卮髿鈮汉臀账隹趦魺煔鈮毫χ统煞幢龋驗(yàn)镻s值(0.5~2kPa)相對于Pa值(101.3kPa)較小,Ps對濕度的影響很小[3]。此外,PH2O是影響蒸發(fā)水量的主要因素,與溫度有關(guān),脫硫塔出口煙氣含濕量與溫度變化曲線如圖3所示(橫坐標(biāo)為溫度、縱坐標(biāo)為含濕量)。圖3曲線的左側(cè)為煙氣過飽和狀態(tài),即白煙產(chǎn)生區(qū);右側(cè)為煙氣不飽和狀態(tài),即無白煙區(qū)[4]。煙氣經(jīng)吸收塔凈化后為飽和濕煙氣(或近似于飽和),此時狀態(tài)位于曲線上。煙氣溫度在不斷降低的過程中,濕度下降慢,其含濕量一直處于過飽和狀態(tài),冷凝液不斷產(chǎn)生,對應(yīng)曲線左側(cè)過飽和區(qū)。當(dāng)煙氣溫度逐漸降至環(huán)境溫度,含濕量下降至環(huán)境溫度下的飽和狀態(tài)以下及處于非飽和狀態(tài)時,此時白色煙羽消失。

      圖3 脫硫塔出口煙氣含濕量與溫度變化曲線

      脫硫塔出口煙氣含濕量與溫度變化曲線有如下五種消白煙技術(shù)路線。

      4.1 煙氣加熱

      (1)回轉(zhuǎn)式GGH(如圖4)?;剞D(zhuǎn)式GGH是通過位于轉(zhuǎn)子中的傳熱元件在原煙氣吸收熱量,在凈煙氣釋放出熱量,通過轉(zhuǎn)子的緩慢連續(xù)旋轉(zhuǎn),傳熱元件的交替吸收、釋放熱量,實(shí)現(xiàn)對凈煙氣的加熱。

      該技術(shù)投資較高、阻力大(1000~1500Pa);增加煤耗0.5~1.0g/kW·h;不能控制GGH進(jìn)出口煙氣溫度;高負(fù)荷時煙氣熱量浪費(fèi)較多;存在約1%的泄漏率,對SO2超低排放影響大;漏風(fēng)率較高、原煙氣SO2濃度較高,影響SO2達(dá)標(biāo)排放,冬季氣溫低時不能消除大白煙,因此不推薦該技術(shù)。

      圖4 回轉(zhuǎn)式GGH“消白”原理圖

      (2)管式GGH(如圖5)。管式GGH利用除塵器出口至吸收塔的這段高溫?zé)煔猓?30℃~150℃)加熱脫硫后的凈煙氣。凈煙氣通常被加熱到80℃左右,然后排放。該技術(shù)投資較高、阻力大(500~600Pa);增加煤耗0.6g/kW·h;不能控制GGH進(jìn)出口煙氣溫度;高負(fù)荷時煙氣熱量浪費(fèi)較多;塑料換熱管與煙道接口存在泄漏,密封需要特殊設(shè)計,否則也有0.4%的漏風(fēng)率,冬季氣溫低時不能消除大白煙,因此不推薦該技術(shù)。

      圖5 管式GGH“消白”原理圖

      (3)MGGH,日本三菱公司開發(fā)的濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝采用無泄漏管式水媒體加熱器(MGGH)即原煙氣加熱水,然后用加熱后的水加熱脫硫后的凈煙氣。該技術(shù)不存在煙氣泄漏問題,技術(shù)成熟,應(yīng)用業(yè)績多,但投資高、阻力大(800~1000Pa);增加煤耗0.8~1g/kW·h,需采用合理的材料和設(shè)計方式防止磨損和腐蝕。可通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計,將部分熱量有效利用;低負(fù)荷時需要配套蒸氣加熱裝置;冬季氣溫低時不能消除大白煙,因此不推薦采用此技術(shù)。

      (4)蒸氣換熱加熱,該技術(shù)阻力大(600Pa);增加煤耗2g/kW·h;運(yùn)行費(fèi)用高,增加了氣機(jī)的熱耗,不經(jīng)濟(jì),因此不推薦該技術(shù)。

      4.2 煙氣混合

      (1)熱二次風(fēng)混合加熱,該技術(shù)阻力小、投資費(fèi)用低;增加10%~20%的二次風(fēng)量;鍋爐效率下降0.5%左右,煤耗增加1.5~2g/kW·h;熱二次風(fēng)會攜帶部分煙塵,使凈煙氣的粉塵濃度增加,影響煙塵達(dá)標(biāo)排放和鍋爐效率,不推薦該技術(shù)。

      (2)燃?xì)庵苯蛹訜?,運(yùn)行費(fèi)用高;會增加煙氣中的污染物,影響煙塵等污染物達(dá)標(biāo)排放、運(yùn)行費(fèi)用高,不推薦該技術(shù)。

      4.3 煙氣冷凝

      (1)噴淋降溫+除霧。該技術(shù)噴淋水會攜帶污染物,不宜直接排放,需要循環(huán)降溫,降溫幅度小時,消白效果不明顯,因此不推薦采用此技術(shù)。

      (2)冷凝換熱器,煙氣在換熱器入口時處于過熱狀態(tài),隨著煙氣溫度的降低,當(dāng)貼近壁面的煙氣局部溫度低于煙氣中水蒸汽飽和溫度的露點(diǎn)溫度時,水蒸汽由于過飽和而在壁面上發(fā)生凝結(jié)。冷凝下來的液滴不斷聚集,最終在壁面上形成一層液滴,匯集至提水收集器內(nèi)[2]。該技術(shù)需要降溫的幅度大,降溫幅度時間長,消白效果不明顯。

      4.4 冷凝換熱器+煙氣再熱

      技術(shù)適應(yīng)范圍廣。首先對凈煙氣進(jìn)行冷凝除濕,降低煙氣中含有的水分比例。然后再對煙氣適當(dāng)加熱再送入煙囪排放。加熱的方式,可選用GGH或者M(jìn)GGH,該技術(shù)需要循環(huán)降溫能節(jié)約大量水;煙氣升溫幅度低,特別是在冬季更加明顯;可完全消除大白煙現(xiàn)象。

      直接加熱方案:凈煙氣從50℃升到78℃;冷凝+再熱方案:冷凝到45℃,再加熱到66℃,如圖6所示。

      圖6 煙氣脫白計算

      濕度飽和曲線左上方代表過飽和狀態(tài)(即會有大量的水析出,產(chǎn)生白煙或煙雨),右下方代表不飽和狀態(tài),此時煙氣中的水分以氣態(tài)形式存在,不會產(chǎn)生白煙和煙雨的現(xiàn)象。偏離飽和曲線越遠(yuǎn),煙雨和白煙現(xiàn)象消除的越好。故建議采用冷凝換熱器+煙氣再熱技術(shù)路線。

      4.5 漿液冷卻技術(shù)+MGGH

      漿液冷卻技術(shù)(如圖7)在噴淋層最頂層漿液循環(huán)泵入口增設(shè)板式換熱器,傳熱媒介水源采用循環(huán)水,傳熱媒介經(jīng)冷卻水塔進(jìn)行冷卻,漿液經(jīng)過板式換熱器冷卻后噴入脫硫塔,與煙氣進(jìn)行接觸反應(yīng),煙溫降低5℃~10℃,可顯著減少白煙;同步增設(shè)MGGH,升溫8℃~15℃即可“脫白”,大幅節(jié)省換熱面積。

      圖7 漿液冷卻技術(shù)+MGGH

      采用漿液冷卻方案無論從造價、場地要求、系統(tǒng)總體能耗,運(yùn)行維護(hù)工作量等方面皆優(yōu)于煙氣冷卻方案。但水平衡等問題需開發(fā)高效過濾回用系統(tǒng),并在設(shè)計中采取優(yōu)化措施,存在板式換熱器堵管、循環(huán)水管道堵塞等問題有待解決,系統(tǒng)完善后將是消除煙羽的優(yōu)選技術(shù)路線。

      5 結(jié)語

      煙氣脫白技術(shù)建議采用冷凝換熱器+煙氣再熱和漿液冷凝+小型MGGH煙氣再熱技術(shù)將是未來實(shí)現(xiàn)消除有色煙羽的優(yōu)選技術(shù)路線。既能滿足環(huán)保指標(biāo),又能滿足場地及經(jīng)濟(jì)性的制約,合理選擇煙氣脫白技術(shù)對發(fā)電廠具有重要的意義。

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