燃煤電廠脫硫廢水蒸發(fā)濃縮過程的熱平衡研究

馬孝棟，毛 霖，孫 文，荊 黎，李福龍，葉明君

（1.通遼第二發(fā)電有限責任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.國家電投集團遠達環(huán)保工程有限公司重慶科技分公司，重慶 401122；3.安徽淮南平圩發(fā)電有限責任公司，安徽 淮南 232089）

隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，我國發(fā)電裝機容量進一步增加。截至2021年5月底，全國發(fā)電裝機總量達到22.4億kW，裝機容量和發(fā)電量已連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一，其中，火力發(fā)電廠的裝機容量仍占到50%左右。目前，火力發(fā)電廠幾乎都采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)（FGD）減少二氧化硫的排放。在應用過程中，為了降低吸收塔被腐蝕的速度，該技術(shù)需要合理控制塔內(nèi)脫硫漿液的氯離子濃度，因此必須外排一部分廢水，即脫硫廢水。隨著環(huán)保政策的收緊，國家要求新建火力發(fā)電企業(yè)必須實現(xiàn)廢水零排放。

目前，我國電力行業(yè)脫硫廢水零排放一般都需要采用濃縮工藝，利用煙氣余熱進行濃縮也是主流濃縮工藝之一。本文對內(nèi)蒙古自治區(qū)某燃煤電廠600 MW機組旁路煙道廢水蒸發(fā)過程進行數(shù)值模擬，從理論上分析了不同煙氣條件對脫硫廢水蒸發(fā)濃縮的影響，并進行濃縮塔熱平衡分析，得到煙氣量、蒸發(fā)量和出口煙溫的關(guān)系，用以指導廢水蒸發(fā)系統(tǒng)的工藝設計。

1 熱平衡計算

噴淋塔循環(huán)蒸發(fā)脫硫廢水，可以實現(xiàn)脫硫廢水濃縮減量。從原理上講，抽取脫硫塔入口不飽和高溫煙氣進入濃縮塔，在濃縮塔內(nèi)，煙氣與霧化狀態(tài)的脫硫廢水液滴充分接觸和換熱，一部分廢水變?yōu)樗魵?，再被煙氣帶入后繼的脫硫塔內(nèi)。

煙氣中所能攜帶的水蒸氣總量通過飽和含濕量（H）衡量，即煙氣中水蒸氣分壓達到飽和分壓。一般大氣壓條件下，水蒸氣的飽和分壓主要受溫度影響。煙氣的含濕量計算公式為：

式中：為煙氣的含濕量，g/g；為煙氣中水蒸氣的摩爾質(zhì)量分數(shù)，取0.623；為煙氣的相對濕度，%，飽和煙氣取100%；為不同溫度下的水蒸氣分壓，Pa；為煙氣總壓強，Pa。

根據(jù)《煙氣脫硫工藝手冊》的技術(shù)要求，一般屋脊型除霧器屬于折流板式結(jié)構(gòu)，除霧器及其清洗水裝置采用聚丙烯（PP），材料的操作溫度為60 ℃。因此，要控制濃縮塔頂部出口煙溫在60 ℃。不同煙溫對應的飽和含濕量和水蒸氣質(zhì)量分數(shù)如圖1所示。溫度為60 ℃時，煙氣的飽和含濕量為0.15 g/g，對應的水蒸氣質(zhì)量分數(shù)為13.24%。溫度超過80 ℃時，煙氣的飽和含濕量急劇增加，但是受除霧器和后繼材料限制，要控制濃縮塔出口煙溫，濃縮塔能夠?qū)崿F(xiàn)的濃縮氣液比并不樂觀。現(xiàn)以上述燃煤電廠為例，進行熱量平衡理論計算。該燃煤電廠600 MW機組的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 不同煙溫下飽和含濕量和水蒸氣質(zhì)量分數(shù)

表1 電廠機組參數(shù)

為貼近電廠逆流噴淋塔實際情況，噴淋塔煙氣進出口采用水平布置、具有徑向速度的矩形煙道，蒸發(fā)塔采用圓筒塔設計，設計廢水蒸發(fā)量為4 t/h。經(jīng)建模，設計廢水蒸發(fā)量4 t/h的噴淋塔結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 噴淋塔結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，本方案中，噴淋塔布置兩層噴淋層。一方面，考慮增加霧化液滴的覆蓋率，按照100%截面積覆蓋設置；另一方面，增加更多的噴淋層也會增加濃縮塔高度，增加濃縮塔阻力。根據(jù)熱量平衡，煙氣降溫時放熱量、濃縮塔廢水蒸發(fā)時吸熱量和濃縮塔所有廢水升溫時吸熱量的計算公式分別為：

式中：Q為煙氣降溫時放熱量，kJ；Q為濃縮塔廢水蒸發(fā)時吸熱量，kJ；Q為濃縮塔所有廢水升溫時吸熱量，kJ；m為廢水蒸發(fā)量，kg/h；為汽化潛熱，kJ/kg；為蒸發(fā)溫度的飽和焓，kJ/kg；為新排入濃縮塔廢水的焓，kJ/kg。

2 結(jié)果分析

根據(jù)表1所列參數(shù)和圖2建模，通過計算分析不同煙氣量（以煙氣體積衡量）、蒸發(fā)量與出口煙溫的關(guān)系。計算結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，從4條曲線來看，越向右，曲線越密集，從趨勢上看，可能存在蒸發(fā)量上限。因此，在濃縮塔直徑固定的情況下，一味增加高溫煙氣量并不能增加廢水蒸發(fā)量。濃縮塔出口處煙氣含濕量和相對濕度的計算公式分別為：

圖3 不同廢水蒸發(fā)量下出口煙溫隨抽取煙氣量的變化曲線

式中：H為濃縮塔出口煙氣的含濕量，g/g；為濃縮塔入口煙氣的含濕量，g/g；V為煙氣流量，m/h；ρ為煙氣密度，kg/m；φ為濃縮塔出口煙氣的相對濕度，%；P為出口煙氣水蒸氣分壓，Pa；P為不同溫度下的水蒸氣飽和分壓，Pa。

根據(jù)式（5）和式（6），固定廢水蒸發(fā)量4 t/h，計算不同煙氣量（以煙氣體積流量衡量）下濃縮塔出口處煙氣的含濕量和相對濕度。計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 蒸發(fā)量為4 t/h時不同煙氣量下出口處煙氣的含濕量和相對濕度

由圖4可知，濃縮塔出口煙氣含濕量隨著煙氣量增加而降低，并且遠沒有達到飽和含濕量。當煙氣量為7.41萬Nm/h和10.01萬Nm/h時，蒸發(fā)塔出口煙溫分別為40 ℃和60 ℃，出口煙氣的含濕量分別為0.135 g/g和0.125 g/g，對應的相對濕度分別為24.68%和8.92%。因此，當出口煙溫為40～60 ℃時，出口煙氣的相對濕度遠低于100%，即出口煙氣不能都達到飽和。

3 結(jié)論

本文結(jié)合實際工程案例，利用該燃煤電廠煙氣條件進行建模，從理論上分析了不同煙氣條件對脫硫廢水蒸發(fā)濃縮的影響，包括煙氣量、蒸發(fā)量、出口煙溫等。研究表明，當設計出口煙溫為80 ℃時，用于完全蒸發(fā)脫硫廢水（蒸發(fā)量4 t/h）的煙氣量約為18.84萬Nm/h，此時煙氣的含濕量遠低于飽和含濕量，出口煙氣為不飽和煙氣。因為噴淋塔需要采用大噴淋量來實現(xiàn)廢水的濃縮減量，因此部分煙氣熱量用于提升脫硫廢水溫度，這部分煙氣設計量為理論完全蒸發(fā)煙氣量的20%，通入塔內(nèi)的實際煙氣量為22.62萬Nm/h。