燃煤电厂烟气冷凝除尘试验研究

2020-05-29蒋海涛季元良张玉斌

发电设备 2020年3期

蒋海涛，林科，李刚，张星，季元良，张玉斌

(山东博然电力科技有限公司，山东烟台 264006)

化石燃料燃烧提供能量的同时产生的烟气也带来了严重的大气污染问题。火力发电厂产生的大气污染物主要是二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、二口恶英、可吸入颗粒物、细颗粒物、重金属等，其带来的主要问题包括导致全球变暖、形成酸雨、破坏大气环境等。近几年，我国许多地区出现雾霾天气，并且有加重趋势，其主要原因就是空气中漂浮着大量的细颗粒物[1-3]，而火力发电厂是主要源头之一。

国内火力发电厂大都配备了湿法烟气脱硫(WFGD)系统，经WFGD系统后的烟气中可吸入颗粒物大大减少，但其对细颗粒物的脱除却很有限，而且还增加了烟气中的石膏颗粒和石灰石颗粒[4]，烟气中细颗粒物的质量分数不到 10%，但细颗粒物的数量却占总颗粒物数量的98%以上。WFGD 系统可脱除烟气中的部分颗粒物[5]，但难以有效脱除亚微米级颗粒物。因此，笔者采用冷凝除尘技术，对细颗粒物的脱除情况进行了试验研究和分析。

国内外学者已对应用蒸汽相变原理促使细颗粒物凝并长大进行了广泛研究。杨林军等[6]研究得出利用蒸汽在微粒表面凝结是促使细颗粒物增大的最有效措施之一。BOLOGA A等[7]先使亚微米级微粒在饱和蒸汽中凝结长大，然后用静电除尘器对平均直径为66 nm、质量浓度为35～55 g/m3的颗粒(由木材燃烧产生)进行脱除，脱除效率可达90%～95%。

笔者以某300 MW燃煤机组WFGD系统脱硫塔出口的净烟气为处理对象，采用耐腐蚀性能优异的塑料型换热管束对烟气进行冷却，测试相变冷凝除尘技术的效果，同时测试换热管束的传热及阻力特性。

1 冷凝除尘技术原理

脱硫塔出口的烟气处于湿饱和状态，且夹杂大量液滴，冷凝除尘即通过对湿饱和状态的烟气进行冷却，烟气中蒸汽发生冷凝相变，蒸汽以细颗粒物为凝结核发生相变，使颗粒物粒度增大、质量增加，同时产生扩散泳和热泳的作用，促使细颗粒物迁移运动，相互碰撞接触，从而使细颗粒物凝并长大，长大后的颗粒物通过机械碰撞等作用被脱除。

2 试验系统

试验系统流程见图1，系统主要包含塑料型换热器、烟气风机、蓄水池、供水箱、冷却塔、水泵、烟气挡板等。塑料型换热器采用细光管管束形式，规格参数见表1，管束为顺排布置，管外通烟气，管内通冷却水。通过烟气风机抽取脱硫塔出口湿饱和烟气，经过塑料型换热器换热后再回到脱硫主烟道。换热器管内通入循环冷却水，并通过冷却塔对循环水进行冷却降温。烟气在塑料型换热器中的冷凝水通过蓄水池收集。

图1 试验系统流程图

表1 塑料型换热器规格参数

采用自动烟尘采样仪对换热器进出口烟气粉尘进行等速取样，用天平称量后计算烟气中粉尘含量。水侧流量采用超声波流量计测量。试验过程中对电厂燃用煤质进行取样分析。

3 结果分析

3.1 换热管束的传热特性

烟气的冷凝相变程度与换热管束的传热特性有着密切关系，由于烟气处于湿饱和状态，换热管束的传热为相变传热，其传热效果要优于无相变传热的情况，表2为换热管束传热性能参数表(烟气流速为换热管束间最小截面流速)。

表2 换热管束传热特性

从表2中可以看出：换热管束传热系数在350 W/(m2·K)以上，主要原因是换热管为光管形式且管径小，同时由于烟气中的蒸汽在管外发生凝结，极大地提高了传热效率。传热系数随烟气流速的增大变化不大，说明管外冷凝相变传热为影响传热效率的主要因素，烟气流速降低时，烟气停留时间增长，冷凝作用增强，传热可能会高于流速高的情况。

3.2 换热管束的阻力特性

图2为不同烟气流速下换热管束烟气侧的阻力变化。从图2可以看出：随着烟气流速的增加，阻力呈明显上升趋势，主要是由于烟气流动处于湍流区，阻力随烟气流速的增加会有明显增大。

图2 烟气阻力随烟气流速的变化

3.3 换热管束的除尘效果

湿饱和烟气流经换热管束时，蒸汽以细颗粒物为凝结核发生相变凝结，使颗粒物粒度增大、质量增加、惯性增大，然后通过与换热管束润湿的表面发生机械撞击而被捕获，捕获的颗粒物随管束表面往下流动的液膜流动而被收集。表3换热管束进出口粉尘质量浓度及除尘效率。

从表3中可以看出：平均除尘效率可达到58.6%，出口粉尘质量浓度在4.5 mg/m3左右，不同烟气体积流量下，除尘效率变化不大。3个工况烟气温降均在2 K左右，由于烟气处于湿饱和状态，烟气中蒸汽冷凝释放的热量为相变放热，热量很大，小幅度温降即可释放大量的热量。

对于燃煤电站，烟气冷凝除尘换热管束最佳安装位置位于湿法脱硫塔出口烟道内，烟气温度为50 ℃左右，对于采用湿式冷却塔的电厂，凝汽器出口凝结水温度一般小于40 ℃，换热管内循环冷却水吸收的热量可用于加热该凝结水，降低发电煤耗；可采用蒸汽驱动的吸收式热泵，脱硫塔出口烟气作为低温热源，产生的热量可用于供暖或加热凝结水。此外，换热管外冷却收集的水可用于补充脱硫塔，降低脱硫水耗。据测算，300 MW机组脱硫塔出口烟温降低1 K时，冷凝水质量流量约增加6 t/h。因此，回收烟气中的水对于缺水地区具有重要意义。