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燃煤機組煙氣消白技術路線選擇與經濟分析

來源:國聯資源網-會展報道    發布時間:2019-06-18

摘 要:燃煤電廠白色煙羽治理有多種方案,以某300MW機組為例,進行了系統的濕煙羽治理熱力計算,分析了主要影響因素,并作了經濟性分析。熱力系統計算結果顯示:在條件允許的情況下先降低脫硫前原煙氣溫度是一種有效降低凈煙氣溫度和濕度的方法;降低煙氣冷凝換熱器的循環冷卻水溫是減少換熱面積的最有效舉措;增大循環冷卻水量也是一種有效減小煙氣冷凝器換熱面積的方式。通過經濟性分析發現,設備折舊和耗電費用在增加的生產成本中占比較大,機組利用小時數和水價是影響改造工程運行和維護費用的重要因素。對于常規機組而言,消白改造產生的單位發電成本增加值在2.5~4.5元/MW。

0 引言

在濕法脫硫系統中,脫硫漿液和高溫煙氣直接接觸,漿液中水分吸熱汽化,使煙氣含濕量增加、露點溫度升高,大部分燃煤火電機組凈煙氣溫度在45~55 ℃。飽和濕煙氣直接從煙囪排放,當外界溫度低于其露點溫度,大量水蒸氣凝結為小水滴,容易發生結露,由此產生“白煙”現象。與濕式冷卻塔白煙不同,在產生“白煙”現象的同時,濕煙氣還攜帶了氨逃逸產生的銨鹽、SO3氣溶膠、可溶性鹽及微細顆粒物等污染物,對霧霾的產生有一定的貢獻。2017 年下半年以來,各地逐步出臺了“深度減排”的環保方案,要求對白色煙羽進行治理,下文對不同治理工藝路線予以介紹和分析。

1 技術流派

煙氣“消白”的目的主要為:(1)消除或減輕視覺污染;(2)減排污染物;(3)回收脫硫凈煙氣中所含水分。

白煙治理可分為3 種技術流派:(1)凈煙氣直接再熱;(2)冷凝除濕或其他除濕技術;(3)冷凝-再熱。技術流派(1)只是減輕視覺污染,并沒有減少污染物排放總量;技術流派(2)對污染物略有減排,并回收了煙氣中水分,但減輕視覺污染效果有限;技術流派(3)效果兼顧了消除視覺污染和減排污染物的目的。

2 技術路線的選擇

在技術路線選擇上,需要綜合考慮地方政策、機組現狀和經濟性,宜一機一策,首先要根據地方政策確定機組的改造目標,再根據機組具體邊界條件選擇合適的技術路線并確定主體改造內容,最后根據主體改造內容進行工程改造配套。

2.1 改造邊界及方案

目前,上海、浙江、天津、河北、江蘇等地對白色煙羽的政策要求基本是:直接再熱,要求凈煙氣排放溫度75 ℃ 甚至80 ℃ 以上;如采用降溫冷凝方法,燃煤鍋爐4~10 月(簡稱非供暖期)煙溫不高于48 ℃,煙氣水體積分數(下稱含濕量) 不高于11%; 11 月至次年3 月( 簡稱供暖期)煙溫不高于45 ℃,含濕量不高于9.5%;鼓勵利用回收余熱或其他方式對煙氣再加熱。

以某300 MW 機組為例,對煙氣消白治理方案進行分析。原煙氣條件和設計目標參數如表1所示,除塵后煙氣除溫度和水蒸氣含量外,其他成分絕對量不再發生變化。再熱溫度與凈煙氣溫度和濕度等條件相關,煙氣冷卻器(用于冷卻脫硫原煙氣)與煙氣再熱器(用于加熱凈煙氣)組成WGGH, 為保證消白效果相近, 作如下定義:(1)大WGGH 為無煙氣冷凝器時,原煙氣降溫至110 ℃ , 回收熱量加熱脫硫后凈煙氣;(2)小WGGH 為有煙氣冷凝器時,原煙氣降溫至120 ℃,回收熱量加熱冷凝后凈煙氣。

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根據已出臺的地方政策,形成如下3 種改造方案。

方案1:直接再熱,將原煙氣溫度從135 ℃ 降至110 ℃,脫硫凈煙氣溫度會相應降至48 ℃,再熱器再將其加熱至72 ℃;

方案2:直接冷凝,冷凝器(冷卻脫硫凈煙氣,析出凝結水)將煙氣溫度直接降至47 ℃(非供暖期)或44 ℃(供暖期);

方案3:冷凝-再熱,原煙氣降至120 ℃,脫硫凈煙氣降至49 ℃,再將脫硫凈煙氣降至47 ℃(非供暖期)和44 ℃(供暖期),然后將冷凝后凈煙氣加熱至63 ℃(非供暖期)和58 ℃(供暖期)。考慮到有煙氣冷凝時可以適當降低凈煙氣升溫幅度,方案3 兼顧了節能與環保的綜合效益,是一種較好的技術路線。

2.2 熱力系統計算

考慮換熱溫差并兼顧低溫腐蝕,大WGGH 熱媒水按水量300 t/h、溫度70?105 ℃(“?”表示熱媒水循環時冷端和熱端溫度,下同)設計,小WGGH 熱媒水按水量200 t/h、溫度70?111 ℃ 設計,煙氣冷凝器冷卻循環水按水量3 000 t/h、非供暖期入口水溫32 ℃、供暖期入口水溫20 ℃ 計算,計算結果如表2 所示。

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從表2 可以看出,煙氣直接再熱(WGGH)會以減少脫硫漿液蒸發的形式節水16.85 t/h。冷凝后凈煙氣條件要求既定時,需要傳遞的熱量和節水量(包括減少脫硫漿液蒸發和煙氣冷卻冷凝析出水)是相同的。換熱器按供暖期和非供暖期核算面積取較大者計,煙氣直接再熱、直接冷凝和冷凝-再熱所需總換熱面積分別為:11 700 m2、11 760 m2和18 800 m2。根據所處煙氣環境,冷凝器防腐要求最高(鈦管、氟塑料、2205 雙相鋼等級),加熱器次之(316L 等級),冷卻器最低(ND 鋼等級)。換熱器造價與腐蝕要求成正比,相同防腐等級條件下適用的不同材質所制造的換熱器總價是接近的,因此可以得出如下結論。

(1)方案1(直接再熱)因無防腐等級最高的煙氣冷凝器,造價通常最低,但再熱前凈煙氣的溫度和濕度不符合某些地方政策要求,且原煙氣余熱不足時還需要另設輔助熱源。

(2)方案3(冷凝-再熱)造價最高,消白效果和政策適應性最好。

(3)如不要求進行煙氣再熱,方案2 與方案3(應含表2 中的A'、B'、C' 3 部分)中A'+B'的效果相同,因冷卻器所用材質單價明顯低于冷凝器,且其設置可以減少冷凝器的換熱面積(B'> B),2 種方式造價接近甚至方案2 價格更高,即在脫硫原煙氣溫度偏高時,直接冷凝不是一種經濟合理的方案。煙氣冷卻器(即方案3 中的A)回收的余熱在不需要加熱凈煙氣的條件下,可以通過加熱低壓加熱器系統凝結水或空氣預熱器前鍋爐給風等的形式,產生經濟效益,以抵消部分系統運行成本。

2.2.1 原煙氣的影響

對表1 中的煙氣條件進行計算以分析煙氣溫度對消白的影響,結果如表3 所示。

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原煙氣對煙氣消白的影響主要體現在煙氣含濕量和煙氣溫度上。煙氣含濕量的不同主要由燃煤煤質決定,通常燃用水分含量高的褐煤,煙氣含濕量較高。煙煤含水量次之,無煙煤含水量最低。如果原煙氣含濕量相差2%,在鍋爐排煙溫度相同的條件下, 凈煙氣溫度將會相差3 ℃ 以上,對冷凝器換熱面積影響較大。

由表3 可知,在原煙氣135 ℃、凈煙氣51.21 ℃條件下,隨著降溫幅度的增大,凈煙氣排放溫度也隨之降低,幅度近似原煙氣降溫幅度的1/10。在原煙氣降至110 ℃ 以下時,凈煙氣已經符合某些地方非供暖期排放標準,但并不建議在非供暖期取消煙氣冷凝過程,煙氣冷凝過程對減排污染物有重要的作用。

2.2.2 冷卻水溫的影響

飽和濕煙氣的降溫過程伴隨著凝結水的析出和汽化潛熱的釋放,需要冷源帶走該部分熱量。冷源可以選擇海水、江河水或者水冷機組的循環冷卻水, 空冷機組則需要新建機力通風冷卻塔或直接采用環境空氣, 即煙氣冷凝換熱的冷卻介質為水或空氣。本文冷卻介質為循環冷卻水,煙氣溫度從49 ℃ 降低至44 ℃ 左右,在水溫從15~35 ℃、水量3 000 t/h 的條件下,各冷卻水溫條件下的換熱面積如表4 所示。從表4 可見,換熱量接近時,冷卻水水溫對換熱面積影響較大。在條件允許的情況下,應選取或者制取低溫冷卻水,如建造換熱能力較強的機力通風冷卻塔。

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2.2.3 冷卻水量的影響

煙氣溫度從49 ℃ 降低至44 ℃,在水溫20 ℃、水量2 000~3 000 t/h 的范圍內,各冷卻水量條件下的換熱面積如表4 所示。 由表4 可見,對換熱面積而言,在換熱量接近時,冷卻水水量的影響比冷卻水水溫的影響要小。冷卻水進出口溫差在7~10 ℃ 較為合理[27],過大的冷卻水量本身也會造成較大的循環冷卻水泵能耗。

2.3 主體設備改造

煙氣消白改造主體設備包括:煙氣冷卻器、煙氣冷凝器和煙氣再熱器。在選擇凈煙氣直接再熱路線時,需要先確定再熱熱源,通常為回收的鍋爐尾部煙氣余熱,即通常所見的WGGH,部分條件特殊的機組也可選擇蒸汽或空氣預熱器出口熱風。煙氣冷卻器布置位置分除塵前和除塵后,通常根據煙氣硫分和溫度選擇材料,除塵前采用20G 或者ND 鋼,除塵前沒有布置空間需布置在除塵后的則選擇耐腐等級高的換熱器, 如氟塑料、搪瓷管等,該換熱器的造價變動較大。煙氣加熱器環境較好, 通常選擇316L+2205 雙相鋼等,在布置空間有限時可選擇與冷凝器相同的材質和截面尺寸,以減少變徑空間。

煙氣冷凝器處于腐蝕性強的環境,需選擇2205 雙相鋼、鈦管、改性PTFE(氟塑料)、PTH、氟塑鋼等耐腐蝕性強的換熱材質,該換熱器成本變動較小。

2.4 配套設施改造

配套設備主要包括冷源系統、冷卻水循環系統、熱媒水系統、風機等以及相應的土建、電氣、熱控等,這部分改造內容因機組實際條件有一定的差別。

(1)冷源系統差別較大,如機組靠近江河或海,則直接采用開式冷卻方式,無論是冷卻水溫還是初投資就會有優勢;如為空冷機組,則需要另設機力通風冷卻塔制造冷源;如為水冷機組,在涼水塔有裕量的條件下,可取涼水塔循環冷卻水作為煙氣冷凝的冷源。

(2)循環冷卻水系統和熱媒水系統主要包括水泵、管道及其附屬設施,當機組容量和冷源相同時,相差不大。

(3)風機改造與機組原風機裕量有關,可選擇增容或更換,在有裕量而又不充足時,可調節各換熱器阻力降,避免風機改造或減少改造量,以平衡投資。

(4)土建和電氣的改造成本與機組容量相關性較強,而電控增加的費用則不會有較大浮動。

配套設施改造通常占總改造工程造價的50%~70%,與機組大小和具體方案相關,略有變動。

3 經濟性分析

經濟性分析需綜合考慮初投資、運行成本、預期發電量、成本電價、水價等,作為環保改造,經濟性主要體現在增加單位發電成本上。以某典型300 MW 機組為例,運行小時數7 000 h 或5 000 h,折舊年限15 年,初投資3 500 萬元,煙氣系統阻力增加1 000 Pa,煙氣系統產生能耗500 kW,水系統增加功耗250 kW,節水量30 t/h,工藝水價2.5 元/t,經濟性核算結果如表6 所示。

按設定的條件,白色煙羽綜合治理改造工程會引起該機組在所給條件情況下單位成本增加3.04 元/MW,其中折舊費和耗電費用占比較大。不同的機組在利用小時數或者水價上會存在較大偏差,若機組年利用小時數偏低至3 500,則單位成本增加4.11 元/MW(條件2),或水價為5.0 元/t 時,則單位成本增加2.76 元/MW(條件3)。不同機組利用小時數、成本電價和水價波動更大時,單位成本增加值也會變化,波動范圍約為2.50~4.50 元/MW。

在機組確定時,各影響因素浮動較小,對初投資、利用小時數、成本電價、水價進行了敏感性分析,結果如圖1 所示。從圖中可以看出,影響最大的仍為機組利用小時數,其次為工程靜態投資,成本電價和水價也有一定的影響。

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4 結論

對煙羽治理工程的系統熱力計算和經濟性分析表明: ( 1) 原煙氣條件和凈煙氣目標既定時,需要傳遞的熱量和節水量是相同的;(2)在有條件的情況下,應優先考慮對脫硫前原煙氣進行降溫,以減輕煙氣冷卻冷凝的換熱面積,降低造價;(3)煙氣冷卻冷凝的循環冷卻介質溫度對冷凝效果影響最大, 冷卻介質的量次之;(4)煙羽治理改造初投資、運行小時數、成本電價、水價對消白系統運行和維護成本有較大的影響,對于常規燃煤發電機組,單位發電成本約增加2.5~4.5 元/MW。

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