信息詳細內容摘要：本文主要從燃煤電廠濕法煙氣脫硫余熱利用及煙氣消白技術路線及方案進行分析和探討，主要包括煙氣余熱利用和消白的政策背景、白煙羽產生的原因和危害、余熱回收和消白技術路線、主要裝置及設備介紹等方面的內容。本文結合工程實例介紹，提出一種針對燃煤熱源廠濕法煙氣脫硫煙羽治理及余熱利用的有效路線，為電廠煙氣拖尾治理提供借鑒。
1.引言
為實現“藍天保衛戰”，建設“美麗中國”，國家出臺了一系列與“超低排放”和“節能減排”相關的政策和標準，目前多數電廠在煙塵、SO2、NOx等污染物的排放指標方面均能達到國家排放標準的要求，實現了超低排放，使得主要污染物排放總量減少，環境得到極大改善。
在煙氣脫硫治理方面，以石灰石-石膏法為代表的濕法脫硫依然是環保市場的主流工藝，脫硫后的濕煙氣含有大量的水分、可溶性鹽和石膏顆粒等，這些物質以氣溶膠的形式進入大氣，濕煙氣與溫度較低的環境空氣接觸時，在煙氣抬升擴散的過程中，飽和或是接近飽和的濕煙氣由于溫度降低會產生冷凝及凝結，煙氣中形成大量的凝結水滴對光線產生折射、散射，從而出現“煙羽”，影響城市居民生活和城市感觀。
自2016年起，已有多省、地市、直轄市發布了與煙氣“消白煙”相關的政策、文件，要求采用溫度控制、濕度控制及其他有效措施消除石膏雨、有色煙羽等現象。
另外，濕法脫硫后煙氣為飽和或過飽和狀態，其中水蒸氣占比在12%-16%，煙氣中的水蒸氣會攜帶大量的汽化潛熱，如果將此部分熱量進行回收，即可實現節水、余熱利用的目的。
傳統的消白工藝是采用煙氣再熱器，業內稱GGH(Gas-Gas Heater)，通過濕煙氣與干煙氣間接換熱將其溫度抬升到80℃以上排放。采用GGH再熱器的優點是只需一組換熱器，但是在應用中出現了堵塞、腐蝕、串煙導致排放超標等一些問題影響了電廠的正常運行。本文針對中小型電廠余熱利用煙氣拖尾現狀，結合工程實例，提出一套行之有效的余熱利用和煙氣消白的技術，通過氟塑料換熱器有效解決GGH占地面積大、腐蝕、結垢、操作維護復雜等缺點，突破環保瓶頸。
2.白煙羽產生的原因和危害
濕法脫硫之所以會產生白煙,是因為在濕式脫硫系統中,脫硫劑溶液和高溫煙氣直接接觸,使煙氣被增濕冷卻,而脫硫劑溶液中的水分則吸熱汽化,導致煙氣中的水蒸氣總量大大增加。而隨著脫硫過程的進行,煙氣溫度逐漸降低,煙氣溫度的降低使煙氣攜帶蒸汽的能力降低,如蒸汽總量超出了煙氣的攜帶能力,就會有大量的水蒸汽凝結為小水滴,濕煙氣直接排放形成白煙，如圖一所示。
圖一：煙氣拖尾和霧霾
白煙羽產生的危害如下：
1）視覺污染
電廠通常位于城市近郊，周邊居民較多，整日看見煙霧將對其生活造成負面情緒。若煙霧泛出異色更是容易使電廠遭到周邊居民投訴。對電廠而言，巨大的煙霧無法不讓人聯想到巨大的污染，煙羽嚴重影響到了電廠及城市形象。
2）形成霧霾
時下社會最熱點的話題之一就是每況愈下的空氣環境，以霧霾為首。電廠鍋爐超過90%是濕法脫硫，排放溫度在50℃~60℃的飽和濕煙氣，濕度100~200g/Nm3（克/標方），而我國大氣的平均濕度僅為9g/Nm3，鍋爐濕法脫硫排煙濕度為大氣平均濕度的10倍以上。而研究表明，濕度越大的煙氣，越難以擴散。同時，煙溫越高越容易擴散。忽視排放煙氣的溫度與濕度一直為輿論所詬病。
3）石膏雨問題日趨嚴重
濕法煙氣脫硫（WFGD）出口凈煙氣溫度低、濕度大，并夾帶很多細小的液滴，煙囪附近常會出現“降雨”現象，影響局地氣候。
“石膏”是煙氣中夾帶的石膏漿液隨煙氣排放落到地面形成的。脫硫裝置凈煙氣中的石膏漿液主要來源于吸收塔噴淋層噴嘴霧化后的細小液滴，石膏漿液經噴嘴霧化后霧滴直徑一般在920μm，經碰撞后會產生少量在15μm左右的霧滴。除霧器無法攔截15μm以下的霧滴，因此凈煙氣中有一定量的石膏漿液是必然的。而且如果煙氣在除霧器中的流速超過設計值，除霧器的效果將大大降低，除霧器也會在高速的煙氣下生二次攜帶現象，大量的石膏漿液將會隨煙氣被帶入煙囪，形成凈煙氣帶漿現象。
煙氣中凝結的液態水與凈化煙氣中殘存的SO2會生成亞硫酸液滴，在氧氣的作用下，亞硫酸會進一步轉化成腐蝕能力更強的硫酸液滴，在煙囪內形成的硫酸液滴對煙囪構成露點腐蝕，縮短煙囪使用壽命。在煙囪外部，因蒸汽冷凝形成的硫酸液滴則以酸雨的形式回落至地面，進而加劇煙囟周圍設備的腐蝕速率。
3.余熱回收和消白技術路線
3.1.煙氣脫白原理圖
濕氣體的飽和含濕量與濕煙氣壓力和飽和溫度有關，壓力、飽和溫度越高含濕量就越高。濕法脫硫后的煙氣表壓為幾百帕的微正壓，可以近似視為恒定絕對大氣壓。在恒定大氣壓力下，濕煙氣的飽和含濕量只與飽和煙氣溫度相關，這在許多相關技術手冊中都可以查到，也可以計算。為方便討論，以1Nm3的干煙氣為基數，將其飽和含濕量與飽和溫度的關系列于表一。煙氣脫白原理圖見圖二。
表一：濕煙氣的飽和濕度與溫度的對應關系
濕煙氣飽和溫度，℃ 溫度，g/Nm3
表一：濕煙氣的飽和濕度與溫度的對應關系
煙氣脫白原理圖
圖二：煙氣脫白原理圖
通過機理分析濕煙羽治理的主要技術路線有兩種：
1.直接加熱：目前濕法脫硫后放散濕煙氣的狀態點：平均溫度~45℃、含濕量為84.1g/Nm3。在濕煙氣飽和含濕量不變的條件下，通過間接換熱方式將煙氣溫度升高到80℃，則煙氣的相對濕度就從100%降低到16%，成為干煙氣排放，屬于升溫除濕。但煙氣中殘留的細顆粒粉塵、硫化物、酸堿重金屬等隨著煙氣排放至大氣中，對大氣造成污染。
2.先冷凝再加熱：適應范圍最廣，一定條件下技術經濟性能好。首先對凈煙氣進行冷凝除濕，降低煙氣中含有的水分比例。然后再對煙氣適當加熱小幅度的溫度，再送入煙囪排放。加熱的方式，可以選用水媒式MGGH或者GGH方式，根據項目實際情況決定。
冷凝除濕為主的混合除濕脫白技術：將脫硫后~45℃濕煙氣深度冷凝冷卻到35℃左右，然后再升溫到60℃效果更好，煙氣提升后，煙囪抽力增加，便于排煙。采用濕煙氣冷凝除濕再熱技術有以下特點：
1）濕煙氣的飽和含濕量從84.1 g/Nm3降低到47.45g/Nm3以下，與大氣含濕量接近，實踐證明可以實現除濕脫白，從而有助于解決我國的大氣霧霾污染。
2）回收濕煙氣中的冷凝水，噸煤燃燒排煙水分減少0.8噸以上。全國脫硫預計年回收超過四十億噸水，超過全國海水淡化的總量，脫硫不僅不耗水，還能回收煤中的大部分水份，經過適當的處理后為脫硫或鍋爐提供補充水，應該被視為一個新的非常規水源。
3）濕煙氣中含有一定的余熱，每立方米干煙氣的余熱量~228kJ，大致相當于燃煤低發熱量的10%，回收用于民用采暖、熱水、制冷或低溫發電，預期可抵頂除濕成本。
4）冷凝除濕還有一個重要作用，就是可以將殘留的細顆粒粉塵、二氧化硫、酸、重金屬等大部分污染成分大部分冷凝進入排水中，是實現燃煤鍋爐放散煙氣低成本達標、甚至超低近零排放的可選擇技術之一。
5）除濕后煙氣中含水汽量減小，使得煙氣再熱所需熱量減小，煙氣再熱后不需要加熱至80℃就可以達到很好的脫白效果。
6）可以通過技術手段和設備回收煙氣中大量的汽化潛熱，并將低溫熱轉化為高溫熱，如果將此部分熱量進行回收，即可實現節水、余熱利用的目的。
3.2.設計基礎數據
以一臺75t/h循環流化床鍋爐為例，設計相關的基礎數據見表二和表三。
表二：設計基礎數據和要求
表三：75t/h鍋爐煙氣量數據
3.3.工藝路線
圖三：工藝路線圖
煙氣經過脫硫后，溫度為43℃，設計經過噴淋塔降溫后為33℃，煙道的煙氣量12萬立方米，噴淋液循環量300m³/h，供回水溫差為35/25℃，循環冷卻水中蘊含大量的熱量，采用水源熱泵系統回收所排放出的熱量，加熱一次管網回水，回水溫度由60℃提升到65℃，從而減少了一次能源消耗，實現了能量的有序利用,發展了循環經濟。
利用煙氣再熱器將冷凝器出口煙溫提升至60℃左右，熱源來自管網一次水。增設的煙氣再熱器系統布置在冷凝器與煙囪入口之間水平煙道上。冷凝器和再熱器均采用改性氟塑料。
4.主要裝置及設備介紹
4.1.吸收式熱泵
吸收式熱泵是消耗較高品位的熱能來實現將低品位的熱能向高品位溫度區傳送的目的。吸收式熱泵通常由蒸發器、冷凝器、吸收器、發生器及節流閥等組成。吸收式熱泵工質中最常見的有水-溴化鋰（工質為水，吸收劑為溴化鋰）、氨-水（工質為氨，吸收劑為水）及其他。吸收式熱泵又可按其供熱溫度的高低分為第一類吸收式熱泵（增熱型）、第二類吸收式熱泵（升溫型）。前者供熱的溫度低于驅動熱源，而后者供熱的溫度高于驅動熱源；前者以增大制熱量為主要目的，而后者以升高溫度品味為只要目的。
本項目所選離心式熱泵的特點：
① 單機制熱量大，機組數量少，機房土建費用少，節省初投資。
② 離心熱泵根據電廠實際工況設計，能效高，運行費用省。
③ 離心熱泵采用10KV的電機，無需高低壓變電，配電部分投資省。
4.2.氟塑料管式煙氣換熱器
氟塑料管式煙氣換熱器是以小直徑氟塑料軟管作為換熱元件，主要采用的是聚四氟乙烯（PTFE）或者其改性材料聚全氟代乙丙烯（FEP）和可熔性聚四氟乙烯（PFA）作為軟管制造原料。由于氟塑料具有極強的耐腐蝕性、良好的表面不沾性、較寬的溫度范圍和耐老化等優點，因此氟塑料管式換熱器具有以下特點：
（1）優異的耐腐蝕性能，對煙氣成分及酸露點溫度無要求
由于聚四氟乙烯屬化學惰性材料，除高溫下的元素氟、熔融態堿金屬、三氟化氯、六氟化鈾、全氟煤油外，幾乎可以在所有的介質中工作，因此氟塑料換熱器對煙氣成分沒有特殊要求，對換熱器管壁溫度和煙氣酸露點沒有特殊要求。
（2）換熱管表面光滑，不積灰，不結垢，易清理
由于聚四氟乙烯管的化學惰性、表面光滑性、繞曲性和高膨脹系數，使換熱管表面及內壁都十分光滑，管外煙塵不易粘結、堆積，管內熱媒在換熱面很難結垢，可以大大減少了設備的維護和清洗次數，保證了其能在相對穩定的傳熱系數下長期安全運行。同時，由于氟塑料不怕酸腐蝕，可以設置在線水沖洗對其進行清灰，清灰方便、徹底。
（3）薄管壁，換熱性能良好，體積小
氟塑料換熱器采用的是薄壁管，壁厚0.3～1mm，所以克服了聚四氟乙烯材料導熱系數低的缺點，換熱器整體換熱性能良好。同等換熱量量的情況下，氟塑料管換熱器的體積是金屬管換熱器體積的1/4。
（4）柔性疲勞強度高，經久耐用
聚四氟乙烯具有較高的柔性疲勞強度，且不含光敏基因，具有優異的耐大氣老化性，因此其加工的管材經久耐用。
在焊接強度保證的情況下，運行中氟塑料換熱管不會發生應力開裂，無泄露風險，基本可以做到免維護。
（5）耐溫耐壓性能良好
聚四氟乙烯的使用溫度為-180～+260℃，其加工的氟塑料軟管可在200℃以下的各種強腐蝕性介質中良好運行。經過測試，壁厚小于0.3-1mm 的小直徑氟塑料軟管可在≤1.0MPa 的壓力下，長期安全工作，因此其可以滿足除鹽水煙氣換熱需求。
（6）優化的結構設計
換熱器采用模塊化設計的垂直懸掛結構，結構簡單，強度可靠，便于安裝和檢修更換，能夠很好的吸收因溫度變化引起的熱變形。
（7）全面的防腐保護
換熱器的換熱元件采用耐腐蝕的氟塑料管，所有的支撐結構件均采用碳鋼襯氟塑料材料，連接螺栓采用2205合金材料，避免了材質腐蝕，最大限度地延長了換熱器的使用壽命。
（8）在線沖洗系統
換熱器的水沖洗系統采用在線固定式高壓水沖洗裝置，并裝設有深入式沖洗支管，可以沖洗到管束內部，保證了良好的沖洗效果，避免了灰塵的堆積與結垢。
5.結語
目前針對脫硫濕煙氣消白的技術路線有十幾種，本路線是我單位結合消白的機理、國家政策標準、工程投資、運行費用、工程實踐等制定的專門針對中小型熱源廠的一條專門化技術路線，此技術路線在實現煙氣消白的同時還可以實現煙氣余熱利用，節約能耗和水耗，通過回收的熱源效益和節約的標煤成本逐年抵消工程投資，達到收回工程投資的目標。總之，本路線可在實現環境效益的同時，實現一定的經濟效益和節水效益。
參考文獻
[1] 動力工程師手冊編輯委員會，《動力工程師手冊》 機械工業出版社[M] . 2001年5月
[2]王秉銓，《工業爐設計手冊》 機械工業出版社[M] . 2011年6月
[3]張昌，《熱泵技術與應用》 北京機械工業出版社[M] . 2008年8 月
[4]姚玉英，《化工原理》上（第三版），天津大學出版社[M].
[5]錢頌文，《換熱器手冊》，化學工業出版社，北京，工業裝備與信息工程出版中心[M].
[6]《中華人民共和國國家標準·管殼式換熱器GB151-1999》[M] .
