淺析鍋爐煙氣深度余熱回收及凈化技術(shù)

吳兆帥 婁來巖

（1.濟(jì)南藍(lán)天熱力有限公司，山東 濟(jì)南 250001； 2.北京華源泰盟節(jié)能設(shè)備有限公司，北京 100086）

1 項目概述

某熱源廠現(xiàn)有4臺水煤漿鍋爐用來供熱，總負(fù)荷為280 MW，現(xiàn)在對4臺鍋爐排煙系統(tǒng)增設(shè)煙氣余熱回收系統(tǒng)，余熱回收量按照實際供暖負(fù)荷計算考慮4臺鍋爐滿負(fù)荷運行計算，利用吸收式熱泵機(jī)組來回收煙氣余熱用于冬季供暖，將煙氣溫度降至25 ℃排至大氣。熱網(wǎng)水經(jīng)熱泵加熱后，再進(jìn)鍋爐加熱至指定溫度送至用熱場所。

經(jīng)過計算，配置了2臺直燃型吸收式熱泵、2臺熱泵噴淋塔及2臺鍋爐噴淋塔用于余熱回收利用。系統(tǒng)全年回收煙氣余量33萬GJ，回收煙氣凝結(jié)水13.8萬t。系統(tǒng)新增電耗約958 kWh，系統(tǒng)設(shè)備及煙道改造引入阻力約350 Pa，年消耗30%液堿172.8 t，系統(tǒng)運行年運行成本295.3萬元，年節(jié)能收益1 709萬元，額定年純收益1 414萬元，靜態(tài)投資回收期 4.2年。

2 技術(shù)原理

供暖燃煤鍋爐在運行時會排放大量的高溫?zé)煔猓瑹煔饨?jīng)過除塵、脫硫、濕電除塵后排入大氣，濕電除塵后排煙溫度約為52 ℃，煙氣蘊含大量的潛熱，直接排放不僅帶來了能源的浪費，而且由于濕度較高，會形成煙囪冒“白煙”現(xiàn)象[1]。

煙氣消白-余熱回收技術(shù)在脫硫塔后新設(shè)置了1個直接接觸式噴淋換熱器，噴淋換熱器可以直接替代部分煙道與脫硫塔串聯(lián)布置。煙氣進(jìn)入噴淋換熱器之后，與其中的低溫噴淋水直接接觸換熱降溫，溫度降低至露點以下，煙氣水蒸氣冷凝成水并釋放出大量的潛熱。升溫后的噴淋水進(jìn)入蓄水池，進(jìn)行沉淀過濾，過濾后的清水在主循環(huán)泵的作用下進(jìn)入吸收式熱泵蒸發(fā)器作為低溫?zé)嵩础＿^濾產(chǎn)生的污水及大量的煙氣凝水則進(jìn)入污水處理設(shè)備進(jìn)行凈化處理，凈化合格的水作為脫硫塔的工藝補水或其他工藝補水。吸收式熱泵機(jī)組以燃?xì)怛?qū)動運轉(zhuǎn)，從噴淋水中提取熱量，將需要加熱的工藝循環(huán)水加熱，在熱泵機(jī)組中降溫的中介水再返回噴淋換熱器，完成一整套循環(huán)[2]。

濕法脫硫工藝的廣泛應(yīng)用為低品位的煙氣余熱回收技術(shù)帶來了條件。經(jīng)過濕法脫硫處理后，高溫干煙氣轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏仫柡蜔煔?，同時硫含量大大降低，腐蝕問題得以緩解。針對濕法脫硫工藝后煙氣的低溫、高濕特點，利用清華大學(xué)提出的“基于噴淋換熱的煙氣余熱回收與減排消白一體化技術(shù)”，結(jié)合“空塔噴淋”、“吸收式換熱”、“煙氣再熱”，能夠?qū)崿F(xiàn)徹底消除“濕煙雨”“石膏雨”，同時低溫?zé)煔獾纳疃扔酂峄厥绽每蓜?chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)價值。

煙氣中的水蒸氣隨著煙氣溫度降低不斷凝結(jié)，凝結(jié)的水分實際上都來自于脫硫塔噴淋漿液蒸發(fā)的水分，這部分凝結(jié)水在蓄水池經(jīng)過沉淀后進(jìn)入脫硫塔補水系統(tǒng)，作為補水返回脫硫塔，能夠有效緩解濕法脫硫工藝為電廠帶來的補水壓力。

在噴淋換熱器中，由于煙氣與低溫中介水直接接觸換熱，在降溫的同時，通過中介水對煙氣的洗滌作用，還能夠有效地降低煙氣中SO2、NOx以及粉塵濃度，減少最終排煙中污染物的排放。

采用上述余熱回收技術(shù)，能夠?qū)駸煔鉁囟扔擅摿蛩隹诘?0 ℃降低至30 ℃左右，充分回收煙氣中的熱量，回收的熱量用于加熱熱網(wǎng)水；同時回收煙氣中的冷凝水，作為脫硫塔補水利用，減少濕法脫硫的失水量；而且通過對排煙進(jìn)行再次洗滌處理，減少約55%以上的SO2，8%以上的NOx排放，并顯著降低了排煙粉塵的含量，從而同時達(dá)到節(jié)能、節(jié)水、消白減排的多重效果。

2.1 技術(shù)優(yōu)勢

基于噴淋換熱的煙氣降溫消白余熱回收技術(shù)的優(yōu)勢有5點：1）回收余熱的同時減少污染物排放濃度，回收水分，實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水、消白減排多重功效。2）自動對中間循環(huán)水進(jìn)行水處理，有效地避免對設(shè)備產(chǎn)生腐蝕。3）煙氣余熱深度回收，增加了燃料利用效率，減少了消耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益。4）冷凝水經(jīng)過水處理后可以回收利用，減少了排煙中水蒸氣的含量，避免了冒“白煙”現(xiàn)象。5）可以在原工藝管道上安裝流量調(diào)節(jié)閥，將工藝水引入熱泵機(jī)組。通過調(diào)節(jié)閥門，實現(xiàn)原始運行模式與余熱回收模式之間的自由切換，對原系統(tǒng)并無影響。

2.2 余熱回收系統(tǒng)

整套煙氣余熱回收系統(tǒng)主要包括以下分系統(tǒng)：煙氣系統(tǒng)、吸收系統(tǒng)、除霧系統(tǒng)、pH自控系統(tǒng)以及工藝水系統(tǒng)。

2.2.1 煙氣系統(tǒng)

煙氣余熱回收裝置設(shè)計為立式逆流噴淋塔。脫硫后煙氣從噴淋塔底部側(cè)面進(jìn)入塔內(nèi)，與噴淋的中介水液滴逆流接觸，進(jìn)行換熱、除塵和脫硫反應(yīng)。煙氣中的熱量和污染物被中介水吸收，經(jīng)過除霧器除去煙氣中的液滴。

2.2.2 吸收系統(tǒng)

吸收系統(tǒng)包括噴淋塔、噴淋裝置、中間循環(huán)泵及管路、中介水水箱回用水泵和過濾器等。

煙氣余熱回收裝置為立式逆流噴淋塔。噴淋塔內(nèi)設(shè)有噴淋霧化噴嘴。中介水在中間循環(huán)泵提供的壓力下，被噴嘴霧化為細(xì)小液滴，從而形成較大的比表面積，與煙氣充分接觸、換熱、吸收酸性物質(zhì)及煙塵。

中介水水箱設(shè)計有多種作用，既是中介水的儲存場所，又是煙塵的沉淀場所，還是pH調(diào)控場所。中介水水箱通過保持液位，防止循環(huán)泵出現(xiàn)汽蝕，同時將煙氣中大量凝結(jié)水的回用至制氧化鎂漿液工藝補水，系統(tǒng)自動保持循環(huán)水量的平衡。

噴淋塔為該系統(tǒng)的核心設(shè)備，經(jīng)過設(shè)計計算、模擬保證煙氣達(dá)到最佳換熱流速，煙氣阻力＜300 Pa。中介水水箱采用玻璃鋼防腐材質(zhì)，噴淋塔體采用碳鋼玻璃鱗片防腐結(jié)構(gòu)，塔內(nèi)所有部件采用防腐材料制造。中介水水箱箱體采用密封設(shè)計，可以防止雜質(zhì)進(jìn)入中介水造成熱泵系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)堵塞事故[3]。

2.2.3 除霧系統(tǒng)

除霧器經(jīng)過特別設(shè)計，設(shè)置了成屋脊式多層布置的葉片，并集成與噴淋塔內(nèi)部，除霧葉片通過控制煙氣流速和流場，使液滴與葉片碰撞，能夠有效地截留煙氣中所攜帶的液滴。

2.2.4 pH自控系統(tǒng)

pH自控系統(tǒng)包括堿罐、堿液泵、pH在線儀表和自動閥門等。

中介水噴淋吸收煙氣中的SO2等酸性氣體后，pH值下降。自動加藥系統(tǒng)的功能是中和溶解于中介水中的酸根，保證系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定。中介水pH值通過在線儀表連續(xù)檢測，并與自動加藥裝置做自控連鎖，當(dāng)pH值低于設(shè)定值，自動加藥系統(tǒng)運行。

加藥罐采用碳鋼材質(zhì)，圓柱形結(jié)構(gòu)，設(shè)計容量滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行。加藥泵采用耐腐蝕隔膜式計量泵。

2.2.5 工藝沖洗水系統(tǒng)

工藝沖洗水系統(tǒng)主要通過沖洗水泵定時沖洗鍋爐噴淋塔的除霧器，將除霧器附著的污垢沖洗干凈，保持除霧器的除霧效果。沖洗水來源取自中介水箱，不單獨設(shè)置工藝水箱。

2.3 新增系統(tǒng)煙氣阻力分析及防腐技術(shù)

在煙道中新增加了噴淋換熱器，相對于原煙道來說，噴淋換熱器的設(shè)置會帶來部分額外的阻力，這部分阻力主要包括2類，一類是由于噴淋換熱器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)布置而出現(xiàn)的，主要包括除霧器部分阻力、噴淋管帶來的阻力以及噴水帶來的阻力；另一類是由于換熱導(dǎo)致煙氣溫度降低、密度增加，帶來的煙囪自拔力下降。

以處理煙氣流量為1 000 m3/h換熱器為例，分析其新增阻力情況，煙氣溫度降低后，煙氣中的水蒸氣體積占比由10%降至5.5%，由于水蒸氣的減少，因此煙氣體積流量也相應(yīng)減少，減少量約為4.8%。同時，由于溫度的降低，煙氣密度增加了3.5%，因此，經(jīng)過噴淋換熱器前后，煙氣的總體積減小了8.3%。煙氣總體積減小，而在煙囪流通截面積不變的情況下，煙囪內(nèi)部流速同等比例降低，使煙囪部分沿程阻力減小，減小量與流速的平方成正比，約為15%，而由于密度增加帶來的自拔力下降，僅為3.5%，因此，煙囪沿程阻力的降低完全抵消了自拔力下降帶來的不利影響。

根據(jù)以往的經(jīng)驗，噴淋換熱器內(nèi)部煙氣流速維持在2 m/s～3 m/s，可以達(dá)到較好的換熱效果，煙氣流速為3 m/s時，新增噴淋換熱器帶來的阻力為221.8 Pa，考慮到20%的余量，則阻力為266 Pa。

余熱回收系統(tǒng)對原鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)增加了266 Pa左右的阻力，帶來的影響極小，一般引風(fēng)機(jī)余量可以克服。

經(jīng)過濕法脫硫工藝后，雖然煙氣中的硫含量大幅度下降，煙氣的腐蝕特性得到了很大程度的緩解，但是煙氣中仍然含有部分SO2，隨著煙氣中水分的凝結(jié)，勢必會溶解部分SO2，導(dǎo)致噴淋水呈現(xiàn)酸性，對余熱回收系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備（與噴淋循環(huán)水直接接觸的各設(shè)備）帶來一定的腐蝕性問題，因此，防腐設(shè)計也是余熱回收系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行不可或缺的一部分。

系統(tǒng)的防腐設(shè)計主要有3種方式：1）通過對噴淋循環(huán)水的處理，減少其本身的腐蝕性。2）使用耐腐蝕的材料作為設(shè)備制作材料。3）對設(shè)備進(jìn)行內(nèi)襯、刮玻璃鱗片等防腐處理。

在該技術(shù)中，3類方式都有所采用。該技術(shù)采用了煙氣-水噴淋式換熱塔，內(nèi)部并不存在單獨的換熱面，這就很大程度地改善了煙氣-水換熱過程中出現(xiàn)腐蝕的情況。同時，噴淋水與煙氣換熱后匯入循環(huán)水箱，對循環(huán)水進(jìn)行水質(zhì)處理，使系統(tǒng)整體的pH值保持穩(wěn)定。在該技術(shù)中，通過自動加堿系統(tǒng)對循環(huán)水進(jìn)行調(diào)節(jié)，將pH值控制在5～7，防止循環(huán)水酸性過大使管道以及熱泵設(shè)備損壞。

該技術(shù)對與噴淋循環(huán)水直接接觸的設(shè)備都進(jìn)行了材料限制，噴淋換熱器內(nèi)部的除霧器，噴淋層都采用316 L不銹鋼制造，而噴嘴選擇為SIC材質(zhì)耐腐蝕噴嘴，循環(huán)水管道上安置的過濾器采用玻璃鋼或316 L不銹鋼制作，同時，吸收式熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器換熱管采用鈦麻面管。

2.4 系統(tǒng)減排效益分析

余熱回收系統(tǒng)采用了直接接觸式煙氣-水換熱器，在換熱的過程中，噴淋循環(huán)水還對煙氣進(jìn)行洗滌，以此脫除了部分煙氣中殘留的SO2、NOx以及粉塵，帶來環(huán)保效益。

相比于NOx，SO2更易溶于水，因此噴淋換熱器對SO2有更高的脫除效率，根據(jù)以往的工程以及實驗測試結(jié)果，增加噴淋換熱器后，排煙中SO2濃度可降低55%以上，NOx濃度可以降低8%以上，按照這一比例，在余熱回收系統(tǒng)投運前后，按照之前排放水平達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，其排煙污染物濃度變化為：經(jīng)過余熱回收后，煙氣溫度也有所降低，溫度的降低會給污染物的擴(kuò)散帶來不利的影響，但是余熱回收系統(tǒng)對污染物擴(kuò)散帶來的影響，是綜合了煙氣溫度降低以及煙氣本身排放濃度減少兩方面。鍋爐房周圍地區(qū)污染物落地濃度在余熱回收系統(tǒng)運行前后的變化如圖1所示。

從圖1中可以看出，對于SO2的擴(kuò)散來說，由于余熱回收系統(tǒng)顯著的減少了排放濃度，因此盡管煙氣溫度降低會影響擴(kuò)散，但是余熱回收之后，SO2的下風(fēng)向落地濃度均是明顯降低的，說明余熱回收系統(tǒng)的投運，能夠明顯減少鍋爐房周圍SO2的濃度，不會給擴(kuò)散帶來不利影響。

圖1 余熱回收前后SO2、NOx落地濃度變化圖

NOx在余熱回收前后并沒有明顯的差距，溫度降低帶來的影響抵消了被濃度降低帶來的影響，鍋爐房周圍的NOx濃度雖然在一定程度上有所升高，但是排放的總量卻在減少。

由此可以看出，余熱回收系統(tǒng)雖然降低了排煙溫度，但是對于污染物的擴(kuò)散卻有積極的作用。

3 技術(shù)方案

3.1 方案設(shè)計邊界條件

某熱源廠現(xiàn)有4臺水煤漿鍋爐運行負(fù)荷情況及當(dāng)?shù)厝細(xì)狻㈦?、水價格如下：1）4鍋爐熱功率280 MW，單臺按70 MW計算，按4臺鍋爐滿負(fù)荷率考慮。2） 鍋爐效率90%，燃煤熱值17.45 MJ/kg。3） 熱網(wǎng)回水溫度46 ℃，熱網(wǎng)流量3 185 t/h。4）燃?xì)鉄嶂担? 000 kcal/Nm3，氣價為1.71元/Nm3。5）電價：0.8元/度；熱價為26.7元/m2。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計流程及說明

3.2.1 示意圖

某熱源廠4臺水煤漿鍋爐，利用吸收式熱泵機(jī)組回收煙氣余熱系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

3.2.3 流程說明

煙氣自脫硫塔流出后進(jìn)入噴淋式換熱塔內(nèi)放出顯熱和潛熱，使4×70MW燃煤鍋爐的煙氣溫度從52 ℃降至25 ℃，降溫后的煙氣回到濕式電除塵器入口，然后從煙囪排至大氣。降溫的過程隨著大量余熱被噴淋水吸收，且產(chǎn)生了大量煙氣的凝水。熱網(wǎng)回水46 ℃，3 185 t/h全部進(jìn)入2臺熱泵加熱至67.3 ℃?；厥諢煔鈧?cè)中介水的熱量，中介水溫由35 ℃降低到20 ℃。整體系統(tǒng)實現(xiàn)煙氣余熱回收，對煙氣余熱充分利用，凝水回用至脫硫塔工藝補水，確保了整個系統(tǒng)污水零排放。

4 項目經(jīng)濟(jì)性分析

項目實施后，系統(tǒng)雖然消耗了一定量的電，但是回收了大量的煙氣余熱，總熱量全部轉(zhuǎn)移至熱網(wǎng)水中，燃煤消耗量減小，使整個供熱系統(tǒng)的熱效率大幅提高。

4.1 余熱回收效益

圖2 煙氣余熱回收系統(tǒng)示意圖

根據(jù)當(dāng)?shù)毓醿r格，可以按照26.7元/m2的供熱價格計算收益，見表1。

表1 余熱系統(tǒng)收益計算表

4.2 煙氣凝結(jié)水回用量

煙氣凝結(jié)水量為48 t/h，運行時間120 d，回收利用總水量13.8萬t。

4.3 項目運行成本

根據(jù)當(dāng)?shù)仉姟⒁簤A等物價價格，計算該系統(tǒng)每采暖季運行成本，見表2。

表2 余熱系統(tǒng)運行成本計算表

4.4 項目經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)表1、表2收益及運行成本分析，計算該項目額定凈收益及回收年限，見表3。

表3 余熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析計算表

4.5 環(huán)保效果

通過煙氣余熱回收系統(tǒng)對排煙進(jìn)行再次洗滌處理，顯著減少SO2、NOx、粉塵的排放，從而同時達(dá)到節(jié)能、節(jié)水、消白減排的多重效果，減排數(shù)據(jù)見表4。

表4 節(jié)煤、SO2、NOx、粉塵減排估算表

5 結(jié)論

通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析對比得出以下3個結(jié)論：1）通過對燃煤鍋爐排煙的初步分析，脫硫后的排煙溫度約52 ℃，煙氣中仍存在大量的水蒸氣，水汽的汽化潛熱含量大，排煙熱損失大，因此該鍋爐具有巨大的余熱回收利用的空間。2）余熱回收系統(tǒng)2臺余熱回收量16 MW機(jī)組，采暖季對4×70 MW鍋爐進(jìn)行煙氣余熱回收，使鍋爐煙氣溫度降至25 ℃。3）系統(tǒng)全年回收煙氣余量33萬GJ，回收煙氣凝結(jié)水13.8萬 t。系統(tǒng)新增電耗約958 kWh，系統(tǒng)設(shè)備及煙道改造引入阻力約350 Pa，年消耗30%液堿172.8 t，系統(tǒng)運行年運行成本295.3萬元，年節(jié)能收益1 709萬元，額定年純收益1 414萬元，靜態(tài)投資回收期 4.2年。該工程響應(yīng)國家政策，積極發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)，努力推進(jìn)煙氣消白余熱回收利用，采用吸收式熱泵回收鍋爐的排煙損失熱量，將這部分余熱通過吸收式熱泵加以利用，降低了燃煤鍋爐能源消耗，提高鍋爐的熱效率，合理利用了能源。

綜上所述，水煤漿鍋爐煙氣存在大量潛熱，存在改造的必要性和條件，應(yīng)進(jìn)行煙氣深度余熱回收系統(tǒng)改造。