燃煤电厂脱硫废水蒸发浓缩过程的热平衡研究

马孝栋，毛 霖，孙 文，荆 黎，李福龙，叶明君

（1.通辽第二发电有限责任公司，内蒙古 通辽 028000；2.国家电投集团远达环保工程有限公司重庆科技分公司，重庆 401122；3.安徽淮南平圩发电有限责任公司，安徽 淮南 232089）

随着国民经济的持续发展，我国发电装机容量进一步增加。截至2021年5月底，全国发电装机总量达到22.4亿kW，装机容量和发电量已连续多年稳居世界第一，其中，火力发电厂的装机容量仍占到50%左右。目前，火力发电厂几乎都采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术（FGD）减少二氧化硫的排放。在应用过程中，为了降低吸收塔被腐蚀的速度，该技术需要合理控制塔内脱硫浆液的氯离子浓度，因此必须外排一部分废水，即脱硫废水。随着环保政策的收紧，国家要求新建火力发电企业必须实现废水零排放。

目前，我国电力行业脱硫废水零排放一般都需要采用浓缩工艺，利用烟气余热进行浓缩也是主流浓缩工艺之一。本文对内蒙古自治区某燃煤电厂600 MW机组旁路烟道废水蒸发过程进行数值模拟，从理论上分析了不同烟气条件对脱硫废水蒸发浓缩的影响，并进行浓缩塔热平衡分析，得到烟气量、蒸发量和出口烟温的关系，用以指导废水蒸发系统的工艺设计。

1 热平衡计算

喷淋塔循环蒸发脱硫废水，可以实现脱硫废水浓缩减量。从原理上讲，抽取脱硫塔入口不饱和高温烟气进入浓缩塔，在浓缩塔内，烟气与雾化状态的脱硫废水液滴充分接触和换热，一部分废水变为水蒸气，再被烟气带入后继的脱硫塔内。

烟气中所能携带的水蒸气总量通过饱和含湿量（H）衡量，即烟气中水蒸气分压达到饱和分压。一般大气压条件下，水蒸气的饱和分压主要受温度影响。烟气的含湿量计算公式为：

式中：为烟气的含湿量，g/g；为烟气中水蒸气的摩尔质量分数，取0.623；为烟气的相对湿度，%，饱和烟气取100%；为不同温度下的水蒸气分压，Pa；为烟气总压强，Pa。

根据《烟气脱硫工艺手册》的技术要求，一般屋脊型除雾器属于折流板式结构，除雾器及其清洗水装置采用聚丙烯（PP），材料的操作温度为60 ℃。因此，要控制浓缩塔顶部出口烟温在60 ℃。不同烟温对应的饱和含湿量和水蒸气质量分数如图1所示。温度为60 ℃时，烟气的饱和含湿量为0.15 g/g，对应的水蒸气质量分数为13.24%。温度超过80 ℃时，烟气的饱和含湿量急剧增加，但是受除雾器和后继材料限制，要控制浓缩塔出口烟温，浓缩塔能够实现的浓缩气液比并不乐观。现以上述燃煤电厂为例，进行热量平衡理论计算。该燃煤电厂600 MW机组的相关参数如表1所示。

图1 不同烟温下饱和含湿量和水蒸气质量分数

表1 电厂机组参数

为贴近电厂逆流喷淋塔实际情况，喷淋塔烟气进出口采用水平布置、具有径向速度的矩形烟道，蒸发塔采用圆筒塔设计，设计废水蒸发量为4 t/h。经建模，设计废水蒸发量4 t/h的喷淋塔结构示意图如图2所示。

图2 喷淋塔结构示意图

如图2所示，本方案中，喷淋塔布置两层喷淋层。一方面，考虑增加雾化液滴的覆盖率，按照100%截面积覆盖设置；另一方面，增加更多的喷淋层也会增加浓缩塔高度，增加浓缩塔阻力。根据热量平衡，烟气降温时放热量、浓缩塔废水蒸发时吸热量和浓缩塔所有废水升温时吸热量的计算公式分别为：

式中：Q为烟气降温时放热量，kJ；Q为浓缩塔废水蒸发时吸热量，kJ；Q为浓缩塔所有废水升温时吸热量，kJ；m为废水蒸发量，kg/h；为汽化潜热，kJ/kg；为蒸发温度的饱和焓，kJ/kg；为新排入浓缩塔废水的焓，kJ/kg。

2 结果分析

根据表1所列参数和图2建模，通过计算分析不同烟气量（以烟气体积衡量）、蒸发量与出口烟温的关系。计算结果如图3所示。由图3可知，从4条曲线来看，越向右，曲线越密集，从趋势上看，可能存在蒸发量上限。因此，在浓缩塔直径固定的情况下，一味增加高温烟气量并不能增加废水蒸发量。浓缩塔出口处烟气含湿量和相对湿度的计算公式分别为：

图3 不同废水蒸发量下出口烟温随抽取烟气量的变化曲线

式中：H为浓缩塔出口烟气的含湿量，g/g；为浓缩塔入口烟气的含湿量，g/g；V为烟气流量，m/h；ρ为烟气密度，kg/m；φ为浓缩塔出口烟气的相对湿度，%；P为出口烟气水蒸气分压，Pa；P为不同温度下的水蒸气饱和分压，Pa。

根据式（5）和式（6），固定废水蒸发量4 t/h，计算不同烟气量（以烟气体积流量衡量）下浓缩塔出口处烟气的含湿量和相对湿度。计算结果如图4所示。

图4 蒸发量为4 t/h时不同烟气量下出口处烟气的含湿量和相对湿度

由图4可知，浓缩塔出口烟气含湿量随着烟气量增加而降低，并且远没有达到饱和含湿量。当烟气量为7.41万Nm/h和10.01万Nm/h时，蒸发塔出口烟温分别为40 ℃和60 ℃，出口烟气的含湿量分别为0.135 g/g和0.125 g/g，对应的相对湿度分别为24.68%和8.92%。因此，当出口烟温为40～60 ℃时，出口烟气的相对湿度远低于100%，即出口烟气不能都达到饱和。

3 结论

本文结合实际工程案例，利用该燃煤电厂烟气条件进行建模，从理论上分析了不同烟气条件对脱硫废水蒸发浓缩的影响，包括烟气量、蒸发量、出口烟温等。研究表明，当设计出口烟温为80 ℃时，用于完全蒸发脱硫废水（蒸发量4 t/h）的烟气量约为18.84万Nm/h，此时烟气的含湿量远低于饱和含湿量，出口烟气为不饱和烟气。因为喷淋塔需要采用大喷淋量来实现废水的浓缩减量，因此部分烟气热量用于提升脱硫废水温度，这部分烟气设计量为理论完全蒸发烟气量的20%，通入塔内的实际烟气量为22.62万Nm/h。