鍋爐濕法脫硫系統排煙除濕脫白的技術途徑探討

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摘要:本文探討燃煤鍋爐各種濕法脫硫系統降排煙除濕脫白的技術途徑,鍋爐濕煙氣排煙除濕脫白首先是鍋爐低投入實現超低排放的可選擇途徑之一,還有回收低溫余熱節能和節水的顯著經濟效益。
1概述
我國火電燃煤鍋爐煙氣100%上了脫硫,其中超過90%采用濕法,通過采用低低溫電除塵器和/或末端濕式靜電除塵器改造,可以滿足新國標(GB13223-2011)要求、甚至實現超低排放。拋開投資和運行成本問題不說,就算我國各種燃煤鍋爐都達到超低排放水平,也不能徹底解決大氣霧霾污染,原因是現行標準規范有一大缺失,就是沒有排放煙氣濕度的控制指標,而這恰恰是形成霧霾的根源。反之如能有效解決濕法脫硫的排煙除濕脫白,不僅能根除霧霾污染,還能低成本實現環保達標、超低近零排放,特別是回收煙氣中的水分和余熱,年節水潛力幾十億噸,提高燃煤效率,能兼顧解決環境與發展的矛盾。本文嘗試估算我國燃煤鍋爐等各主要行業濕排煙放散的水份總量,介紹和探討~50°C低溫濕煙氣除濕脫白的技術途徑。
2我國濕排煙帶出水分的總量估算
水在自然界中呈現三種狀態:固態冰、雪,液態水、霧;氣態水蒸汽。水吸熱后會蒸發相變為水蒸汽進入大氣,大氣中的水蒸汽含量達到一定程度會飽和達到含濕量的最大值,飽和后的大氣遇冷降溫就會再相變為霧、雨、雪、冰雹等,自然界水變蒸汽、蒸汽冷凝成水是一個可逆過程,有其自身規律和平衡,我國最濕月份室外平均大氣濕度為12g/kg(~15g/Nm3),西北部大氣濕度低屬于干燥區域,東南部屬于高濕區域。
燃煤鍋爐濕法脫硫系統排煙帶出的水分,以300MW機組為例,脫硫系統的水平衡如圖1所示,脫硫系統每小時消耗水120m3/h,包括原煙氣帶水分71.8m3/h、脫硫增加40m3/h,年耗水量~100萬噸。按照燃燒噸煤放散煙氣10000Nm3/t、濕煙氣所含水分112g/Nm3估算,每燃燒1噸煤濕煙氣帶走水份1噸,主要包括煤中原始含水、脫硫補充水,2014年全國消耗煤36-37億噸,燃煤煙氣帶入大氣的水份高達三十多億噸。

其次是天然氣燃燒,煤改氣一直被國家和北京等有些地方做為控制大氣污染的主要技術措施,不談天然氣的來源和價格問題,也不論天然氣燃燒溫度高導致排煙氮氧化物含量高,一個很大問題是每燃燒1單位體積的天然氣,會產生2倍體積的水蒸汽。2014年我國天然氣消耗量1800億立方米,則產生3600億立方米水蒸汽,折合近3億噸水分。僅此兩項,我國放散濕煙氣每年就人為增加~40億噸的水分進入大氣。加上鋼鐵、化工等其它行業,我國工業煙氣排放總量超過50億噸,夾帶著達標后的殘余污染物成分,并且主要集中在京津冀、長三角、珠三角等經濟發展區域,分布極不均勻。由于煙氣中的二氧化硫等污染成分降低,按照設計規范排放煙囪又比以前降低。按照常識或檢測,都可以確定這一點就是我國近年來大氣環保控制指標逐年大幅降低、但霧霾卻加重的原因,是我國大氣污染控制從標準和技術規范層面必須盡快解決的問題。
3現有的除濕脫白技術
我國在引進的石灰石石膏濕法脫硫成套技術中,包含煙氣再熱器,業內稱GGH(Gas-GasHeater),通過濕煙氣與干煙氣間接換熱將其溫度抬升到80°C以上排放。采用GGH再熱器的優點是只需一組換熱器,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。隨后引進了熱媒循環煙氣再熱器MGGH(MediaGas-GasHeater),采用降溫和升溫兩組換熱器分離單獨布置,成功解決了堵塞、串煙問題,腐蝕問題通過換熱器采用耐腐材料也有解決辦法,新的問題是造價過高。由于MGGH再熱器的升溫換熱器是將濕煙氣間接升溫為干煙氣,腐蝕更突出,MGGH在國產化過程中,有些用戶只用降溫換熱器,用軟水或環境空氣做為換熱介質,升溫后回收利用,脫硫后濕煙氣直接排放。國外也有用戶采用輔助燃燒產生高溫干煙氣,與脫硫后濕煙氣混風+升溫除進行除濕脫白。
總之,我國火電鍋爐在實際大范圍推廣濕法脫硫過程中,原設計機組多拆除GGH,新建基本不用GGH,代之以防腐蝕煙囪直接濕排煙,鋼鐵、化工等其它行業也紛紛效仿,這就是導致我國產生嚴重霧霾的主要根源。有充分理由相信,按照我國現行大氣污染控制標準,就算燃煤等相關行業都完全達到超低近零排放標準時,也不能解決霧霾污染。
據介紹,濕煙氣采用升溫排放在一些發達國家是排放硬性標準,比如德國的《大型燃燒設備法》規定,煙囪入口溫度不得低于72℃;英國規定排煙溫度不得低于80℃,日本規定排煙溫度在90-100℃[6]。國外也確有一些企業采用濕煙氣不除濕直排,但由于當地國燃煤總量少、分散、環境容量大,不足于導致產生霧霾,也不應成為我國有關部門制定排放濕煙氣的標準依據。
不管什么有多少客觀和人為原因,筆者堅持認為,我國火電等行業濕法脫硫采用不除濕脫白濕排煙是一個技術路線和標準控制上的決策錯誤,是治理霧霾污染從法規標準層面必須糾正和增補的決定性控制指標。
4濕煙氣除濕脫白的新技術途徑
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1。

將上表繪制成圖2,圖中的O點就是目前濕法脫硫后放散濕煙氣的狀態點:平均溫度~50°C、含濕量為111.8g/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°C,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,見圖中OA線。采用GGH、MGGH升溫除濕,盡管分別存在換熱器堵塞、腐蝕、串煙、造價高、安裝空間緊張、增加阻損導致系統能力不足或電耗增加,但只要企業和有關標準管控部門認同濕煙氣除濕脫白對產生霧霾污染的重要相關性,推廣升溫除濕脫白從技術和操作管理層面是沒有問題的,需要增加投資和運行成本也是事實,存在環境治理與經濟效益之間的矛盾。
隨著相關技術的進步,通過嘗試新的除濕脫白技術來解決這一矛盾已經具備條件,在我國有必要研發相反方向的濕煙氣除濕脫白技術途徑,就是冷凝除濕為主的混合除濕技術,如圖OB所示:將脫硫后~50度C濕煙氣深度冷凝冷卻到25°C以下,也就是大氣平均溫度,如能進一步冷卻到15°C,然后再升溫到25°C效果更好。采用濕煙氣混合冷凝除濕脫白有技術有以下特點:
濕煙氣的飽和含濕量從111.8降低到26g/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。
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。前述300MW機組小時可回收冷凝水80噸,年回收80萬噸以上。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。
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。
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相關問題討論
濕煙氣冷凝除濕脫白技術與升溫除濕技術雖然溫差變化接近,但冷凝所需的冷量卻是升溫所需熱量的近6倍,主要是濕煙氣中所含水蒸汽的冷凝潛熱。同樣冷凝除濕從技術層面是沒有問題的,并且有多種不同冷凝工藝可供選用,關鍵也是投資多少、是否經濟。研究表明,要使冷凝除濕脫白技術經濟可行,首先必須解決大量廉價冷源,二是低溫余熱和冷凝水必須得到充分利用,三是換熱器的選擇需要合理實用,分別討論如下:
廉價冷源:要采用冷凝冷卻就必須有低于目標溫度5°C左右的冷源,僅從除濕脫白角度考慮,應優先選擇自然冷源,比如江河海地下水、北方寒冷地區冬季的冷空氣,如果自然冷源不足或從回收利用余熱的角度,就必須采用人工冷源,比如蒸汽噴射式熱泵、吸收式熱泵等,在提高6°C左右空調冷凍水的同時,可以回收低溫余熱。
低溫余熱的用途:電廠、鋼廠等低溫熱源的熱量一定是富裕的,應該優先內部利用,但也必須考慮外供社區民用,比如洗浴、醫院、學校、酒店、人工游泳池和景觀等民用熱水是一年四季都需要,但相比余熱量,需求量遠遠不足,而北方民用采暖和南方夏季空調等季節性需求量巨大,而且所需能量品質也低,是低溫余熱比較適合的用途,采用120°C~20°C大溫差供熱輸送距離達到100km也比燃煤成本低,而與燃氣供熱比可以輸送300km。余熱需求不均衡可以通過ORC、CO2等低溫余熱發電平衡。
換熱器的選擇:鍋爐空氣余熱器出口煙氣~130-150°C,采用低低溫技術的降溫換熱器冷卻到~90°C是合理的,換熱器本身存在的腐蝕問題可以通過選擇耐腐蝕合金、氟塑料、玻璃、碳化硅陶瓷管等換熱器解決,對后部干式電除塵器可以存在的腐蝕可以采用在換熱器入口增加噴煤粉、石灰粉等增大灰硫比的方法預防。降溫換熱器應該大力推廣,因為不僅回收的余熱品質高,更主要的是對于電除塵器實現超低排放、除酸、除二噁英、除重金屬等有害成分都有效果,而這些有害成分最好在脫硫前去除,以提高脫硫產物的品質。90°C以下的冷卻也要綜合比較,優先選擇間接換熱器冷卻,以提高回收余熱溫度和減少制冷量,可以考慮采用增加噴水的混合冷凝技術提高換熱器換熱效率減少換熱面積,同時低成本防腐蝕放和防結垢。而對于采用換熱器不經濟的溫度區域,可以采用直接噴淋冷凝的方法。
低溫冷卻的方式:如前所述,對于90°C以下的低溫濕煙氣,所含余熱量大部分是水蒸汽的冷凝潛熱,冷卻方式可以比較選擇:直接膨脹式熱泵蒸發器、低溫空調冷水間接水水換熱和/或噴淋冷卻,需要結合用戶的冷源種類和余熱用途綜合優化選擇。
與濕式靜電除塵除霧器的配合使用:濕式靜電除塵器是凈化濕煙氣的理想終端除塵器,還是頂級除霧器,可以確保實現超低近零排放,但目前設置在脫硫塔機箱除霧器后部,入口煙氣溫度在~50度C,設備造價浪費,因為大約20%的電場面積是用于處理水蒸汽,水蒸汽冷凝液PH值1-3產生低溫腐蝕是造價高的主要原因,而且是否能長期穩定運行也有疑問。將冷凝冷卻布置在濕電前對濕煙氣進行預處理可以解決許多問題,甚至有可能不用濕電也能實現超低排放和除濕脫白,煙囪也不再需要防腐。
結論與建議
1.為了徹底根除霧霾污染,火電行業大氣污染控制標新國標(GB13223-2011)必須增加排煙溫濕度控制指標要求,以實現排放煙氣的除濕脫白處理,首先采用成熟的升溫~80°C除濕脫白技術,
2.按相反方向研發應用冷凝除技術濕更經濟:建議為25度C以下、相對濕度70%以下,不僅有助于除霧霾,還有節水節能效益。
3.采用冷凝除濕可以降低采用濕電的成本,甚至不用濕電實現超低近零、除濕脫白排放,燃煤可以比天然氣更清潔。