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濕煙氣余熱及水分回收 為了降低燃煤電廠脫硫后煙氣中的含濕量,有效回收煙氣中的水分及余熱,同時解決因飽和濕煙氣中水蒸氣凝結(jié)引起的煙囪腐蝕、“煙囪雨”及“白煙”等問題,分析了濕煙氣的熱力特點及能量分布的形式,介紹并對比了冷凝法、溶液吸收法及膜法3種較為可行的濕煙氣除濕工藝,論述了其技術(shù)特點、研究現(xiàn)狀、不足及研究方向。研究表明,脫硫后濕煙氣中每千克干煙氣含濕量約80g,70%余熱以水蒸氣潛熱的形式存在,冷凝法現(xiàn)階段相對較為成熟,但吸收法除濕潛力更高、膜法系統(tǒng)簡單穩(wěn)定可靠,具有非常好的應用前景,是煙氣除濕工藝研究的趨勢;低品位余熱的經(jīng)濟利用途徑將是燃煤電廠煙氣除濕技術(shù)的一個重要研究方向。 燃煤發(fā)電是我國主要發(fā)電形式,截至2015年,燃煤發(fā)電裝機容量占我國發(fā)電裝機總?cè)萘康?9%,燃煤電廠發(fā)電量占全國總發(fā)電量的67．9%,燃煤發(fā)電消耗標準煤11．5億t,約占全國煤炭消費總量42%。作為耗水耗能大戶,巨大的水資源、能源消耗使得燃煤電站成為節(jié)能減排的重點。我國2005—2020年電力發(fā)展規(guī)劃中明確提出了發(fā)電節(jié)水的問題,必須著力發(fā)展適用于水資源短缺地5012017年第5期潔凈煤技術(shù)第23卷區(qū)的節(jié)水型煙氣污染控制技術(shù);此外,工業(yè)用水成本逐步升高,2012年,國家修訂了取水定額標準,將火力發(fā)電取水定額在2002年的基礎(chǔ)上下調(diào)了30%以上;2015年4月,我國出臺了《水污染防治行動計劃》(簡稱“水十條”),提出了嚴格的水污染防治目標,燃煤電廠面臨著巨大的節(jié)水減排壓力,而我國大部分新建燃煤機組選址在西部產(chǎn)煤缺水地區(qū),節(jié)水降耗需求迫切,經(jīng)濟有效的節(jié)水降耗措施將對我國建設環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會意義重大。如何減少脫硫后水蒸汽及余熱的排放,是燃煤電廠節(jié)水降耗的重點方向之一。由于煙氣中水分及潛熱的耦合效應,有效的煙氣除濕技術(shù)可同時回收水分及潛熱,降低電廠水耗及排煙損失,并從根本上解決煙囪腐蝕及“白煙”現(xiàn)象。本文分析了脫硫后濕煙氣的熱力狀態(tài)特點,介紹了冷凝法、吸收法及膜法3種濕煙氣除濕工藝的技術(shù)特點及其研究現(xiàn)狀,指出了存在的問題及研究方向,為高效煙氣除濕技術(shù)的研發(fā)提供參考。 1脫硫后濕煙氣熱力狀態(tài)分析 絕大多數(shù)燃煤電廠采用濕法脫硫工藝,脫硫過程中大量水分蒸發(fā),煙氣中水蒸氣體積分數(shù)由6%升至約11%,出口煙氣中每千克干煙氣含濕量80~100g。鍋爐系統(tǒng)尾部排放的水蒸汽及低溫余熱是燃煤電廠水資源和能量消耗的重要組成部分。以300MW機組為例,脫硫后煙氣攜帶水分超過100t/h。鍋爐系統(tǒng)的各項熱損失中,排煙損失占總損失的50%以上,約占燃煤低位發(fā)熱量的6%。脫硫后煙氣顯熱的比例由63%降至25%,而水蒸氣潛熱由37%升高至75%,如圖1所示。大部分煙氣顯熱轉(zhuǎn)換為水蒸氣潛熱,即脫硫后煙氣熱量主要以水蒸氣潛熱的形式存在。 2濕煙氣除濕技術(shù)的發(fā)展 常用的空氣濕度調(diào)節(jié)方法包括冷凝除濕、液體吸收劑吸收除濕、固體吸收劑吸附除濕、膜法除濕等。隨著技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了一系列新型除濕技術(shù),包括熱電冷凝除濕、電化學除濕等,但距離應用尚遠。冷凝法是空調(diào)領(lǐng)域廣泛采用的濕度調(diào)節(jié)方式,采用7℃冷凍水將空氣溫度降至露點溫度以下使水蒸氣凝結(jié)析出。由于冷凝后需再熱、盤管表面滋生霉菌使空氣品質(zhì)惡化等缺點,基于溶液除濕(吸收法)的空氣除濕工藝得到越來越多的應用。煙氣除濕方向的研究相對較少,尚處于起步階段,目前研究多采用冷凝法、吸收法及膜法。 2.1冷凝法 濕煙氣冷凝除濕工藝可分為兩類:第1類采用間壁式換熱器,煙氣與冷卻水通過換熱器相互隔離,水蒸氣在換熱器表面凝結(jié)并將熱量傳遞給冷卻水,換熱器底部設有回收裝置收集凝結(jié)水,如圖2(a)所示,換熱器可采用單級或多級;第2類采用直接接觸式,如圖2(b)所示,通過噴淋塔或填料塔等方式對煙氣降溫,水蒸氣凝結(jié)并混入冷卻水,煙氣顯熱及水蒸氣的潛熱均進入冷卻水。間壁式換熱器熱阻較大,但冷卻水側(cè)水質(zhì)穩(wěn)定,同時分離出冷凝水便于處理。直接噴淋式效果較好,但煙氣中粉塵、酸、鹽等成分的富集,使系統(tǒng)出水需進行處理以達到回用要求。 上述兩類冷凝方式的熱力過程相同,如圖3所示(圖中含濕量以每kg干空氣計),濕煙氣由點1沿100%相對濕度線降至點2,溫濕度同時降低。所回收的水量即點1與點2的含濕量差為d1-d2,所回收的熱量即點1與點2的焓差h1-h2,煙氣始終保持飽和狀態(tài)。 冷凝法于20世紀70年代在歐洲應用于冷凝式燃氣鍋爐以提升鍋爐能效,后逐步推廣至工業(yè)鍋爐,國內(nèi)應用尚較少。近年來,利用冷凝法回收燃煤電廠煙氣中水蒸氣的研究逐步增加。LevyE等進行了冷凝法回收煙氣中水分的研究,采用多級換熱裝置冷卻煙氣回收冷水作為冷卻塔補水。研究表明,水回收率主要與冷卻水量及水溫相關(guān),綜合考慮防腐能力及成本,提出采用304ss作為換熱器材質(zhì)。CHENQ等進行了工業(yè)鍋爐增設煙氣冷凝器預熱鍋爐給水的研究,提出換熱器熱阻集中于殼側(cè),包括氣相對流熱阻、污垢熱阻及水液膜熱阻。雷呈勇等模擬褐煤鍋爐排煙,進行了煙氣水分冷凝回收技術(shù)的實驗室研究,在煙氣溫度50~60℃的條件下探索了煙氣流速、水蒸氣容積份額、冷卻水流量及流動方式等因素對冷凝液捕集率的影響,研究表明,冷凝水捕集率最大可達51．57%,但應考慮酸腐蝕及清除潮濕積灰的問題。熊英瑩等在某600MW燃煤機組濕法脫硫后進行了中試試驗,在濕煙氣煙道中加裝改性氟塑料換熱器,采用冷凝法實現(xiàn)高水分煙氣的深度凝結(jié),回收水分和汽化潛熱,結(jié)果表明,當煙氣溫度降低9~10℃時,所回收的水分作為脫硫系統(tǒng)補水可以實現(xiàn)脫硫系統(tǒng)零水耗。 低品位熱能的利用是水分回收過程中需重點研究的問題之一,鍋爐尾部煙氣溫度較低,出水水溫難以繼續(xù)提升,所吸收熱量的利用一般采用2種方式:一種是在冷凝器出水側(cè)加裝熱泵,將熱量品位提高以達到供暖或其他利用要求,具有較好的前景;另一種是預熱鍋爐給水,但由于溫度低,溫差較小,傳熱系數(shù)低加熱能力有限。將噴淋換熱與熱泵技術(shù)充分結(jié)合,回收煙氣余熱以供暖的應用研究較多:杜紅波等介紹了某小區(qū)14MW燃氣鍋爐煙氣余熱回收改造工程,采用噴淋水對煙氣噴淋降溫回收余熱并使部分水蒸氣凝結(jié),并采用吸收式熱泵回收余熱,滿負荷運行狀態(tài)下煙氣進出口溫度為110℃/35℃,熱回收量1．8MW,供熱提高率12%;ZHAO等將燃氣鍋爐煙氣噴淋余熱回收裝置與分布式熱泵供暖系統(tǒng)結(jié)合,通過分布式熱泵的應用,降低一次網(wǎng)回水溫度,提高噴淋余熱回收裝置的余熱回收能力,采用兩級噴淋式換熱裝置預熱一次網(wǎng)回水,在第1級換熱裝置中,熱網(wǎng)回水與噴淋循環(huán)水通過板式換熱器換熱;在第2級中,采用熱泵系統(tǒng)進一步提取余熱,從而更充分的回收煙氣余熱。此外,噴淋換熱與熱泵結(jié)合的余熱回收技術(shù)進行了工業(yè)示范,在1臺220t循環(huán)流化床鍋爐及3臺130t煤粉爐的脫硫系統(tǒng)下游匯合煙道上,安裝了噴淋降溫裝置并配套溴化鋰吸收式熱泵。系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)表明,煙氣溫度由48℃降至39℃,回收余熱16．7MW用于熱電廠供熱,同時,噴淋裝置有益于煙氣的深度凈化。 此外,應用至非熱電聯(lián)產(chǎn)的燃煤電廠時,熱利用的途徑及工藝參數(shù)有待深入分析,且系統(tǒng)工藝系統(tǒng)較為復雜,應用至大機組成本較高,采用間壁式換熱工藝時,抗腐蝕材料價格較高。 2.2吸收法 溶液吸收法基于蒸汽壓差驅(qū)動水蒸氣在溶液與煙氣之間的遷移,同時完成汽化潛熱的釋放和吸收,工藝包含除濕與再生兩大環(huán)節(jié)。采用具有吸濕性能的溶液作為除濕劑,如溴化鋰、氯化鋰、氯化鈣、三甘 醇等物質(zhì)的水溶液,與煙氣直接接觸實現(xiàn)水分的遷7012017年第5期潔凈煤技術(shù)第23卷移,當吸濕溶液的水蒸氣分壓力低于煙氣的水蒸氣分壓力時,煙氣中的水分向溶液遷移,即為除濕過程,反之則為溶液的再生過程。由于溶液蒸汽壓遠低于煙氣中的水蒸氣分壓,與冷凝法相比,溶液吸收法能夠回收更多的水蒸氣,且出口煙氣處于不飽和狀態(tài),其熱力過程如圖3中1~3所示,回收水量即點1與點3的含濕量差為d1-d3,回收熱量為點1與點2的焓差為h1-h3,煙氣相對濕度降至不飽和區(qū)。 在空調(diào)領(lǐng)域,溶液除濕工藝中涉及的溶液物性及溶液的選擇、熱質(zhì)交換規(guī)律、除濕裝置結(jié)構(gòu)及流型的選擇等研究已較多,溶液除濕裝置及設備也已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),目前,部分學者逐步將該技術(shù)推廣應用至煙氣除濕的研究。 FOLKEDAHL等進行了除濕溶液回收煙氣中水分的研究,該項目對比評估了不同除濕劑的性能,并采用氯化鈣溶液分別在燃燒天然氣及長焰煤的鍋爐煙氣中進行了中試試驗,探究了煙氣中各種污染物對溶液除濕系統(tǒng)的影響,分析了回收水的水質(zhì),研究結(jié)果驗證了工藝可行性,回收水分水質(zhì)較好。 魏璠等研究了開式循環(huán)吸收式熱泵用于燃氣輪機煙氣中水回收的技術(shù)方案,采用氯化鈣溶液噴淋吸收器,與冷卻水噴淋減濕回收水效果進行對比,結(jié)果表明,達到相同的除濕量,冷凝法的冷卻水流量是溶液流量的5倍以上。路源研究了回收燃氣煙氣中水和潛熱的單段開式吸收式熱泵循環(huán),研究表明,該工藝可以實現(xiàn)HAT循環(huán)水平衡,回收熱量品位較高(50℃以上)。 LARS等提出采用兩級開式吸收式循環(huán)用于100kW生物質(zhì)鍋爐煙氣顆粒物脫除及余熱回收,吸收器采用填料式,回收余熱分三級預熱供暖回水,引用部分鍋爐熱煙氣用于溶液再生,工藝流程如圖4所示。進口煙氣溫度150~180℃,出口煙氣溫度50~55℃,出口煙氣相對濕度38%~45%,燃用高水分燃料時,機組供熱能力提高近40%(不計電耗增加)。 LIU等通過焓濕圖研究了溶液與空氣熱質(zhì)交換過程終狀態(tài)的可及處理區(qū)域,為除濕過程狀態(tài)點的預測提供了參考,研究提出:空氣的出口狀態(tài)點在由空氣進口狀態(tài)、溶液進口狀態(tài)、進口溶液等相對濕度線與進口空氣等焓線的交點構(gòu)成的三角區(qū)域內(nèi)(圖3),當溶液流量相對于空氣流量非常大(氣液質(zhì)量流量比很小)時,空氣處理過程的終狀態(tài)點位于兩流體進口狀態(tài)的連線上,隨著溶液流量增大,空氣終狀態(tài)接近與溶液進口狀態(tài)。 除濕溶液的選擇是影響吸收法煙氣除濕應用的關(guān)鍵因素之一,需綜合考慮除濕(再生)性能、熱濕傳遞性能、輸配性能、溶液結(jié)晶性、成本、腐蝕性等因素,同時適應大煙氣量下的應用需求。空調(diào)領(lǐng)域最早選用三甘醇、二甘醇溶液作為除濕劑,由于其揮發(fā)性而逐步棄用,后多選用溴化鋰、氯化鋰、氯化鈣溶液。除濕劑價格是影響系統(tǒng)經(jīng)濟性的重要因素,以分析純試劑價格為例,溴化鋰260~450元/kg,無水氯化鋰約240元/kg,無水氯化鈣16元/kg,由于溴化鋰、氯化鋰價格較高,部分學者研究發(fā)現(xiàn),采用2種或多種溶液的混合溶液或在溶液中添加表面活性劑,可以有效降低成本并保證除濕性能。STUDAK等對LiBr、iCl、CaCl2及TEG溶液進行了初步評價,提出采用權(quán)重因子與溶液特性綜合評分法,結(jié)果表明,CaCl2溶液的得分最高,在價格方面優(yōu)勢明顯。 相比于冷凝法,溶液除濕法回收水分及余熱的潛力更大,濕煙氣相對濕度可降至不飽和態(tài),避免了濕煙氣在煙囪內(nèi)及煙囪出口結(jié)露,可避免煙囪腐蝕和“白煙”現(xiàn)象,降低煙囪防腐需求,因此吸收法具有一定優(yōu)勢,但高濃度的鹽溶液對防腐材料的選擇提出了更大的挑戰(zhàn),并可能出現(xiàn)鹽溶液被煙氣攜帶的現(xiàn)象,且需配套溶液再生及處置等系統(tǒng)。 2.3膜法 膜科學技術(shù)已成功應用于分離、濃縮、提純、凈化等工業(yè)生產(chǎn)過程中,膜法除濕近年來也得到越來越多的研究,其機理是利用膜兩端的濃度差及膜的選擇透過性,實現(xiàn)水蒸氣與氮氣、氧氣等不凝氣體的分離,然后采用冷凝的方式使水蒸汽液化。常規(guī)膜法除濕原理如圖5所示。目前各行業(yè)膜材料種類較多,膜組件形式多樣,兼有較高的水蒸汽選擇性和透過性,但適用于燃煤煙氣除濕的膜材料仍匱乏。相比于其他除濕方式,膜法具有很多突出的優(yōu)點:除濕過程連續(xù)進行、無腐蝕問題、無需閥門切換、無運動部件、系統(tǒng)可靠性高、能耗小等。 由于聚醚醚酮(PEEK)材料[24]具有較高的水蒸氣穿透性及相對于氮氣的選擇透過性,可被用為煙氣除濕研究的膜材料。SIJBESMA等與Kema公司等單位合作,采用覆有SPEEK材料的復合中空纖維膜對燃煤電廠脫硫后濕煙氣除濕以避免煙氣結(jié)露,利用內(nèi)部抽真空的方式形成水蒸氣分壓力差,推動水蒸氣的遷移。通過實驗室研究確認了SPEEK材料優(yōu)良的水蒸氣選擇透過性,實際煙氣5300m3/h的中試試驗驗證了膜材料性能的穩(wěn)定性,回收水水質(zhì)較好,可作為軟化水裝置補水。 陳海平等制備了涂覆有磺化聚醚醚酮(磺化度56%)的聚醚砜中空纖維膜(PES-SPEEK56),研究應用于火電廠排煙中水蒸氣的回收利用,探索了不同煙氣溫度、煙氣流速、水蒸氣活度下的水分回收性能。試驗結(jié)果計算表明,應用于600MW機組脫硫后60℃濕煙氣水分回收,布置200萬根有效長度為500mm的中空纖維膜,可回收水分37．9t/h,水回收率28．3%,煙氣露點溫度降低6．5℃。 近年來,采用新型材料或制備工藝的膜組件在陸續(xù)開發(fā)和試驗中。WANG[27]開發(fā)了親水性納米陶瓷膜及兩段式工業(yè)膜裝置,材料性能較好,具有水蒸氣高度選擇透過性,可同時回收煙氣中水及余熱。試驗表明,納米陶瓷膜性能穩(wěn)定,煙氣露點溫度由54℃降至34℃,裝置前后水質(zhì)分析及結(jié)垢測試表明,回收水質(zhì)與裝置入口水質(zhì)未發(fā)現(xiàn)明顯差異,未發(fā)現(xiàn)明顯結(jié)垢問題,該技術(shù)可用于多種工業(yè)環(huán)境下水分的回收,性能優(yōu)異,前景較好。此外,親水性多孔高分子膜、納米多孔管式陶瓷膜等膜組件也得到了試驗的驗證,具有較好的水回收應用潛力。 膜法除濕工藝能夠有效避免其他工藝存在的腐蝕、結(jié)垢、運行費用高等問題,系統(tǒng)簡單,可靠性高,具有良好應用前景,但目前國內(nèi)該技術(shù)在煙氣復雜成分環(huán)境下的長時間除濕試驗研究匱乏,全尺度應用的技術(shù)可靠成熟度有待評估,在除濕用膜材料的研發(fā)、膜組件裝置的應用及優(yōu)化、膜材料在煙氣中的適應性等方面,有待深入研究。 3結(jié)論 1)燃煤電廠脫硫后濕煙氣中含有大量水分,煙氣中每千克干煙氣含濕量約80g,且約70%的熱能以水蒸氣潛熱形式排放,通過合理的除濕方式,可以回收大量水分及其汽化潛熱,實現(xiàn)節(jié)水降耗,具有廣闊的應用空間。國外已在此領(lǐng)域深入研究多年,國內(nèi)研究仍有待進一步深入拓展。 2)目前可行的技術(shù)路線包括冷凝法、溶液吸收法及膜法。冷凝法系統(tǒng)相對簡單,國內(nèi)已開展較多的研究并進行了中試及工業(yè)示范,由于熱量品位低,多輔以熱泵技術(shù)提升品位后用于供暖,分析確定針對非熱電聯(lián)供機組的余熱利用途徑及參數(shù)是該技術(shù)推廣的重要方向;溶液吸收法的除濕及熱回收潛力最大,除濕效果優(yōu)異,出口煙氣相對濕度低,有望徹底解決煙囪腐蝕、“白煙”等問題,但需配備再生系統(tǒng),并協(xié)調(diào)多個換熱工序,工藝流程較為復雜,研究該工藝的最佳流程與工程參數(shù),進行中試及工程示范,將是該技術(shù)的發(fā)展方向,此外,溶液的腐蝕問題也是該技術(shù)需克服的難點之一;膜法工藝簡單,可靠性高,前景較好,目前水回收潛力相對較低,當前膜材料的選用、制備及可靠性仍有待研究,開發(fā)適用于復雜煙氣成分條件下的膜材料仍是該工藝的重點。 3)高效經(jīng)濟的煙氣除濕技術(shù)將有助于電廠降低水耗,充分利用余熱資源,為缺水地區(qū)的電廠運行提供技術(shù)支撐。