660 MW燃煤機(jī)組尾部煙氣冷凝提水工藝及應(yīng)用

趙 敏，李治剛，姜英偉，吳建海，楊 金

（1.京能（錫林郭勒）發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；2.京能電力股份公司工程管理分公司，北京 100124；3.內(nèi)蒙古京寧熱電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

0 引言

水污染防治和水環(huán)境治理是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，隨著近年來《新環(huán)保法》《水污染行動(dòng)計(jì)劃》《中華人民共和國(guó)水污染防治法》《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案》等一系列法規(guī)政策的出臺(tái)和實(shí)施，國(guó)家大力推動(dòng)全社會(huì)節(jié)水，全面提升水資源利用效率。京能（錫林郭勒）發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱京能錫林發(fā)電）以建設(shè)清潔高效、零取水電水聯(lián)產(chǎn)綜合發(fā)電島為基礎(chǔ)，建成國(guó)內(nèi)首個(gè)清潔能源、生態(tài)建設(shè)、綠色農(nóng)業(yè)“三位一體”的草原生態(tài)示范項(xiàng)目。京能錫林發(fā)電首次在660 MW級(jí)火電機(jī)組上采用煙氣提水、電水聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)草原電站發(fā)電零取水，實(shí)施生態(tài)煤電轉(zhuǎn)型，生產(chǎn)清潔電能的同時(shí)回收了煙氣冷凝水。

1 煙氣提水工藝簡(jiǎn)介

煙氣提水技術(shù)基于水蒸氣飽和分壓相變?cè)?、表面更新理論和混合式冷凝換熱機(jī)理，其核心是煙氣冷凝提水技術(shù)，該技術(shù)是利用煙氣中水蒸氣分壓相變冷凝結(jié)露換熱原理，通過降低煙溫的方式，使煙氣中水蒸氣低于露點(diǎn)溫度后冷凝析出。濕法脫硫尾部?jī)魺煔鉃轱柡蜐駸煔?，隨著溫度的降低，煙氣含濕量下降，煙氣中的氣態(tài)水凝結(jié)為液態(tài)水，實(shí)現(xiàn)煙氣中水的回收。

燃煤機(jī)組原煙氣經(jīng)脫硫吸收塔脫硫除塵凈化后，達(dá)到超低排放的飽和凈煙氣（溫度約53℃）進(jìn)入冷卻凝結(jié)塔[1]。凝結(jié)塔內(nèi)設(shè)有管束式除霧器、噴淋層、湍流器、升氣盤，為提高換熱效率，避免因結(jié)垢、換熱材料的換熱系數(shù)等因素降低換熱效果，系統(tǒng)采用煙氣-冷凝水直接換熱技術(shù)。煙氣經(jīng)過升氣盤、湍流器均布煙氣后與噴淋的冷卻循環(huán)水（水溫約40℃）進(jìn)行氣液接觸混合實(shí)現(xiàn)降溫；降溫后的凈煙氣與噴淋液繼續(xù)接觸，大部分細(xì)小液滴被捕悉與噴淋液一起落下，細(xì)小液滴在上部的除霧器層被捕悉，極少部分液滴隨凈煙氣排放。循環(huán)冷卻水在冷卻凝結(jié)塔內(nèi)被加熱至約50℃，回收的循環(huán)水和煙氣冷凝液經(jīng)加藥調(diào)質(zhì)后，經(jīng)循環(huán)水泵送至冷源塔再次冷卻至40℃，重新返回冷卻凝結(jié)塔作為冷卻介質(zhì)[2]。循環(huán)冷卻過程中產(chǎn)生多余的水進(jìn)入回收水池，可直接用于脫硫系統(tǒng)補(bǔ)水，或經(jīng)化學(xué)處理車間處理后成為除鹽水，用于發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)補(bǔ)水，整體流程見圖1所示。

圖1 煙氣冷凝提水技術(shù)工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of flue gas condensation water extraction technology

該技術(shù)在回收冷凝水的同時(shí)，可進(jìn)一步脫除煙氣中的SO2、SO3、煙塵，降低排煙溫度和濕度，是當(dāng)前火電行業(yè)治理有色煙羽的主要技術(shù)手段之一。

2 工藝選型

2.1 模擬試驗(yàn)

對(duì)京能錫林發(fā)電660 MW機(jī)組進(jìn)行了混合式冷凝塔煙氣提水的中試試驗(yàn)。試驗(yàn)以混合式冷凝塔為核心設(shè)備，在吸收塔上部安裝煙氣冷凝器，凈煙氣經(jīng)冷凝提水后進(jìn)入煙囪。機(jī)組負(fù)荷率為80%，試驗(yàn)裝置負(fù)荷率為100%；啟動(dòng)1號(hào)、2號(hào)空冷器風(fēng)機(jī)。環(huán)境平均溫度為21.7℃。吸收塔入口SO2質(zhì)量濃度1 686.5 mg/m3，出口SO2質(zhì)量濃度6.1 mg/m3，脫硫效率99.6%。冷卻凝結(jié)塔出口SO2質(zhì)量濃度3.4 mg/m3，脫硫效率為43.4%。環(huán)境溫度20℃條件下，冷凝回收水量可達(dá)90 m3/h。

2.2 混合式煙氣提水系統(tǒng)配置

混合式煙氣提水系統(tǒng)的主要設(shè)備包括冷凝水噴淋、冷凝水收集、空冷、外排、加藥、電氣及熱控等七大系統(tǒng)。京能錫林發(fā)電煙氣提水系統(tǒng)配置如下。

2.2.1 冷凝水噴淋系統(tǒng)

冷凝塔內(nèi)配置3層噴淋層加1層高效湍流器。每層噴淋層對(duì)應(yīng)1臺(tái)循環(huán)泵（2運(yùn)1備），冷卻循環(huán)液總流量為7700 m3/h，單臺(tái)循環(huán)泵的流量為3850 m3/h。單層噴淋層設(shè)置噴嘴約220個(gè)。

吸收冷凝塔噴淋層上部設(shè)有管束式除塵器，凈煙氣經(jīng)管束式除塵器進(jìn)一步脫除粉塵及霧滴，提高收水率。出口粉塵質(zhì)量濃度控制在3 mg/m3以下。

2.2.2 冷凝水收集系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括塔內(nèi)升氣盤和塔外蓄水箱兩部分。煙氣通過升氣盤進(jìn)入冷凝塔，升氣盤收集的冷凝水通過襯膠的收集管送入蓄水箱內(nèi)。蓄水箱單獨(dú)布置在吸收冷凝塔旁。蓄水箱本體為鋼制，內(nèi)部采用雜化聚合材料GD-APC作防腐處理。蓄水箱內(nèi)設(shè)置有液位計(jì)，通過液位高低與后端空冷設(shè)備進(jìn)行連鎖，實(shí)現(xiàn)空冷設(shè)備的啟停。

2.2.3 空冷系統(tǒng)

56℃的高溫?zé)煔馔ㄟ^冷凝噴淋層與40℃的低溫循環(huán)冷凝液進(jìn)行換熱，換熱后煙氣溫度達(dá)到約49℃，循環(huán)冷凝液的溫度約將升至48℃以上。高溫冷凝液通過機(jī)力通風(fēng)冷卻塔完成降溫。冷卻塔的管排采用鋁材加GD-APC作防腐處理[3-5]。

2.2.4 外供系統(tǒng)

外供系統(tǒng)共設(shè)置3臺(tái)水泵，2運(yùn)1備。冷凝水通過水泵后一部分用于管束式除塵器的沖洗，剩余部分輸送到脫硫系統(tǒng)的工藝水箱或外供其他用水點(diǎn)。

2.2.5 加藥系統(tǒng)

兩臺(tái)機(jī)組各配一套加藥系統(tǒng)，包括堿溶解箱一座，計(jì)量泵3臺(tái)（2運(yùn)1備）及熱控儀表、閥門等。計(jì)量泵通過變頻控制蓄水箱加藥量，用來中和蓄水箱內(nèi)水的H+，提高pH值，以降低冷凝水的腐蝕程度。

2.3 冷凝水水質(zhì)

凈煙氣冷凝回收水中主要成分如下。

（1）脫硫吸收塔出口塵包含粉煤灰塵和石膏漿液塵兩部分，粉煤灰塵為不溶性固形物，即水質(zhì)中的懸浮物；而石膏漿液塵中分為可溶性固形物和不可溶性固形物?？扇苄怨绦挝餅槭酀{液中的可溶性硫酸鹽、鹵族鹽等，典型代表為MgSO4和MgCl2、Na2SO4、CaCl2等；不可溶性固形物主要以極微小（粒徑＜1μm）的石膏晶體和碳酸鈣顆粒為主。石膏漿液液滴中的SO42-質(zhì)量濃度為25 000 mg/L，Cl-質(zhì)量濃度20 000 mg/L，不可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)約6%。

（2）在冷卻凝結(jié)塔中脫除的SO2、SO3、HCl。SO2含量低，在噴淋洗滌過程中自氧化為SO42-，HCl含有Cl-，因此回收水中的主要成分為不溶性固形物（懸浮物）及以SO42-、Cl-為主的可溶性鹽。

（3）煙氣冷凝水在形成過程中，充分接觸煙氣中的SO2、SO3、HCl等，產(chǎn)出水pH值偏低，如直接用于全廠生產(chǎn)系統(tǒng)，會(huì)造成未進(jìn)行防腐的管網(wǎng)大面積腐蝕，因此通過添加堿性藥劑提高其pH值至6.5以上[6-7]。

3 應(yīng)用情況

3.1 用水情況

京能錫林發(fā)電建設(shè)初期即設(shè)計(jì)脫硫系統(tǒng)用水采用電廠煙氣深度提水系統(tǒng)的回收水，以實(shí)現(xiàn)脫硫零補(bǔ)水；其他生產(chǎn)用水全部使用廠外煤礦疏干水或水庫地表水，設(shè)計(jì)年用新鮮水量近600 kt。電廠煙氣提水系統(tǒng)投運(yùn)后，在環(huán)境溫度低于20℃時(shí)，提水量明顯優(yōu)于設(shè)計(jì)值，在保證附屬設(shè)備工藝用水量的同時(shí)也可以用于其他生產(chǎn)系統(tǒng)。經(jīng)過對(duì)煙氣提水蓄水池冷凝水化驗(yàn)，決定將回收水經(jīng)干式冷卻塔降溫至30℃后補(bǔ)入原水池，用于全廠生產(chǎn)用水水源，包括鍋爐補(bǔ)給水制水。不再使用煤礦疏干水或水庫地表水，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)首例火力發(fā)電生產(chǎn)“零取水”。

3.2 化學(xué)制水流程及水平衡試驗(yàn)

化學(xué)水處理系統(tǒng)采用預(yù)處理+全膜法工藝，流程為：煙氣冷凝水→干式冷卻塔→原水池→原水泵→機(jī)械加速澄清攪拌池→普快濾池→清水泵→超濾→超濾水箱→超濾水泵→一級(jí)高壓泵→一級(jí)反滲透→一級(jí)淡水箱→二級(jí)高壓泵→二級(jí)淡水箱→二級(jí)高壓泵→二級(jí)反滲透→EDI給水泵→EDI裝置→除鹽水箱。2019—2020年度合計(jì)589天進(jìn)行發(fā)電零取水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，京能錫林發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電生產(chǎn)零水耗。

水平衡試驗(yàn)結(jié)果見圖2。試驗(yàn)期間1號(hào)、2號(hào)機(jī)組均投入運(yùn)行，總發(fā)電負(fù)荷437.61~1 344.83 MW，平均發(fā)電負(fù)荷903.16 MW，平均總?cè)。ㄌ幔┧髁繛?10.8 m3/h，與總耗水流量為208.5 m3/h基本平衡，不平衡率為1.1%（＜5%），滿足試驗(yàn)要求。

圖2 供水及主要生產(chǎn)系統(tǒng)水平衡圖Fig.2 Water balance diagram of water supply and primary production system

4 效益分析

2019—2020年，京能錫林發(fā)電2×660 MW火電機(jī)組累計(jì)煙氣提水、電水聯(lián)產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間14 136 h；每臺(tái)機(jī)組額定工況下平均產(chǎn)水能力達(dá)到103~121 m3/h，累計(jì)節(jié)約發(fā)電取水量355.95萬m3；煙氣提水冷凝塔脫硫效率達(dá)76%~80.3%，高于計(jì)劃考核值（20%）。累計(jì)589天發(fā)電零取水，每年節(jié)水達(dá)1500 kt，單位發(fā)電耗水指標(biāo)達(dá)到電力（燃煤發(fā)電企業(yè)）行業(yè)清潔生產(chǎn)Ⅰ級(jí)基準(zhǔn)。

京能錫林發(fā)電2×660 MW燃煤發(fā)電機(jī)組煙氣提水、電水聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)總投資6 056.31萬元，投資回收期6年。各項(xiàng)費(fèi)用如表1所示。

表1 投資費(fèi)用明細(xì)Tab.1 List of investment cost 萬元

煙氣提水、電水聯(lián)產(chǎn)技術(shù)投資成本高，主要是設(shè)備及材料防腐費(fèi)用較高。但系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了脫硫系統(tǒng)零補(bǔ)水，無需廠外取用新鮮水，節(jié)約了用水成本。根據(jù)錫林電廠當(dāng)?shù)毓┧畠r(jià)格16.224 1元/m3（含增值稅6%）計(jì)算，則年節(jié)約成本1 556.7~1 755.9萬元。另外，京能錫林發(fā)電通過煙氣提水實(shí)現(xiàn)污染物超低減半排放直至趨零排放，保護(hù)草原生態(tài)9141畝。

5 結(jié)束語

京能錫林發(fā)電通過在傳統(tǒng)火電機(jī)組上增加煙氣冷凝提水設(shè)施，提升了煙氣排放的潔凈度，達(dá)到超低排放效果。2×660 MW火電機(jī)組年節(jié)水量達(dá)1500 kt，可解決我國(guó)西部、北部貧水地區(qū)新建火力發(fā)電廠面臨的水資源匱乏問題，大幅降低大型燃煤火力發(fā)電廠的水資源消耗量。該技術(shù)可為燃煤火力發(fā)電廠進(jìn)一步規(guī)模化節(jié)水，逐步實(shí)現(xiàn)零耗水提供新的技術(shù)方案和工程范例。