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烟气冷凝节水的技术经济分析

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我国是全球水资源最贫乏的国家之一,西北地区缺水尤为严重。世界人均水占有量是7900m3,我国西北干旱地区人均不足110m3,有300万人口严重缺水。另外,我国煤炭资源和水资源成反比,严重缺水的内蒙古、新疆乃至整个西部地区煤炭资源丰富,作为国家能源发展的主要地区,新疆、内蒙等地将建设一大批电力设施,但水资源短缺成为发展的瓶颈。全方位研究推广节水技术,能够为我国西部富煤缺水地区的发展提供技术支持。

1循环流化床干法脱硫工艺简介及节水背景

长期以来,由于种种原因,我国大型燃煤机组,特别是600MW及以上机组的烟气脱硫,单一依赖高耗水、高耗能的石灰石/石膏湿法工艺。石灰石/石膏湿法脱硫工艺在低硫煤的烟气脱硫治理上技术经济性较差,严重影响了我国富煤低硫缺水地区的煤电一体化基地的建设。循环流化床干法脱硫除尘一体化工艺具有节能、节水、环保等特点,在富煤缺水地区得到了越来越广泛的应用。循环流化床干法脱硫(CFB-FGD)是一种新型成熟的脱硫工艺。该工艺以循环流化床原理为基础,以生石灰或消石灰为脱硫剂,去除烟气中的SO2、SO3、HCl、HF、重金属等有害物质。通过控制物料与烟气的接触时间,可获得90%~98%的稳定脱硫效率及99%以上的SO3、HCl、HF脱除效率。为了提高脱硫效率,吸收塔内需要喷入一定量的工艺水,塔内喷水使脱硫除尘后的清洁烟气含水量(体积分数)增加至18%左右,温度降至75℃,最后经过烟囱直接排到大气,带走大量的水蒸气,对于1台330MW机组,吸收塔内每小时喷水量为40t左右,相当于排烟每小时带走40t的水蒸气。考虑西北地区水资源匮乏,采用一种冷凝换热器对高含水量的净烟气进行降温冷凝,并对冷凝水进行回收利用,实现节水目标。

2高含水分烟气特性

表1为1台330MW机组的锅炉烟气经过循环流化床干法脱硫工艺之前以及之后的烟气参数。从表1中可以看出,脱硫后的净烟气温度较低,含水量较高,若采用冷凝换热器对其进行降温至露点温度,将有大量冷凝水析出。另外,脱硫后的烟气酸性气体和粉尘的含量极低,不会对换热器造成低温腐蚀和堵塞等问题。

3高含水分烟气的冷凝特性

3.1传热及传质分析本文所研究的烟气冷凝是属于含有大量的不凝性气体的混合气体的凝结,其中水蒸气的体积含量约为18%,而不凝性气体的体积含量为82%。混合烟气的总压力等于蒸汽分压力和不凝性气体分压之和,当含有不凝性气体的蒸汽与低于其露点的冷却壁面接触时,紧靠壁面的蒸汽分压力降低,而不凝性气体分压力增大。不凝性气体逐渐积聚在液膜外面形成不凝性气膜,蒸汽分子必须靠扩散穿过这层气膜才能达到液膜表面进行凝结。因此它既不同于纯蒸汽的冷凝换热,也不同于含有少量不凝性气体的蒸汽冷凝换热,也不同于空冷器中的凝露,我们称它为高水分烟气对流冷凝换热,换热情况必须考虑大量不凝性气体的存在及其影响。在烟气冷凝过程中,烟气一般以过热状态进入,当换热器中的管壁面温度低于烟气的露点温度时,冷凝发生,管壁面被湿润。这个表面被气体界膜包围,烟气中的水蒸气,通过这个气体界膜扩散到管表面上冷凝。烟气中的潜热和显热通过这个气体界膜和冷凝液膜,传给换热管。在烟气从入口到出口的过程中,水蒸气不断被冷凝下来,放出热量,使烟气的组成、物性参数等不断发生变化,其放热系数也在不断的变化,在这个过程中同时还伴随有传质发生,整个传热传质过程非常复杂。

3.2冷凝过程烟气中水蒸气的珠状凝结大致可归纳为3个过程(图1)。①水蒸气在凝结核心开始凝结形成微小液珠并进一步长大。此过程为凝结初始形成过程,即核化过程。②凝结液珠进一步长大,在整个凝结表面上连成薄液膜,使得液膜增厚,直到液膜达到临界厚度而分裂成小液滴。此过程为珠状凝结的液膜生长过程。③膜分裂所形成的小液滴通过聚合不断长大,达到临界尺寸就从冷却表面脱落,或未达到临界尺寸就被其他的液珠冲刷聚合而下落。此过程液珠聚合快,传热量少,因此把液珠聚合过程看作是绝热过程,即珠状凝结的聚合过程。

3.3烟气冷凝的影响因素烟气中水蒸气的冷凝主要受以下因素影响:①烟气的露点温度,烟气温度以及烟气中水蒸气的分压力。②烟气的露点温度越低,烟气不易冷凝,水蒸气传质通量减小,传热量小;烟气露点温度越高,烟气易冷凝,水蒸气的传质通量越大,传热量越大。③烟气温度越高,水蒸气传质通量越小;反之,水蒸气传质则增强。④烟气中水蒸气分压力的大小,决定了传质动力△P或△C的大小,传质传热动力越大,水蒸气的传质越强。

4烟气冷凝节水经济性分析

脱硫除尘后净烟气中含有较多的水蒸气,在除尘器尾部加装冷凝换热装置,可以回收烟气中的水蒸气,对回收水进行循环利用,达到节水的目的。根据清华大学“半干法烟气脱硫工艺中喷水量的控制系统及其控制方法”中的水蒸气质量分数计算公式反推冷凝后烟气温度,并假设冷凝后烟气为饱和烟气,即冷凝后烟气的相对湿度为1,则冷凝后温度t2与含湿量的关系式。根据计算得出,降烟气温度降至48℃,可冷凝节水40t,在水资源匮乏的西部地区,水的价格为10元/t,冷凝换热器按每年6000h的运行时间计,则每年节水产生的经济效益为240万元。

5结论

通过烟气冷凝传热与传质分析可知,烟气冷凝不同于纯的蒸汽冷凝,也不同于含少量不凝性气体的蒸汽冷凝,烟气冷凝是属于含有大量的不凝性气体的混合气体的凝结。烟气冷凝的传热效率及传质效果受大量不凝性气体的影响,另外,烟气冷凝还受烟气的露点温度、烟气温度以及烟气中水蒸气的分压力的影响。通过烟气节水经济性分析可知,水蒸气体积含量为18%,体积为115万Nm3/h,温度为75℃的脱硫后净烟气,经冷凝换热器换热降温至48℃后,可以析出40t水,具有很大的节水潜力及经济效益。

作者:林志强 单位:福建龙净环保股份有限公司

烟气冷凝节水的技术经济分析责任编辑:杨雪    阅读:人次