煙氣冷凝節水的技術經濟分析范文

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我國是全球水資源最貧乏的國家之一，西北地區缺水尤為嚴重。世界人均水占有量是7900m3，我國西北干旱地區人均不足110m3，有300萬人口嚴重缺水。另外，我國煤炭資源和水資源成反比，嚴重缺水的內蒙古、新疆乃至整個西部地區煤炭資源豐富，作為國家能源發展的主要地區，新疆、內蒙等地將建設一大批電力設施，但水資源短缺成為發展的瓶頸。全方位研究推廣節水技術，能夠為我國西部富煤缺水地區的發展提供技術支持。

1循環流化床干法脫硫工藝簡介及節水背景

長期以來，由于種種原因，我國大型燃煤機組，特別是600MW及以上機組的煙氣脫硫，單一依賴高耗水、高耗能的石灰石/石膏濕法工藝。石灰石/石膏濕法脫硫工藝在低硫煤的煙氣脫硫治理上技術經濟性較差，嚴重影響了我國富煤低硫缺水地區的煤電一體化基地的建設。循環流化床干法脫硫除塵一體化工藝具有節能、節水、環保等特點，在富煤缺水地區得到了越來越廣泛的應用。循環流化床干法脫硫（CFB-FGD）是一種新型成熟的脫硫工藝。該工藝以循環流化床原理為基礎，以生石灰或消石灰為脫硫劑，去除煙氣中的SO2、SO3、HCl、HF、重金屬等有害物質。通過控制物料與煙氣的接觸時間，可獲得90%～98％的穩定脫硫效率及99％以上的SO3、HCl、HF脫除效率。為了提高脫硫效率，吸收塔內需要噴入一定量的工藝水，塔內噴水使脫硫除塵后的清潔煙氣含水量（體積分數）增加至18%左右，溫度降至75℃，最后經過煙囪直接排到大氣，帶走大量的水蒸氣，對于1臺330MW機組，吸收塔內每小時噴水量為40t左右，相當于排煙每小時帶走40t的水蒸氣。考慮西北地區水資源匱乏，采用一種冷凝換熱器對高含水量的凈煙氣進行降溫冷凝，并對冷凝水進行回收利用，實現節水目標。

2高含水分煙氣特性

表1為1臺330MW機組的鍋爐煙氣經過循環流化床干法脫硫工藝之前以及之后的煙氣參數。從表1中可以看出，脫硫后的凈煙氣溫度較低，含水量較高，若采用冷凝換熱器對其進行降溫至露點溫度，將有大量冷凝水析出。另外，脫硫后的煙氣酸性氣體和粉塵的含量極低，不會對換熱器造成低溫腐蝕和堵塞等問題。

3高含水分煙氣的冷凝特性

3.1傳熱及傳質分析本文所研究的煙氣冷凝是屬于含有大量的不凝性氣體的混合氣體的凝結，其中水蒸氣的體積含量約為18%，而不凝性氣體的體積含量為82%。混合煙氣的總壓力等于蒸汽分壓力和不凝性氣體分壓之和，當含有不凝性氣體的蒸汽與低于其露點的冷卻壁面接觸時，緊靠壁面的蒸汽分壓力降低，而不凝性氣體分壓力增大。不凝性氣體逐漸積聚在液膜外面形成不凝性氣膜，蒸汽分子必須靠擴散穿過這層氣膜才能達到液膜表面進行凝結。因此它既不同于純蒸汽的冷凝換熱，也不同于含有少量不凝性氣體的蒸汽冷凝換熱，也不同于空冷器中的凝露，我們稱它為高水分煙氣對流冷凝換熱，換熱情況必須考慮大量不凝性氣體的存在及其影響。在煙氣冷凝過程中，煙氣一般以過熱狀態進入，當換熱器中的管壁面溫度低于煙氣的露點溫度時，冷凝發生，管壁面被濕潤。這個表面被氣體界膜包圍，煙氣中的水蒸氣，通過這個氣體界膜擴散到管表面上冷凝。煙氣中的潛熱和顯熱通過這個氣體界膜和冷凝液膜，傳給換熱管。在煙氣從入口到出口的過程中，水蒸氣不斷被冷凝下來，放出熱量，使煙氣的組成、物性參數等不斷發生變化，其放熱系數也在不斷的變化，在這個過程中同時還伴隨有傳質發生，整個傳熱傳質過程非常復雜。

3.2冷凝過程煙氣中水蒸氣的珠狀凝結大致可歸納為3個過程(圖1)。①水蒸氣在凝結核心開始凝結形成微小液珠并進一步長大。此過程為凝結初始形成過程，即核化過程。②凝結液珠進一步長大，在整個凝結表面上連成薄液膜，使得液膜增厚，直到液膜達到臨界厚度而分裂成小液滴。此過程為珠狀凝結的液膜生長過程。③膜分裂所形成的小液滴通過聚合不斷長大，達到臨界尺寸就從冷卻表面脫落，或未達到臨界尺寸就被其他的液珠沖刷聚合而下落。此過程液珠聚合快，傳熱量少，因此把液珠聚合過程看作是絕熱過程，即珠狀凝結的聚合過程。

3.3煙氣冷凝的影響因素煙氣中水蒸氣的冷凝主要受以下因素影響：①煙氣的露點溫度，煙氣溫度以及煙氣中水蒸氣的分壓力。②煙氣的露點溫度越低，煙氣不易冷凝，水蒸氣傳質通量減小，傳熱量小；煙氣露點溫度越高，煙氣易冷凝，水蒸氣的傳質通量越大，傳熱量越大。③煙氣溫度越高，水蒸氣傳質通量越小；反之，水蒸氣傳質則增強。④煙氣中水蒸氣分壓力的大小，決定了傳質動力△P或△C的大小，傳質傳熱動力越大，水蒸氣的傳質越強。

4煙氣冷凝節水經濟性分析

脫硫除塵后凈煙氣中含有較多的水蒸氣，在除塵器尾部加裝冷凝換熱裝置，可以回收煙氣中的水蒸氣，對回收水進行循環利用，達到節水的目的。根據清華大學“半干法煙氣脫硫工藝中噴水量的控制系統及其控制方法”中的水蒸氣質量分數計算公式反推冷凝后煙氣溫度，并假設冷凝后煙氣為飽和煙氣，即冷凝后煙氣的相對濕度為1，則冷凝后溫度t2與含濕量的關系式。根據計算得出，降煙氣溫度降至48℃，可冷凝節水40t，在水資源匱乏的西部地區，水的價格為10元/t，冷凝換熱器按每年6000h的運行時間計，則每年節水產生的經濟效益為240萬元。

5結論

通過煙氣冷凝傳熱與傳質分析可知，煙氣冷凝不同于純的蒸汽冷凝，也不同于含少量不凝性氣體的蒸汽冷凝，煙氣冷凝是屬于含有大量的不凝性氣體的混合氣體的凝結。煙氣冷凝的傳熱效率及傳質效果受大量不凝性氣體的影響，另外，煙氣冷凝還受煙氣的露點溫度、煙氣溫度以及煙氣中水蒸氣的分壓力的影響。通過煙氣節水經濟性分析可知，水蒸氣體積含量為18%，體積為115萬Nm3/h，溫度為75℃的脫硫后凈煙氣，經冷凝換熱器換熱降溫至48℃后，可以析出40t水，具有很大的節水潛力及經濟效益。

作者：林志強 單位：福建龍凈環保股份有限公司