褐煤爐后煙氣回收水處理工藝探討

徐淑姣，賈丹瑤，周 軍，陶禎燕

(華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

1 概述

我國內(nèi)蒙地區(qū)水資源貧乏，降低全廠耗水指標(biāo)成為電廠生產(chǎn)運(yùn)營中的重要目標(biāo)。內(nèi)蒙古的褐煤產(chǎn)量最高，約占全國的70%，開采的褐煤主要供應(yīng)至內(nèi)蒙東部、南部地區(qū)以及就近的東北地區(qū)的電廠。褐煤是一種煤化程度最低的礦產(chǎn)煤，其水分大(含水量約為20%～50%)，揮發(fā)分高，發(fā)熱量低，易氧化自燃，不便儲(chǔ)存和遠(yuǎn)途運(yùn)輸。若能提取褐煤中的水分并回收應(yīng)用于火電廠工藝系統(tǒng)，可以有效實(shí)現(xiàn)節(jié)水的目標(biāo)。

褐煤深度節(jié)水技術(shù)主要分為燃前褐煤預(yù)干燥提水和爐后煙氣提水。燃前褐煤預(yù)干燥提水，是利用外來熱源對(duì)褐煤進(jìn)行干燥并進(jìn)一步將蒸發(fā)水蒸氣凝結(jié)回收的技術(shù)。爐后煙氣提水是利用冷媒介質(zhì)對(duì)脫硫除塵后的凈煙氣進(jìn)行冷卻，將煙溫降低至露點(diǎn)以下，冷凝回收煙氣中的水蒸氣。鑒于褐煤儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)陌踩詥栴}，褐煤預(yù)干燥提水工藝系統(tǒng)復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)不便，且需要消耗外部熱源、僅能提取回收煤中的水分，回收水量少，目前國內(nèi)僅有少數(shù)電廠采用了此工藝。爐后煙氣提水工藝運(yùn)行維護(hù)方便，有效利用熱力系統(tǒng)內(nèi)部熱源，可回收利用煤燃燒產(chǎn)生的水蒸氣和余熱，其效率更高，近年較多應(yīng)用于火力發(fā)電廠褐煤節(jié)水技術(shù)中。

爐后煙氣提水工藝?yán)淠厥盏乃种饕幸韵聛碓矗?1)褐煤中含有的水分；(2)空氣中的水分；(3)褐煤在鍋爐燃燒過程中，氧氣和氫氣反應(yīng)產(chǎn)生的水分；(4)脫硫工藝反應(yīng)中外界引入的水分。

本文將結(jié)合近年的研究應(yīng)用成果，就爐后煙氣回收水處理工藝進(jìn)行探討。

2 煙氣提水工藝簡介

爐后煙氣提水工藝是針對(duì)脫硝、除塵及脫硫后的煙氣中的水分進(jìn)行冷凝回收。目前，火力發(fā)電廠主流的脫硫工藝為石灰石－石膏濕法煙氣脫硫工藝，煙氣提水工藝主要針對(duì)濕法脫硫后的煙氣回收水分，本文簡稱為濕法煙氣提水工藝。

濕法煙氣提水工藝又分為表面式和混合式。表面式工藝，是指濕法脫硫后，采用表面式換熱器對(duì)濕煙氣進(jìn)行冷卻，回收其中的水分?；旌鲜焦に?，是指濕法脫硫后，采用噴淋冷卻塔的方式對(duì)濕煙氣進(jìn)行冷卻，回收其中的水分。兩種工藝的冷卻介質(zhì)可采用機(jī)力塔或自然通風(fēng)間接空氣冷卻。

3 煙氣回收水水質(zhì)特點(diǎn)及處理工藝

3.1 煙氣回收水水質(zhì)特點(diǎn)

搜集已開展煙氣提水試驗(yàn)及安裝提水設(shè)施的兩個(gè)工程水質(zhì)報(bào)告見表1。

由表1可看出，煙氣回收水水質(zhì)差異較大，分析主要有以下原因：

(1)各工程燃用的褐煤煤質(zhì)成分略有差異，導(dǎo)致煙氣及煙氣回收水中的各物質(zhì)含量略有不同。

(2)脫硫工藝對(duì)SO2具有高效的脫除能力，但是對(duì)SO3等其他酸性氣體的脫除效率低，因而煙氣回收水中的含量較高。3份水質(zhì)分析中的含量差異較大，可能與煙氣中SO3的含量有關(guān)，SO3主要在鍋爐燃燒時(shí)產(chǎn)生，另外煙氣中部分SO2在SCR脫硝的催化劑作用下也會(huì)轉(zhuǎn)化為SO3。

表1 煙氣提水回收水質(zhì)報(bào)告

(3)煙氣凈化工藝中除塵器對(duì)煙氣中的煙塵具有較高的脫除能力，各工程除塵效率的差異會(huì)影響煙氣回收水中懸浮物的含量，另外脫硫工藝中除霧器未捕集而被煙氣攜帶出的液滴也會(huì)造成煙氣回收水品質(zhì)的下降。

(4)脫硫工藝過程中會(huì)引入外界工藝生產(chǎn)水，煙氣在脫硫過程中與工藝生產(chǎn)水發(fā)生接觸，從而使煙氣中攜帶部分工藝生產(chǎn)水分，因而外界工藝水的水質(zhì)也會(huì)影響煙氣回收水水質(zhì)。

(5)濕法脫硫后的煙氣具有一定腐蝕性，可能會(huì)造成后續(xù)金屬設(shè)施的腐蝕，繼而增加了濕法煙氣回收水中的鐵離子含量。

(6)煙氣回收水質(zhì)受機(jī)組負(fù)荷影響也較大，機(jī)組負(fù)荷高、煙氣量高時(shí)，相對(duì)回收水水質(zhì)較差。

根據(jù)上述水質(zhì)資料及水質(zhì)差異分析，歸納濕法煙氣回收水水質(zhì)具有以下特點(diǎn)：pH低(呈較強(qiáng)酸性)、鐵離子含量較高、含鹽量及懸浮物含量差異較大、SO42－含量較高。

3.2 煙氣回收水處理工藝

煙氣回收水處理工藝應(yīng)依據(jù)提水工藝、回收水質(zhì)特點(diǎn)、回收水量、回用去向等因素確定。

煙氣回收水量受機(jī)組負(fù)荷、冷卻介質(zhì)溫度和流量影響，據(jù)了解，單臺(tái)600 MW機(jī)組的濕法煙氣提水回收水量約為70～100 t/h。目前煙氣提水回收水經(jīng)處理后主要用于脫硫工藝系統(tǒng)補(bǔ)水、全廠工業(yè)用水等。

脫硫工藝用水水質(zhì)按照DL/T 5196－2016《火力發(fā)電廠石灰石－石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程》要求設(shè)計(jì)，詳見表2。

表2 FGD系統(tǒng)工藝水水質(zhì)要求

全廠工業(yè)用水水質(zhì)應(yīng)結(jié)合全廠水量平衡，明確煙氣提水回收水的回用去向，并根據(jù)具體水源用途確定用水水質(zhì)要求。

綜上，煙氣回收水處理工藝推薦設(shè)計(jì)方案如下：

(1)濕法煙氣提水(表面式)回收水處理工藝

濕法煙氣提水表面式換熱工藝僅處理回收水量。

按照A工程水質(zhì)作為設(shè)計(jì)水質(zhì)，若回用于脫硫工藝水，僅pH不合格，采用中和處理法即可滿足脫硫工藝水水質(zhì)要求；若回用于全廠工業(yè)用水，采用中和處理法可滿足一般回用水質(zhì)要求，若水質(zhì)要求較高，可輔以絮凝澄清、過濾處理工藝降低水中懸浮物含量。

按照B工程水質(zhì)作為設(shè)計(jì)水質(zhì)，若回用于脫硫工藝水，除pH不合格外，硬度及懸浮物均較高，應(yīng)采用中和處理、石灰軟化澄清－過濾處理工藝方可滿足脫硫工藝用水水質(zhì)要求；若回用于全廠工業(yè)用水，采用上述方法基本可滿足一般回用水質(zhì)要求，若水質(zhì)要求較高，可輔以除鹽處理工藝進(jìn)一步凈化回收水質(zhì)。

(2)濕法煙氣提水(混合式)回收水處理工藝

濕法煙氣提水混合式換熱工藝，煙氣提水與冷卻水混合，處理的回收水量為二者之和。

由于混合式工藝為煙氣提水與冷卻水混合，運(yùn)行一段時(shí)間會(huì)造成某些物質(zhì)的富集，因而應(yīng)考慮對(duì)于混合水采取旁流處理。旁流處理建議采用石灰軟化澄清－過濾處理工藝凈化處理水質(zhì)。

按照A工程和B工程水質(zhì)為設(shè)計(jì)水質(zhì)，若回用于脫硫工藝水和全廠工業(yè)用水，均應(yīng)采用中和處理、旁流處理工藝，結(jié)合具體提水水質(zhì)確定旁流處理水量。

4 煙氣回收水處理方案比較

某工程采用煙氣濕法脫硫工藝，預(yù)計(jì)煙氣回收水量約為70 t/h，回收水水質(zhì)暫按表1中B工程水質(zhì)設(shè)計(jì)，處理后擬作為脫硫工藝用水補(bǔ)水。

根據(jù)褐煤煙氣提水的2種方式，表面式和混合式，回收水處理方案對(duì)比如下：

4.1 表面式煙氣提水回收水處理系統(tǒng)

表面式煙氣提水工藝是利用表面換熱器與循環(huán)冷卻水換熱，回收水與冷卻水不混合，此工藝需要大量的冷卻水，約為15300 t/h，但處理的水量小，只需處理提水回收水量，考慮一定裕量，回收水處理系統(tǒng)出力按2×70～2×80 t/h設(shè)計(jì)。

表1中B工程水質(zhì)分析，懸浮物含量高，水質(zhì)呈酸性，采用石灰軟化澄清－過濾處理工藝處理回收水，工藝流程見圖1。

圖1 石灰軟化澄清－過濾處理工藝流程

根據(jù)脫硫工藝水水質(zhì)要求，煙氣提水回收水經(jīng)上述處理設(shè)施處理后可直接供給脫硫系統(tǒng)使用。

回收水處理工藝布置由機(jī)械澄清池、室外水箱、水泵間、加藥間等組成，總占地面積約為35 m×28 m。本方案回收水處理設(shè)備投資估算約為400萬(不含土建費(fèi)用)。

4.2 混合式煙氣提水回收水處理系統(tǒng)

混合式煙氣提水工藝是利用循環(huán)冷卻水直接與煙氣換熱回收其中的水分，回收水與冷卻水混合，故需要的冷卻水量小，約為7000 t/h，但此工藝需要處理的水量大。

表1中B工程水質(zhì)分析，懸浮物含量高(414 mg/L)。根據(jù)GB 50050－2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的間冷開式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)，懸浮物要求控制在≤10 mg/L，循環(huán)冷卻水需要旁流過濾處理，經(jīng)計(jì)算需要旁流過濾的處理水量為5656 m3/h,考慮一定裕量，系統(tǒng)出力按6000 m3/h設(shè)計(jì)，工藝流程見圖2。

圖2 澄清－過濾處理工藝流程

回收水處理工藝布置由機(jī)械加速澄清池、V型濾池、室外水箱、水泵間、加藥間等組成，總占地面積約為124 m×80 m。本方案回收水處理設(shè)備投資估算約為5600萬(不含土建費(fèi)用 )。

4.3 比較結(jié)果

通過上述方案對(duì)比可看出，表面式煙氣提水工藝回收水處理水量小，處理工藝系統(tǒng)相對(duì)簡單、占地面積小、基建投資費(fèi)用低。但表面式提水工藝采用表面式換熱器，換熱器面積大，換熱器材質(zhì)要求高，提水工藝設(shè)備投資較高，混合式提水工藝采用噴淋冷卻塔，提水工藝設(shè)備投資較低。因此，綜合煙氣提水工藝及水處理方案比較，表面式煙氣提水工藝和混合式煙氣提水工藝的設(shè)備總投資相當(dāng)。

5 結(jié)論和建議

從現(xiàn)階段國內(nèi)外相關(guān)的試驗(yàn)研究及機(jī)組投運(yùn)情況來看，褐煤爐后煙氣提水回收水作為發(fā)電機(jī)組脫硫工藝用水及全廠工業(yè)用水，從技術(shù)上是可行的，對(duì)缺水區(qū)域電廠的節(jié)水、降低耗水指標(biāo)有重要意義。但爐后煙氣提水技術(shù)尚處于起步階段，設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行等各階段均需漸進(jìn)研究，建議煙氣提水回收水的處理工藝應(yīng)從以下幾方面進(jìn)一步研究：

(1)已搜集的煙氣提水水質(zhì)報(bào)告中水質(zhì)指標(biāo)差別較大，經(jīng)分析煙氣提水回收水質(zhì)受機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷影響較大，機(jī)組負(fù)荷高、煙氣量高時(shí)，相對(duì)提水回收水質(zhì)較差。應(yīng)對(duì)機(jī)組不同負(fù)荷下的回收水質(zhì)情況進(jìn)行深入監(jiān)測(cè)分析，找出機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷或煙氣量與回收水質(zhì)的關(guān)系，從而得到滿足適應(yīng)各類負(fù)荷工況下的處理工藝方案。

(2)在開展煙氣提水回收水處理工藝設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)的水質(zhì)數(shù)據(jù)往往是從其他工程搜集的資料，對(duì)于本工程實(shí)際的回收水質(zhì)須等到機(jī)組投運(yùn)后才能獲得。由于不同工程的褐煤煤質(zhì)，脫硫工藝用水水質(zhì)，煙氣凈化處理工藝(脫硝、脫硫、除塵)的設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)備處理效率的差異，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際煙氣提水水質(zhì)與設(shè)計(jì)水質(zhì)存在較大差異。建議在以設(shè)計(jì)水質(zhì)擬定水處理工藝時(shí)，應(yīng)留有實(shí)際投運(yùn)水質(zhì)惡化情況下的備選處理工藝措施，備選處理工藝應(yīng)盡量利用全廠現(xiàn)有的水處理設(shè)施，留有接口，以便水質(zhì)惡化時(shí)，及時(shí)切換處理工藝。

(3)煙氣提水工藝調(diào)試及投運(yùn)時(shí)，應(yīng)定期監(jiān)測(cè)回收水質(zhì)情況，與設(shè)計(jì)水質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)實(shí)時(shí)水質(zhì)情況，調(diào)整處理工藝的加藥量，以滿足處理水質(zhì)要求。

(4)煙氣提水回收水作為脫硫工藝補(bǔ)水，長期循環(huán)使用，水質(zhì)的變化對(duì)石膏質(zhì)量的影響尚需進(jìn)一步研究。

(5)煙氣提水(混合式)水處理工藝采用旁流處理，長期循環(huán)使用，水質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，應(yīng)定期檢測(cè)循環(huán)水水質(zhì)，以便調(diào)整旁流處理量。