陶瓷膜烟气脱水工艺的水平衡分析

2021-06-03韩长亮谷小兵袁宗海李刚孙保民高丹

综合智慧能源 2021年5期

韩长亮，谷小兵，袁宗海，李刚，孙保民，高丹

（1.河北国华定州发电有限责任公司，河北定州073000；2.大唐环境产业集团股份有限公司，北京100097；3.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206）

0 引言

湿法烟气脱硫技术因脱硫效率高、适应范围广、钙硫比低、技术成熟等优点在我国火电行业中得到广泛应用［1］。但是，该技术中未饱和状态的烟气在经过脱硫系统时，高温烟气蒸发吸收塔内的水分最终达到饱和状态，出口烟气携带大量水蒸气，在温度较低的环境下水蒸气很容易发生凝结，产生“白烟”现象。部分燃烧褐煤的电厂，排烟中水蒸气的质量流量可高达280 t/h左右，烟气直接向外排出，不仅加剧“白烟”现象，还造成大量水资源浪费［2-4］。脱硫系统水耗在整个电厂水耗中占35%以上，其主要水耗有排烟中的水蒸气、脱硫废水及外排石膏表面水和结晶水等。其中，通过烟囱以水蒸气排出的水量占脱硫水耗的主要部分，根据不同电厂的水平衡计算，发现这部分水耗占脱硫总水耗的85%～95%［2-4］。因此，回收烟气携带的这部分水蒸气，对烟气消白及提高全厂水资源利用率具有十分重要的意义。

目前，主要的烟气脱水技术有冷却冷凝、液体吸收及膜分离技术。其中，冷却冷凝技术应用最为广泛，但其回收的水质相对较差，且低温冷凝过程中容易引起设备低温腐蚀，增加设备运行成本；液体吸收技术中，需消耗吸收剂，技术运行成本费用增加，且吸收剂在吸收水蒸气的过程中会有部分排放到大气中污染环境；膜分离技术相比前两者具有效率高、回收水质纯度高，以及协同去除超细颗粒物等优点，正逐步应用于火电机组烟气脱水过程［5-7］。

本文针对脱硫系统和除水装置建立水平衡模型，对陶瓷膜除水烟气消白工艺的水平衡进行计算，分析机组排烟温度、负荷及燃烧煤种等基本参数对水平衡分布的影响。同时，研究季节温差变化和陶瓷膜脱水效率等外部因素对水平衡分布的影响。

1 平衡模型及计算方法

随着各地政府对湿烟气治理的重视，烟气消白技术正逐步应用于火电湿法脱硫中［8］。其中，陶瓷膜脱水技术具有脱水效率高、协同处理微小细颗粒、脱水水质较高等优点，非常适用于火电机组湿法脱硫。陶瓷膜除水烟气消白工艺是通过加装除水装置来实现，在吸收塔后加装陶瓷膜除水装置，该系统通过冷却水将烟气降温，促进烟气中的水蒸气凝结，再通过陶瓷膜捕获，脱水水质较高，可直接用于脱硫系统工艺补水。

增加该系统后，脱硫出口烟气携带的大量气态水蒸气会被捕获，液态水蒸气基本全部捕获，脱水系统捕获烟气中的水蒸气用于工艺补水，烟囱出口水蒸气的质量流量大幅度减少，“白烟”现象完全消除，且脱硫系统工艺补水量显著下降，脱硫系统整体水耗降低。

陶瓷膜脱水用于工艺补水会对脱硫系统水平衡造成一定的影响。因此，需要在原有脱硫系统水平衡的基础上结合除水装置重新建立系统水平衡［9-10］。以脱硫系统和除水装置作为研究对象，建立物料平衡模型。针对整体系统建立固平衡、烟气平衡、氯平衡、水平衡、能量平衡等模块。物料平衡计算过程中各个子系统的平衡相互关联，水平衡作为能量平衡和烟气平衡的基础，在计算过程中还需要结合吸收塔内的氯平衡。

模型求解过程首先假定脱硫出口温度，进行烟气平衡、能量平衡、固平衡、氯平衡，以及水平衡联合计算，得出工艺补水量，根据计算出的吸收塔出口水蒸气对应的分压力进行校核。通过迭代计算求解模型，最终确定系统各部分水耗情况［11］。

2 结果分析

2.1 不同排烟温度下的水平衡

烟气排烟温度一般根据设计煤种含硫量及酸露点确定［12］，一般机组脱硫入口烟温为125℃，部分电厂在脱硫前设置低低温省煤器，使脱硫入口烟气温度下降至80～90℃［13］，同时，部分电厂因为使用煤种与设计煤种存在差异或受热面积灰等因素，致使脱硫入口烟温高达140～160℃［14］。脱硫入口烟温差异大，进入脱硫系统后在吸收塔内的蒸发作用不同，导致出口烟气携带水蒸气的质量流量各不相同。图1所示为冬季某600 MW机组在保持燃烧煤种、负荷，以及脱水效率一定的情况下，脱硫入口不同烟温下除水装置的捕水情况。

图1 脱硫入口不同烟温下除水装置的冬季捕水量Fig.1 Water captured by the water removal device in winter under different flue gas temperature

由图1可以看出，随着烟气温度升高，除水装置捕水量会持续增加。部分安装低低温省煤器的电厂，脱硫入口温度大幅下降，烟气在吸收塔内部蒸发作用减弱，脱硫出口烟气温度减小，脱硫出口烟气中水蒸气的质量流量大幅下降，除水装置捕水量减少，因此陶瓷膜除水装置不适用于安装低低温省煤器的电厂。对于排烟温度较高的电厂，脱硫入口温度大幅上升，烟气在吸收塔内部蒸发作用增强，脱硫出口烟气温度升高，烟气中水蒸气的质量流量显著增加，陶瓷膜组件在此过程作用效果显著，当脱硫入口烟温达到160℃时，陶瓷膜除水装置冬季每小时可从烟气中捕获水蒸气114.74 t，将陶瓷膜捕水用于工艺补水，将有效降低脱硫系统水耗，减少全厂用水量。

2.2 不同煤种下的水平衡

我国煤炭储量丰富，无烟煤、贫煤、烟煤及褐煤在我国各地区均有分布，不同煤种其挥发分、灰分及水分都具有较大差异，因此，锅炉在燃烧不同煤种时烟气成分也有明显差异。图2为600 MW机组在保持负荷、脱水效率，以及脱硫入口排烟温度一定的情况下，不同煤种的工艺补水量和除水装置冬季捕水量。

图2 不同煤种的工艺补水量及除水装置冬季捕水量Fig.2 Supplement of process water and water captured in winter by the water removal device with different kinds of coal

从图2可以看出，燃烧无烟煤（贵州兴仁）和贫煤（郑州）的除水装置捕水量较少，因为无烟煤和贫煤含水量较低，在经过吸收塔达到饱和状态时需要更多热量，导致出口烟温相应降低，烟气中水蒸气的质量流量下降。同时，吸收塔入口烟气含水量较低，工艺补水量较大，除水装置捕水用于工艺补水效果不佳。燃烧烟煤（定州和五彩湾）的冬季捕水量可达工艺补水量的70%～80%，节水效果显著。

对于褐煤（锡林浩特），因其含水量较高，在经过吸收塔达到饱和状态时需要较少热量，导致脱硫出口烟温升高，烟气中水蒸气的质量流量增加，除水装置捕水量增大。同时，燃用褐煤的电厂工艺补水量较小，除水装置捕水用于工艺补水效果十分显著。某600 MW燃用锡林浩特煤种的电厂冬季除水装置可捕获水蒸气124.00 t/h，工艺补水量仅为59.57 t/h，除水装置捕水量是工艺补水量的2.1倍，因此，陶瓷膜除水装置捕水量不仅满足工艺补水需求，同时还可用于其他系统补水。

2.3 不同季节下的水平衡

不同季节环境温度不同，空气相对含湿量存在差异。温度较低时相对含湿量较高，且烟气温差较大，更容易凝结大量水蒸气形成“白烟”现象［15］。形成“白烟”的根本原因在于烟气与空气混合后水蒸气的质量流量达到饱和态，气态水蒸气发生液化所致，适当降低烟气含湿量可有效消除此现象［16-18］。为满足烟气消白要求，夏季（4—10月）烟气经过陶瓷膜组件后含湿率不得高于11.0%，冬季（11月—次年3月）烟气经过陶瓷膜组件后含湿率不得高于9.5%。

冬季相比夏季，环境温度较低，根据空气温度与饱和蒸汽的关系，随着温度的降低，饱和蒸汽相对含水量逐渐下降。因此，水蒸气更容易发生凝结现象。为解决电厂烟囱出现“白烟”现象，不同季节对烟气含水量有不同要求。冬季对排烟含湿量要求比夏季高，除水装置需要捕获较多水蒸气以满足要求。某600 MW机组在保证负荷、燃烧煤种，以及脱水效率不变的情况下，冬季与夏季捕水情况如图3所示。夏季除水装置捕水量仅为33.97 t/h，冬季捕水量达到64.57 t/h，是夏季捕水量的1.9倍。因此，冬季除水装置节水效果更显著，对于北方火电厂在冬季运行时，可有效改善脱硫系统水耗情况。

图3 除水装置在夏季和冬季的捕水情况Fig.3 Water capturing capacity of thewater removal devicein summer and winter

2.4 机组负荷影响

在灵活性发电背景下，火电机组调峰变得越来越普遍，机组每天都要经历不同负荷的变化。随着机组负荷升高，进入吸收塔内的烟气量增加，在吸收塔内蒸发作用加强，出口烟气携带水蒸气的质量流量增加。图4为某600 MW机组在燃烧煤种、脱硫入口排烟温度，以及脱水效率一定时，不同负荷下除水装置的捕水情况。

从图4可以看出，随着机组负荷升高，除水装置捕水量明显上升，机组30%MCR（最大连续工况）负荷运行时，烟气量大幅减少，经过吸收塔的蒸发作用，脱硫出口烟气中总水蒸气的质量流量大幅下降，导致除水装置捕水量下降，仅为28.02 t/h。当负荷上升至100%MCR时，随着烟气的增加，除水装置捕水量提高了2倍以上。因此，机组在高负荷运行状态下除水装置捕水量较大，节水效果更明显。

2.5 除水装置不同效率的影响

图4 除水装置在不同负荷下的捕水量Fig.4 Water capturing capacity of the water removal device under different unit load

通过调节除水装置冷却水流量及温度提高换热效率，可以有效控制陶瓷膜脱水率［19-22］。图5为某600 MW机组冬季在脱硫入口烟温、负荷以及燃烧煤种一定时，除水装置不同脱水效率下的捕水情况。可以看出除水装置脱水效率提升，捕水量增加明显，脱水效率每提升10百分点，捕水量可增加约25.00 t/h。

图5 除水装置不同脱水效率下的捕水情况Fig.5 Water captured by thewater removal deviceunder different dehydration efficiency

当除水装置脱水效率为42%时，除水装置捕水量正好与工艺补水量相等，此时捕水可正好满足工艺补水量的要求，脱硫系统将无须额外取水用于工艺补水，脱硫系统用水量大幅下降。当除水装置脱水效率达到60%时，除水装置捕水量在满足工艺补水量的需求时，还额外增加42.08 t/h的捕水量用于其他系统，可有效减少全厂用水量。