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冷凝法烟气除湿减排干烟技术概述
发布时间:2019-08-17 07:00

  2014年9月26日,国家能源局授予上海外高桥第三发电有限责任公司(以下简称”外三”)“国家煤电节能减排示范基地”称号。这是目前为止,国内唯一获得此殊荣的发电企业。外三始终坚持构建节能型低成本“超低排放”环保之路,通过多项环保项目的实施,2015年外三的污染物排放浓度已经远优于新的国家环保标准甚至达到和超过燃气轮机的排放标准。2016年公司大气污染物排放浓度平均值分别为烟尘2.17毫克/立方米,二氧化硫15.55毫克/立方米、氮氧化物16.89毫克/立方米。但由于外三两台机组均采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术,脱硫出口湿烟气中仍含有大量的雾状水汽,以汽态形式经烟囱排出。经前期石膏雨治理后,这些含酸水蒸气虽不会以液滴(石膏)雨形式在附近跌落,但这些带有较高酸度的水汽客观上仍然会对大气产生一定的污染,而白色烟羽的视觉效果也会引起公众的误解。为此,在上海环保局的支持下,外三进一步采取措施,挖掘潜力,不仅寻找出了降低酸性水雾对大气的污染的办法,同时显著缓解了白色烟羽的现象。

  湿法烟气脱硫系统中,吸收塔出口净烟气温度一般为45℃~51℃(烟煤)或55℃~60℃(褐煤)。烟气成分中固体状态的粉尘和石膏与烟气中液态水混合形成石膏浆液,以液体状态存在于烟气中,另外烟气成分中还包括气体状态的二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NOx)、三氧化硫(SO3)、二氧化硫(SO2)、氧气(O2)和汽态的水蒸汽(H2O)等。烟气最重要的特性是处于湿饱和状态,即液态水与汽态水共存于烟气之中。在流经烟道、烟囱排入大气的过程中因温度降低,烟气中部分汽态水和污染物会发生凝结,液体状态的浆液量会增加,形成“石膏雨”现象。由于环境温度总是低于烟气温度,因此当烟气排入大气时会因环境吸热而造成烟气湿度增加,甚至降温析出饱和水,形成“白色烟羽”现象。近年来燃煤电厂颗粒物排放的研究表明,电厂排放的“白色烟羽”中不仅含有大量冷凝水,同时还包含数目可观的颗粒物,尤其是可凝结颗粒物部分长久以来被研究者所忽视。可凝结颗粒物(condensableparticulatematter,CPM)指在烟道条件下为气态,但是从烟囱排放后降温并稀释到大气中时发生凝结和/或反应而立即变为固态或液态颗粒物的物质。需要注意的是,所有可凝结颗粒物都被假定为PM2.5粒径级别。而可凝结颗粒物中,主要为SO3和水蒸气凝结产生的H2SO4及其反应产物,该类物质是导致烟囱不透明度增加的主要原因。因此,如何减少“白色烟羽”中颗粒物的排放,成为燃煤电厂污染物排放研究的重要课题之一。

  脱硫系统出口的饱和烟气排入较低温度的环境大气后,烟气冷却后达到饱和湿烟气后,水雾开始析出,从而产生“白色烟羽”,随着水雾的不断稀释,“白色烟羽”会逐渐消失。通过烟气再热来防止“白色烟羽”的出现在理论上是可行的,然而,烟羽的形成高度依赖于气象条件。对脱硫系统吸收塔出口烟气进行再热,虽然对污染物的排放浓度和排放总量没有影响,但可以在一定程度上提高烟气抬升高度和扩散范围,减少烟囱“白色烟羽”和电厂周边“石膏雨”的形成,对那些离中心城市较近、位于环境敏感度较高区域的火电厂,有必要对湿法烟气脱硫后的低温湿烟气采取再热措施。加热烟气法就是将脱硫后温度为45~60℃的烟气加热到70~80℃,使烟气远离水的露点温度,且保证烟气在烟囱出口仍适度过热,可以有效减弱尾部烟道和烟囱的腐蚀。提高烟气温度可以增强烟气抬升、扩散效果,使烟气在排出烟囱以后,能够实现充分稀释,从而减弱烟囱周围的“石膏雨”现象。最早使用的烟气加热形式有四种,如图1所示。在线加热通过位于烟道内的换热器来加热净烟气。间接热空气喷入加热是将空气在外部换热器加热后与出口烟气混合。直接燃烧加热是将燃油或天然气燃烧生成的热燃烧气与出口烟气混合。部分旁路加热是将进入脱硫塔前的一部分烟气绕过脱硫设施,与脱硫后的净烟气混合。但无论采用何种加热方式,由于需将烟温提升20-30℃,其能耗较大,机组煤耗上升至少2克/千瓦时,运营成本都很高。

  外三作为中国火电的标杆企业,始终坚持走一条有中国特色的节能型低成本环保之路。经过大量的前期调研工作,外三摸索并形成了全新的烟气冷凝除湿减排技术思路,通过这一技术的实施,可同步获得减少白烟、降低水耗、减除烟尘、SO3、Hg等多种污染物的综合效果,起到很好的环保效益和社会效益。该技术主要由两个部分组成:去烟羽冷凝除湿部分;去烟羽加热部分。

  冷凝法技术的原理是利用饱和烟气的冷凝相变,使饱和湿烟气在微细颗粒物表面凝结,同时在烟气与换热管冷表面产生热泳和扩散泳力作用,促使细颗粒向温度梯度相反的冷管子壁面迁移运动,相互碰撞接触,不断长大,最后通过毛细管表面收集。该方法通过外部冷源控制过程相变度,是凝变+热泳力凝并+雨室环境的洗涤+湿式惯性除尘四重凝聚与脱除叠加效果,可以有效促进微细颗粒物的凝聚及脱除。在饱和烟气的湿式相变凝聚过程中,烟气中的微细颗粒物以及附着在颗粒物上的重金属元素会在惯性力、撞击力等力作用下被凝聚器内部的附着着液膜的冷凝管捕捉,顺着液膜在重力作用下被收集;同时烟气中的水蒸气还会以微细颗粒物为核冷凝、进一步凝聚长大,实现微细颗粒物及附着在颗粒物上的重金属元素的脱除;当水气环境加剧,凝聚器内部形成“雨室”效应时(类似于下雨),烟气中的可溶性盐亦可被同时脱除。概括而言,该技术除湿减排的机理主要体现在以下四个方面:1)水蒸气相变凝聚

  水蒸气相变凝聚是指含尘的饱和湿烟气,在降温冷凝换热的过程中,随着水蒸气的相变凝聚,凝结成无数细微雾滴,增加了与气相中各类可溶污染物的碰撞接触比表面积,提高了雾滴进一步洗涤吸收污染物的效果,同时温差导致的相变换热将促进细微颗粒物、气溶胶、微量有机物等热凝并,这些凝结出的液滴,包括烟气中的微量气态有机物等,会与尘粒彼此凝聚成较大的二次粒子,易于被脱除、捕捉。

  冷凝换热器设备内部密集换热管,湿烟气与换热管接触过程中,烟气被降温冷凝,由于烟气与换热管表面存在温度差,产生由烟气主体指向换热管表面的温度梯度,在温度梯度作用下,换热管壁对微细颗粒物产生热泳力(图2),促使微细颗粒向管壁移动,并被捕捉,最终顺着管壁的液膜在重力作用下流到设备底部被收集。

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