浆液冷却烟气脱白设计影响因素及节水效果分析

王东雷

（徐州华润电力有限公司，江苏省 徐州市 221000）

0 引言

近期已有多个省市相继出台相关政策，明确要求对燃煤电厂可视烟羽进行脱白处理，以减少视觉污染，进一步改善空气质量。徐州地区的烟气综合排放标准为： 4—10月冷凝后烟温达到 47 ℃，烟气含湿量在10.4%以下； 11月—次年3月冷凝后烟温达到45 ℃以下，烟气含湿量在9.5%以下。

目前，已投入使用的烟气脱白技术主要有氟塑料/金属换热管间接冷凝烟气脱白技术、喷淋水降温直接冷凝烟气脱白技术、浆液冷却烟气脱白技术[1-4]。前2种烟气脱白技术会增加烟气阻力，需要在停机状态下施工，这在一定程度上限制其推广应用。浆液冷却烟气脱白技术凭借对脱硫系统改动小、不增加烟气系统阻力、可以在机组正常运行状态下实施改造的优点，已被多家燃煤电厂作为优选的烟气脱白改造方案。

本文就排烟初始温度对换热器换热负荷的影响及水温对循环冷却水水量的影响进行分析，对原烟气水蒸气携带量的影响因素及浆液冷却烟气脱白对脱硫系统水平衡的影响进行探讨，并对烟气脱白的节水效果进行估算，以期对工艺设计中排烟初始温度、循环冷却水温度的选择以及水平衡计算、工艺设计优化提供参考。

1 湿烟羽的形成原因及影响因素

在烟气与脱硫浆液进行传热传质过程中，热量由高温烟气传递给温度较低的脱硫浆液，烟气因传热而降温，脱硫浆液因吸热而升温，并气化部分水分，烟气露点温度和绝对含湿量逐渐升高，实现烟气的水汽饱和。饱和湿烟气排放至温度较低的周围环境中，遇冷降温，烟气中的水蒸气过饱和凝结成细小液滴，并对光线产生折射、散射作用，形成可视湿烟羽，产生视觉污染[5-8]。

湿烟羽的严重程度与排烟温度、环境温度、环境相对湿度密切相关[9-12]。在相同环境温度条件下，排烟温度越高，含湿量越大，扩散至大气中所需的时间越长，飘散距离越远。环境温度越低，空气的饱和含湿量越小，烟气降温凝结成的细小液滴越多，湿烟羽越浓厚。环境相对湿度越高，烟气扩散所需要的大气量越多，湿烟羽拖尾越长。

2 浆液冷却烟气脱白的原理

作为浆液冷却烟气脱白的核心设备，浆液换热器安装于最顶层浆液循环泵的出口母管，其为不锈钢材质的宽流道全焊接板式换热器，换热器相邻板片之间组成矩形通道。吸收烟气热量温度较高的脱硫浆液与取自机组循环水系统温度较低的冷却水分布于换热板片两侧，通过逆流传热降低脱硫浆液的温度。

浆液换热器投运前，脱硫浆液通过喷淋作用雾化成细小液滴，与进入塔内的烟气进行传热传质，实现烟气的水汽饱和，此时烟气的状态如图1中的A点所示。该饱和烟气排放至图1中B点所示的周围环境中，遇冷降温，形成白色烟羽。直线AB与饱和湿度曲线所组成的封闭区域即代表浆液冷却前的饱和烟气排放至周围环境的白色烟羽生成区。进入脱硫塔的烟气携带的热量主要通过饱和烟气携带出脱硫塔。

图1 排烟温湿度变化对白色烟羽的影响Fig.1 Effect of temperature and humidity change of smoke exhaust on white smoke plume

浆液换热器投运后，因吸收烟气热量而升温的脱硫浆液在换热器内与冷却水进行逆流传热，通过换热板片将一部分脱流浆液吸收的热量传递给冷却水，脱硫浆液因传热而降温，冷却水因吸热而升温，并将吸收的热量携带出脱硫系统。此时，进入脱硫塔的烟气携带的热量主要通过饱和烟气及冷却水携带出脱硫塔，饱和烟气携带的热量较浆液换热器投运前减少，其饱和温湿度将沿着饱和湿度曲线降低，如图1中的C点所示。直线CB与饱和湿度曲线所组成的封闭区域即代表浆液冷却后的饱和烟气排放至周围环境的白色烟羽生成区。由图1可以看出，随着排烟温度的降低，烟气排放的白色烟羽生成区大幅减少。

3 浆液冷却烟气脱白设计影响因素

3.1 排烟温度对换热负荷的影响

排烟温度越高，烟气携带的热量越多，烟气降温所需要的换热负荷越高。根据某机组的运行数据，其夏季的排烟温度可高达54 ℃，冬季的排烟温度不超过50 ℃。一年中排烟温度超过50 ℃的时间段仅占约5.1%。表1 为执行新的烟气排放标准后，排烟温度分别降低至47、45 ℃时，不同降温幅度对脱硫浆液换热器换热负荷的影响。

由表1可以看出，随着排烟初始温度的降低，烟气降温所需的换热负荷在逐步降低。在夏季，当排烟初始温度为54 ℃时，烟气降温所需要的换热负荷是50 ℃时的2.8倍。在相同排烟初始温度条件下，冬季降温所需要的换热负荷超过夏季。

表1 不同降温幅度对换热负荷的影响Tab. 1 Effect of different cooling ranges on heat transfer load

由于机组排烟温度较高的时间段较少，且排烟初始温度可以通过优化锅炉的燃烧、烟气余热回收进行调整[13]。因此，在确定烟气脱白改造的设计排烟初始温度前，应通过试验确定机组的烟温调节余量，并对冬季降温条件下的换热负荷进行核算，以减少建设投资费用。

3.2 水温对循环冷却水水量的影响

循环冷却水可以直接取自机组冷却塔。冷却塔水温随季节变化差异较大，冬季的水温可低至0 ℃，夏季的水温则高达34 ℃。一方面，在排烟初始温度均为50 ℃的条件下，由于冬季的排烟温度较低，烟气降温所需要的换热负荷约是夏季的1.6倍。另一方面，冬季的环境温度相对较低，浆液换热器的对数平均温差约是夏季的2.4倍，循环冷却水的冷却效果较好。因此，在排烟初始温度相同的条件下，夏季烟气降温所需要的循环冷却水水量更多，故只需研究夏季的水温变化对换热器循环冷却水水量的影响。

表2为在相同换热负荷条件下，水温变化对浆液冷却烟气脱白所需循环冷却水水量的影响。可以看出，随着冷却水水温的升高，烟气脱白所需要的循环冷却水水量在大幅增加。

表2 水温变化对换热器循环冷却水水量的影响Tab. 2 Effect of water temperature change on circulating cooling water quantity of heat exchanger

在炎热的夏季，冷却塔的冷却余量有限，冷却负荷的大幅增加会影响凝汽器的真空，增加机组的发电煤耗。以徐州地区为例，新建冷却负荷为15.1 MW的机械通风冷却塔，其夏季的运行能耗仅为100 kW/h，而在寒冷的冬季，其运行能耗基本为0 kW/h。因此，对于冷却余量有限的机组，宜配套设置冷却效率高的专用机械通风冷却塔，为换热器提供冷却水源。

4 脱硫系统水平衡影响因素分析

进入脱硫系统的水分主要由原烟气带水和以除雾器冲洗水、制浆用水、管道冲洗水、设备冷却水等形式进入脱硫系统的工艺水组成，并通过排烟带水、石膏带水、脱硫废水排放维持脱硫系统的水平衡。排烟温度降低后，烟气的水分携带能力降低，将对脱硫系统原有的水平衡产生影响。

4.1 原烟气水蒸气携带量影响因素分析

进入脱硫塔的水分绝大部分来自于原烟气[14]，原烟气中的水蒸气主要有5个来源：1）煤炭中的氢元素燃烧后产生的水蒸气，煤中氢元素的质量分数一般在3%～6%；2）煤中的水分，不同煤种的水分差异很大，最少的仅为2%，最多的可达50%～60%；3）燃烧空气中的水蒸气，不同温湿度条件下空气中的水蒸气含量差异较大，在环境温度40 ℃的条件下，0.1 MPa时饱和空气的饱和含湿量可达49.6 g/kg(干空气)；4）锅炉吹灰蒸汽，一般根据实际投运吹灰及吹灰蒸汽量决定；5）烟气脱硝生成水量。

以煤耗425.5 t/h的机组为例，氢元素、水分含量对煤炭燃烧后水蒸气生成量的影响如表3所示。

表3 氢元素、水分含量对煤炭燃烧后水蒸气生成量的影响Tab. 3 Effect of hydrogen content and moisture content on water vapor generation after coal combustion

由表3可以看出，H元素、水分含量的变化对煤炭燃烧后水蒸气的生成量影响较大，因此在选择设计煤种时，除应参考历年的煤质数据选择有代表性的煤种外，还应考虑连续降雨对所选煤种含水量的影响。

机组煤炭消耗量越大，所需要的燃烧空气越多，燃烧空气携带的水量越大。实际生产中，燃烧空气的湿度一直在变化，在进行浆液冷却烟气脱白的水平衡设计时，应以最恶劣工况条件(即燃烧空气为饱和状态时)的水蒸气携带量进行计算，以确保该恶劣工况下脱硫系统的水平衡。

表4为在机组煤耗为425.5 t/h时，不同环境温度条件下燃烧空气中的含水量变化情况(以饱和湿度计算)。

表4 饱和空气温度变化对燃烧空气含水量的影响Tab. 4 The effect of saturated air temperature change on water content of combustion air

由表4可以看出，环境温度越高，机组燃烧空气中的含水量越多。因此在进行脱硫系统水平衡设计时，应根据当地的历史气象数据，选择有代表性的天气数据作为脱硫系统水平衡的设计气象参数。

4.2 排烟温度对烟气水蒸气携带量的影响

在新的烟气排放标准执行前，排烟温度较高，烟气的水蒸气携带能力强，为维持脱硫塔液位的稳定，常常需要定期补充一定量的工艺水。在执行新的烟气排放标准后，排烟温度降低，其水蒸气携带能力大幅下降，脱硫塔原有的水平衡状态可能被破坏。

以320 MW机组为例，排烟温度由50 ℃分别降低至夏季要求的47 ℃、冬季要求的45 ℃时，排放烟气的水蒸气携带量将由128.5 t·h-1分别减少至108.5、96.8 t·h-1，夏季的烟气携带量较冬季高11.7 t·h-1。相对于冬季，夏季的空气温度高、含湿量大，由燃烧空气带入脱硫系统的水量较冬季高约30 t·h-1，远超11.7 t·h-1，因此应选择高温高湿天气条件下的气象参数作为脱硫系统水平衡的设计气象参数。

4.3 脱硫系统水平衡计算

对于确定的机组，其脱硫系统由石膏排放、脱硫废水排放携带出脱硫系统的水量为定值。原烟气中由煤炭燃烧、烟气脱硝、锅炉吹灰携带进脱硫系统的水量也为定值。机组排烟温度确定后，经烟气排放携带出脱硫系统的水量也为定值。燃烧空气的水分携带量由燃烧空气的实际需要量及温湿度决定，对携带进脱硫系统的水量影响较大。

在煤炭燃烧、烟气脱硝过程中，煤炭及液氨中各元素的转化可以作如下简化：

在标准状态下，碳、硫元素的氧化产物不影响燃烧空气的标干态体积，氮、氧元素的释放使燃烧空气的标干态体积增加，氢元素的氧化将消耗氧气，减少燃烧空气的标干态体积。据此对应关系，结合脱硫系统原烟气的标干态体积、设计煤种参数、烟气脱硝液氨消耗量，即可推算出选定气象条件下燃烧空气的水分携带量，确定由燃烧空气携带进脱硫系统的水量，进而得出脱硫系统水平衡条件下的工艺水补水量。

表5为执行新的烟气排放标准后，某320 MW机组高温高湿天气条件下的脱硫系统水平衡计算表。

表5 脱硫系统水平衡计算表Tab. 5 Water balance calculation table for desulfurization system

由表5可以看出，在新的烟气排放标准执行后，在环境温度为40 ℃、相对湿度为80%的极端工况条件下，为保证水平衡，脱硫系统工艺水的补水量需要由25 t·h-1减少为0.1 t·h-1。

4.4 脱硫系统水平衡工艺设计

由于脱硫原烟气、机组排放烟气、脱水石膏的水分携带量很难进行调整，因此，在进行脱硫系统的水平衡设计时，宜优先对进入脱硫系统的工艺水进行全面的回用与替代，仍无法满足的，只能通过增加脱硫废水的排放量来控制脱硫系统的水平衡。

进入脱硫系统的工艺水主要包括设备密封水、真空泵冷却水、烟道冷凝水、管道冲洗水、地面冲洗水、石灰石制浆水、滤布冲洗水、除雾器冲洗水。设备密封水、真空泵冷却水的水质较好，可以直接回用至循环冷却水系统。烟道冷凝水的含固量较低，pH值在1～3之间，回用至循环冷却水系统对冷却水水质有调节作用[15]，并可减少换热器的结垢风险。管道冲洗水、地面冲洗水对水质要求较低，可以用处理后的脱硫废水替代。使用滤液水替代工艺水制备石灰石浆液已有比较广泛的应用。滤布冲洗水经过滤降低含固量后，即可循环使用。除雾器冲洗用工艺水水量较大，对水质的要求较高[16]，处理后的脱硫废水钙离子浓度较高，直接替代工艺水冲洗将增加除雾器的结垢风险，因此只能部分替代，或者在脱硫废水预处理阶段加入碳酸钠，同步降低脱硫废水的硬度，再用于除雾器冲洗，以减少除雾器结垢的风险。

5 烟气脱白节水效果分析

循环冷却水在换热器内吸收脱硫浆液的热量升温，并通过机械通风冷却塔降温，一部分热量通过冷却水的蒸发释放至环境大气中，其水分蒸发量与环境温度密切相关，可以通过循环冷却水估算法估算[17]。排烟温度降低后，烟气的水蒸气携带量减少，其与循环冷却水蒸发量、漂滴损失的差值即为浆液冷却烟气脱白的节水量。

干球温度对烟气脱白节水效果的影响如表6所示。可以看出，随着干球温度的降低，浆液冷却烟气脱白的节水量逐渐增多。在机组排烟初始温度为50 ℃、干球温度为40 ℃时，该320 MW机组烟气脱白系统的节水量仍高达9.8 t·h-1，节水率约为49.0%。

表6 干球温度对320 MW机组烟气脱白节水效果的影响Tab. 6 Effect of dry bulb temperature on flue gas de-whitening and water-saving effect of 320 MW unit

6 结论

对于拟采用浆液冷却工艺进行烟气脱白的机组，应结合机组历史运行数据，通过试验确定机组夏季的烟温调节能力，以确定最佳的设计初始烟温。在炎热的夏季，机组冷却塔的冷却余量有限，而烟气脱白需要的换热量较多，直接使用机组循环水降低烟气温度将影响凝汽器的真空，增加机组的发电煤耗。因此，在进行烟气脱白改造时，建议配套建设专用的机械通风冷却塔。

煤炭中氢元素含量、水分含量、燃烧空气的温湿度对脱硫系统原烟气的含水量影响较大。在进行脱硫系统的水平衡计算时，应参考历年的煤质、气象数据，选择有代表性的煤种及气象天气条件，并考虑连续降雨对设计煤种含水量的影响。在进行脱硫系统的水平衡设计时，应首先考虑工艺水的全面回用与替代，其次可通过增加脱硫废水的排放量来控制脱硫系统的水平衡。对于拟进行脱硫废水零排放改造的项目，应综合考虑零排放改造对系统水平衡的影响，以便在脱硫系统的水平衡设计时预留一定余量。

浆液冷却烟气脱白的节水效果受干球温度影响较大，干球温度越低，节水效果越显著。对于320 MW燃煤机组，即使在干球温度为40 ℃的极端高温天气条件下，其节水效率仍高达49.0%。