冷凝再热复合技术应用于燃煤电厂湿烟羽治理的可行性分析

摘要：为了消除“湿烟羽”，目前一般采用MGGH等烟气再热技术。该技术虽然可以提高烟气扩散效果，但不能减少污染物的排放，且能耗较高、环境温度较低时(约低于15℃)不能消除“湿烟羽”现象。为了降低能耗、污染物减排、完全消除“湿烟羽”现象，研发了烟气冷凝再热复合技术。以我国长江下游某300MW机组为例，对烟气冷凝再热复合技术与常规MGGH技术进行经济技术对比分析。研究结果表明：冷凝再热复合技术与MGGH技术相比，投资费用相当，但可有效实现降低能耗、节水、污染物减排、消除“湿烟羽”等多种目的，具有较好的经济和环境效益。

引言

脱硫净烟气未经加热从烟囱排人大气，即为湿烟气排放。排出的湿烟气与温度较低的环境空气发生接触和混合，在此过程中温度和含湿量不断降低。在烟气与空气混合过程中，烟气中所含水蒸气过饱和凝结，凝结水滴对光线产生折射、散射，从而使烟羽呈现出白色或者灰色，称其为“湿烟羽”(即俗称的“大白烟”、“白雾”、“白色烟羽”、“有色烟羽”等)。环境温度很低时，采用干烟气排放(即烟气经过加热)也会发生“湿烟羽”现象。从本质上讲，“湿烟羽”是湿烟气中水汽凝聚产生的水雾，不会对环境造成污染。相比干烟气排放，污染物排放总量不会变化。但是采用湿烟气排放时，“烟羽”的抬升高度会有所降低，扩散效果相对较差，污染物在烟囱附近的落地浓度会增加，对周边环境有一定影响。

国外目前没有针对湿烟羽治理的法律、法规或规范。仅德国在20世纪80年代出台的《大型燃烧设备法》中明确规定，烟囱出口烟气温度不得低于72℃，因此采用气气换热(GGH)技术控制排烟温度。德国加入欧盟以后，从2002年开始采用欧盟标准，不再限制排烟温度。“。美国、日本等国家也没有对“湿烟羽”及烟囱排烟温度进行明文规定。但是自20世纪80年代开始，日本部分电厂为了满足当地民众对治理“烟囱雨”、“白雾”以及污染物扩散的要求，采用MGGH技术来提高排烟温度。

上海市政府在2016年出台了DB31／963—2016《燃煤电厂大气污染物排放标准》，要求燃煤发电锅炉应采取烟温控制及其他有效措施消除“石膏雨”、“有色烟羽”等现象。2017年8月，浙江省环保厅发布了《燃煤电厂大气污染物排放标准》征求意见稿，要求位于城市主城区及环境空气敏感区的燃煤发电锅炉应采取烟温控制及其他有效措施消除石膏雨、有色烟羽等现象。

目前，“湿烟羽”治理技术的基本原理是通过改变烟气温度或湿度，避免烟气与环境空气相互混合过程中由于烟温降低导致过饱和凝结而发生“湿烟羽”现象、：根据原理可分为以下三种技术思路：

1)烟气再热法：通过气一气换热、气一水一气换热、掺混高温气体等措施，提高烟气温度。如回转式GGH、管式GGH、热管GGH、MGGH、蒸汽换热、热二次风等。该技术思路是目前最常见的，MGGH是其中应用业绩最多的技术。

2)烟气冷凝法：通过直接或间接换热将烟气温度降低到一定值(略高于环境温度)，烟气中含湿量大大降低，因此不发生“湿烟羽”现象。由于受冷源(空气或冷却水温度)、投资、能耗、占地面积等多种因素影响，目前仅在小型燃气、燃煤锅炉中有个别应用案例。一般需要将回收热量用于热网水供热产生效益，经济性才可接受。

3)烟气冷凝再热复合技术：通过将烟温降低到一定值，降低烟气含湿量后再采用烟气再热技术。此时，烟气需要升温的幅度明显降低，可减少烟气再热热源消耗，同时实现节水、污染物减排等多种目的。

烟气冷凝再热复合技术是一种新工艺，可以有效解决目前烟气再热技术存在的问题。在有效治理“湿烟羽”的同时，实现节能、节水、减排等多重目的。本文以300MW机组为例，就烟气冷凝再热复合技术与MGGH技术进行对比分析，浅析该技术在电厂应用的前景。

1烟气冷凝再热复合技术

1.1技术原理

烟气冷凝再热复合技术是烟气冷凝技术和烟气再热技术的有机整合。通过降低烟温，使得烟气中水汽过饱和析出形成凝结水，经除雾器等装置去除凝结水后，再由烟气再热装置提高净烟气温度。

烟气冷凝技术根据换热方式可采用直接换热冷凝和问接换热冷凝；根据冷源可分为水冷、空冷、热泵冷却；根据冷源循环方式可分为开式循坏和闭式循环。

烟气冷凝技术可与任何可行的烟气再热技术相配合，实际设计时可根据现场实际条件采用最适宜的烟气再热方式。一般在选择时应考虑以下因素：首先要满足烟温提升幅度的需要；其次要防止烟气泄露等问题，确保污染物超低达标排放；此外，尽量采用低品质热源、降低能耗。如图I所示，上海外高桥第三电厂采用低低温省煤器+烟气冷凝换热器+热二次风加热的组合技术。

1.2技术特点

烟气冷凝再热复合技术主要有如下特点：

1)节水：通过冷凝换热方式降低烟温，使得烟气过饱和，水汽析出形成凝结水，通过换热管和后置除雾器实现液滴的有效捕集，实现节水功能。

2)多污染物脱除：烟气冷凝技术通过烟气相变凝聚、热泳、雨室洗涤、湿式惯性碰撞捕集、湿式除尘等多种作用，进一步降低烟气中的SO2、烟尘、Hg等污染物，实现多污染物联合脱除。若与湿式电除尘装置联合应用，污染物脱除效果会更加明显。

3)降低烟气再热热源消耗：由于烟气冷凝降温后，烟气湿度大幅降低，因此消除“湿烟羽”所需的烟温升幅大大降低。这可以减少烟气再热的能耗，而且可以采用品质更低的热源加热，进而降低机组能耗。炯温降低越多，炯气需要加热的幅度也越小，环境温度越低时这种趋势更加明显。

4)完全消除“湿烟羽”现象：采用烟气再热技术将烟温从50℃升高到75℃，当环境温度低于约150C时，仍然会出现“湿烟羽”。当环境温度降低到5c|C时，炯气温度则需要加热到约120℃才能消除“湿烟羽”。如果烟气温度降低10℃，则烟气只需从40cC加热到约70℃即可消除“湿烟羽”。环境温度越低、环境湿度越高、脱硫吸收塔出口烟温越高、湿烟羽现象越严重，此时消除“湿烟羽”的代价也会更大。

2方案对比分析

2.1方案简介

本文以某300MW机组为例，对烟气再热技术(即常规MGGH)与烟气冷凝再热复合技术进行经济技术对比分析：

MGGH装置可分为烟气冷却器(即降温段、类似于低温省煤器)和烟气再热器(即升温段)。烟气冷凝再热复合技术是在MGGH的烟气冷却段和再热段之问(脱硫与烟气再热段之间)增设烟气冷凝器。考虑到现场情况，凝汽器采用开式循环冷却方式，因此从能耗、投资等多种因素综合考虑，烟气冷凝器采用厂区循环水开式循环冷却方式。

2.2边界参数

娴气冷却器有以下特点：1)有效利用烟气余热(如加热低加凝结水、净烟气、一二次风等)；2)降低脱硫系统水耗；3)降低脱硫出口烟气温度，减轻“湿炯羽”治理的难度；4)降低脱硫塔烟气流速，有利于提高脱硫除尘效率。

目前机组满负荷时，脱硫进出口烟气温度分别为140，55℃。综合考虑到烟温对后续设备及烟道腐蚀的影响，烟气冷却器吸收的热量是否能够将净烟气温度加热至期望值，现场场地空间条件等多种因素，建议将原烟气温度从140qc降低到90℃，即烟气冷却器的出口烟温为90℃。根据本项目脱硫入口温度降低后对脱硫出口烟温影响，脱硫出口烟气温度按50℃考虑。

烟气冷凝器的设计参数对烟气再热器有直接的影响。如表1所示，烟气冷凝段的温降越大，烟气再热幅度越小。但是随着烟气冷凝器出口温度降低，投资费用会急剧增加，选择合适的烟气冷凝器大小可最大限度的降低整体投资和运行费用。根据初步试算，就本项目而言，烟气温度从50℃降低到40℃时，投资、阻力、能耗综合最优。因此，在方案对比分析中，MGGH方案的设计参数按表1所示，烟气冷凝再热复合技术的烟气冷凝器出口按40℃考虑。

为了避免不同材质组合对技术方案对比分析的影响，本次换热器材质均选用氟塑料管(除蒸汽换热器采用304钢)。投资、阻力、循环水量等技术参数均以此假定进行计算。在实际设计时，换热器可采用金属材质以降低造价(约50％以上)。