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我國(guó)是全球水資源最貧乏的國(guó)家之一，西北地區(qū)缺水尤為嚴(yán)重。世界人均水占有量是7900m3，我國(guó)西北干旱地區(qū)人均不足110m3，有300萬(wàn)人口嚴(yán)重缺水。另外，我國(guó)煤炭資源和水資源成反比，嚴(yán)重缺水的內(nèi)蒙古、新疆乃至整個(gè)西部地區(qū)煤炭資源豐富，作為國(guó)家能源發(fā)展的主要地區(qū)，新疆、內(nèi)蒙等地將建設(shè)一大批電力設(shè)施，但水資源短缺成為發(fā)展的瓶頸。全方位研究推廣節(jié)水技術(shù)，能夠?yàn)槲覈?guó)西部富煤缺水地區(qū)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

1循環(huán)流化床干法脫硫工藝簡(jiǎn)介及節(jié)水背景

長(zhǎng)期以來(lái)，由于種種原因，我國(guó)大型燃煤機(jī)組，特別是600MW及以上機(jī)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(shù)經(jīng)濟(jì)性較差，嚴(yán)重影響了我國(guó)富煤低硫缺水地區(qū)的煤電一體化基地的建設(shè)。循環(huán)流化床干法脫硫除塵一體化工藝具有節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保等特點(diǎn)，在富煤缺水地區(qū)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。循環(huán)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(huán)流化床原理為基礎(chǔ)，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(zhì)。通過(guò)控制物料與煙氣的接觸時(shí)間，可獲得90%～98％的穩(wěn)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(nèi)需要噴入一定量的工藝水，塔內(nèi)噴水使脫硫除塵后的清潔煙氣含水量（體積分?jǐn)?shù)）增加至18%左右，溫度降至75℃，最后經(jīng)過(guò)煙囪直接排到大氣，帶走大量的水蒸氣，對(duì)于1臺(tái)330MW機(jī)組，吸收塔內(nèi)每小時(shí)噴水量為40t左右，相當(dāng)于排煙每小時(shí)帶走40t的水蒸氣。考慮西北地區(qū)水資源匱乏，采用一種冷凝換熱器對(duì)高含水量的凈煙氣進(jìn)行降溫冷凝，并對(duì)冷凝水進(jìn)行回收利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)水目標(biāo)。

2高含水分煙氣特性

表1為1臺(tái)330MW機(jī)組的鍋爐煙氣經(jīng)過(guò)循環(huán)流化床干法脫硫工藝之前以及之后的煙氣參數(shù)。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(duì)其進(jìn)行降溫至露點(diǎn)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(huì)對(duì)換熱器造成低溫腐蝕和堵塞等問(wèn)題。

3高含水分煙氣的冷凝特性

3.1傳熱及傳質(zhì)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(jié)，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(dāng)含有不凝性氣體的蒸汽與低于其露點(diǎn)的冷卻壁面接觸時(shí)，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(kuò)散穿過(guò)這層氣膜才能達(dá)到液膜表面進(jìn)行凝結(jié)。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(duì)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(guò)程中，煙氣一般以過(guò)熱狀態(tài)進(jìn)入，當(dāng)換熱器中的管壁面溫度低于煙氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，冷凝發(fā)生，管壁面被濕潤(rùn)。這個(gè)表面被氣體界膜包圍，煙氣中的水蒸氣，通過(guò)這個(gè)氣體界膜擴(kuò)散到管表面上冷凝。煙氣中的潛熱和顯熱通過(guò)這個(gè)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(guò)程中，水蒸氣不斷被冷凝下來(lái)，放出熱量，使煙氣的組成、物性參數(shù)等不斷發(fā)生變化，其放熱系數(shù)也在不斷的變化，在這個(gè)過(guò)程中同時(shí)還伴隨有傳質(zhì)發(fā)生，整個(gè)傳熱傳質(zhì)過(guò)程非常復(fù)雜。

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

3.3煙氣冷凝的影響因素?zé)煔庵兴魵獾睦淠饕芤韵乱蛩赜绊懀孩贌煔獾穆饵c(diǎn)溫度，煙氣溫度以及煙氣中水蒸氣的分壓力。②煙氣的露點(diǎn)溫度越低，煙氣不易冷凝，水蒸氣傳質(zhì)通量減小，傳熱量小；煙氣露點(diǎn)溫度越高，煙氣易冷凝，水蒸氣的傳質(zhì)通量越大，傳熱量越大。③煙氣溫度越高，水蒸氣傳質(zhì)通量越小；反之，水蒸氣傳質(zhì)則增強(qiáng)。④煙氣中水蒸氣分壓力的大小，決定了傳質(zhì)動(dòng)力△P或△C的大小，傳質(zhì)傳熱動(dòng)力越大，水蒸氣的傳質(zhì)越強(qiáng)。

4煙氣冷凝節(jié)水經(jīng)濟(jì)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(duì)回收水進(jìn)行循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)水的目的。根據(jù)清華大學(xué)“半干法煙氣脫硫工藝中噴水量的控制系統(tǒng)及其控制方法”中的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算公式反推冷凝后煙氣溫度，并假設(shè)冷凝后煙氣為飽和煙氣，即冷凝后煙氣的相對(duì)濕度為1，則冷凝后溫度t2與含濕量的關(guān)系式。根據(jù)計(jì)算得出，降煙氣溫度降至48℃，可冷凝節(jié)水40t，在水資源匱乏的西部地區(qū)，水的價(jià)格為10元/t，冷凝換熱器按每年6000h的運(yùn)行時(shí)間計(jì)，則每年節(jié)水產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為240萬(wàn)元。

5結(jié)論

通過(guò)煙氣冷凝傳熱與傳質(zhì)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(jié)。煙氣冷凝的傳熱效率及傳質(zhì)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(diǎn)溫度、煙氣溫度以及煙氣中水蒸氣的分壓力的影響。通過(guò)煙氣節(jié)水經(jīng)濟(jì)性分析可知，水蒸氣體積含量為18%，體積為115萬(wàn)Nm3/h，溫度為75℃的脫硫后凈煙氣，經(jīng)冷凝換熱器換熱降溫至48℃后，可以析出40t水，具有很大的節(jié)水潛力及經(jīng)濟(jì)效益。

作者：林志強(qiáng) 單位：福建龍凈環(huán)保股份有限公司