660 MW超超临界锅炉净烟气取水装置的优化研究

王 林，杨 博，王红雨，姜宏伟，宋晓辉，张亚夫，高景辉，孟颖琪

(1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054； 2.华能锡林郭勒热电公司北方胜利电厂，内蒙古 锡林浩特 026000)

我国内蒙古地区煤炭资源丰富，但面临干旱缺水的客观气候条件，建设大型火电基地需首先解决火电机组耗水量大的问题[1]。燃煤在锅炉中燃烧后，自身固有的水分及燃烧反应形成的水分，最终都会先分散到烟气中，再排入大气[2-3]。经相关测算，大型电站锅炉烟气中的水分含量高达数十吨级，具有很大的回收利用潜力[4-6]。借助相关设备，回收利用上述水分，无疑将会大大提高缺水地区火电机组的综合竞争力。

内蒙古地区煤田多为含水量大的褐煤，其烟气中的水分，主要包括以下四部分：煤的外水分、内水分，氢元素氧化反应形成的水，湿法脱硫过程中夹带吸收塔内的水以及一二次风中空气含水[7-8]。

针对上述水分，本文提出在脱硫吸收塔出口烟道内增加一级烟气换热器，利用循环冷却水降低烟气温度，使得烟气中的水蒸气受冷凝结，从而析出冷凝水。设备实际运行表现表明，该套装置的节水效果显著，出力调节可靠。由于冷凝水回收量大，电厂短时间内难以全部利用，因此对净烟气取水装置进行了优化改造，增加湿式电除尘集尘板冲洗水以及脱硫吸收塔补给水作为其用户，从而使得该套装置实现了长期稳定运行，获得了节水与环保的双重效益[9]。

1 机组概况

某电厂2×660 MW机组工程采用了型号为HG-2114/29.3-HM14的超超临界直流锅炉。该锅炉整体构造采用塔式布局，燃用就地煤田提供的褐煤。其燃煤的基本特性分析如表1所示。

表1 燃煤特性分析

煤粉在炉膛内燃烧产生大量烟气，理论计算得到该工程脱硫吸收塔出口的烟气参数如表2所示。

表2 脱硫塔出口烟气特性参数

从表2可知，烟气中水蒸气所占的体积份额，设计煤种下为16.10%，校核煤种下为17.62%，因此可回收的水量极为可观。

2 净烟气取水装置简介

为回收利用高水分褐煤锅炉烟气中的水分，提出并建立了一套由循环水泵、间冷塔及烟道内换热器、冷凝水池组成的净烟气取水系统。

2.1 系统构成

净烟气取水系统原理图如图1所示。间冷塔中设置独立的2个扇区用于循环水的冷却。冷凝水循环系统内设计有专门的充水泵和膨胀水箱。正常运行时，可视膨胀水箱的液位随时进行系统补水，从而保证系统长时间稳定运行。

图1 净烟气取水系统原理图

脱硫塔后的净烟气接近于饱和湿烟气，其温度为55 ℃左右。在脱硫塔与烟囱之间设置一级换热器，用来降低烟气温度，析出烟气中的部分水分，从而达到回收水的目的。换热器的冷源介质为闭式循环冷却水，其在烟道中被烟气加热，然后送至间接冷却塔放热降温，再通过循环水泵送回换热器，最终完成吸放热的闭式循环。系统设计取水量如表3所示。

表3 净烟气取水系统取水量

烟气中的水蒸气被冷凝成液滴后，沿着换热器表面流淌至烟道底部，经集水槽、下降管，最终输送至烟气取水系统冷凝水池中，供电厂作为补给水使用。

2.2 烟气换热器

烟气取水换热器布置在脱硫塔和烟气除雾器之间，换热管材质选用钛管，布置形式为圆形光管顺列布置，壁厚1.2 mm。吸收塔烟道外壁尺寸为11 500 mm×6 000 mm，内部设置的烟气换热器参数如表4所示。

表4 烟气换热器设计参数

烟气取水换热器烟气侧流程为吸收塔→变径管(含导流板)→烟气取水换热器本体→除雾器→烟气加热器预留段→变径管→烟囱。

烟气取水换热器循环水侧流程为间冷塔冷却扇区→循环水泵→烟气取水换热器本体→间冷塔冷却扇区。

2.3 循环水泵

本工程设计的循环水量为3 200 m3/h，每台机组配置2×50%循环水泵，采用1拖2变频调节出力。两台泵同时满出力运行时，净烟气取水系统达到最大水回收能力。循环水泵的性能参数如表5所示。

表5 循环水泵主要参数

2.4 换热器水冲洗装置

进入烟气取水换热器的烟气，虽然经过了电除尘装置的净化，烟尘含量较低。但经过脱硫塔后，烟气中不可避免地会夹带含有石膏的小液滴。冷凝过程中，这些杂质也会在换热管表面黏附，形成隔热层，影响换热器的换热效率。此外，换热器后的除雾器也存在积灰问题。因此，分别设计了换热器冲洗水和二级烟道除雾器冲洗水装置，当烟气换热器进出口差压大于500 Pa时，即需打开冲洗水阀开始冲洗。

3 系统投用与优化改造

3.1 系统投运过程

利用充水泵向系统首次注水，并打开换热器各模块放气门。系统满水后，关闭各手动排气门，启动循环水泵，保持较低频率运行，强制建立水循环。循环水泵运转过程中，注意检查管道漏水点并及时紧固处理。

确认系统管道密闭良好后，增加循环水泵出力，开始对系统管道进行带压冲洗，直至取样口处水质优良，满足运行要求。

锅炉点火后，系统维持运行状态，根据膨胀水箱液位情况，及时补水。系统试运参数如表6所示。

表6 系统运行参数

从表6参数可知，净烟气取水装置运行正常，冷凝水回收效果优于设计值。

3.2 系统优化改造

实际应用过程中，发现系统回收的冷凝水量过大，超出了电厂补给水的耗用速度，为避免水池满溢，运行过程中还需暂停净烟气取水装置。这无疑是对设备性能的浪费。

针对上述问题，对净烟气取水装置进行了优化改造，增加湿式电除尘器极板冲洗水与脱硫塔补给水两路用户，结合循环水泵自有的出力变频调节能力，实现了装置的全过程投用。具体优化改造方案如图2所示。

图2 系统冲洗示意图

烟气经过脱硝、除尘、脱硫以及湿式电除尘等净化工艺后，内部固体杂质含量极低，冷凝水的水质清洁[10]，故可直接作为湿式电除尘的集尘板冲洗用水，并可直接作为脱硫吸收塔的补给水。上述两个新增用户，通过布设管道及增加增压泵即可满足运行要求。

本工程系统选用的循环水泵自带变频调节功能，且换热器入口处还设计有水量调节旁路。当冷凝水池液位持续上涨时，可降低循环水泵的转速，开大换热器前的旁路，从而减少进入换热器的冷却水量，降低水蒸气的凝结量，实现冷凝水量的调节。

增加上述用户后，结合循环水量调节手段，较好解决了机组运行过程中冷凝水池满水问题，净烟气取水装置实现了全过程的稳定运行。

4 结 语

针对内蒙古地区干旱缺水的自然条件，提出并应用了一套褐煤锅炉净烟气取水装置，利用冷凝法回收烟气中的水分，系统实际运行稳定，节水效果显著。针对冷凝水量过大，难以全部利用的问题，优化改造后增加了脱硫吸收塔补给水与湿式电除尘器集尘板冲洗水两个用户，结合循环水量的调节，最终实现了净烟气取水装置的长期稳定运行，取得了节水与环保的双重效益，该系统的优化改造经验也可供后续同类系统的建立提供参考。