超超临界空冷机组烟气提水工艺设计

摘" 要：该文主要介绍烟气提水工艺设计的原理，从烟气特性、污染物脱除、降温冷却装置、冷源的选择及循环系统等介绍烟气提水的工艺设计，以某超超临界空冷机组为例，介绍烟气提水工艺设计的主要设计参数与相关运行情况，具有良好的经济效果并能二次脱除烟气中的污染物。

关键词：烟气提水；超低排放；工艺设计；超超临界机组；超低排放

中图分类号：TM621" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2023）19-0009-06

Abstract： This paper mainly introduces the principle of flue gas water extraction process design， including flue gas characteristics， pollutant removal， cooling and cooling devices， selection of cold sources， and circulation system. Taking an ultra supercritical air cooling unit as an example， the paper introduces the main design parameters of flue gas water extraction process design， and introduces relevant operating conditions， which has good economic effects and can secondary remove pollutants from flue gas.

Keywords： flue gas water extraction; ultra-low emission; process design; ultra-supercritical unit; ultra-low emission

化石能源是我国主要能源，以煤炭为原料的燃煤电厂仍占我国电力的大多数。燃煤燃烧后产生的烟气经除尘、脱硝、脱硫后含有大量的水及低品位的热量。从脱硫后的烟气汇总回收水及热量是一项重要的节水节能措施[1-3]。

目前，从烟气中回收水的技术主要有冷凝法（换热器间接冷凝法[4-6]、直接冷凝法）、膜法[7-9]、吸收法[10]等技术路线，膜法中的TMC[11-13]法能同时从烟气中回收水及热量，没有规模化应用。目前已经广泛应用的是冷凝法，换热器间接冷凝法由于酸露点的影响[14-15]需选用耐蚀材质，受限于换热的材质及传热效率，成本较高；直接冷凝法，已成功应用到京能五间房电厂等多个烟气提水项目中[15]。

烟气提水技术可以应用于水资源的回收（如节水、脱硫零补水、全厂零补水等），适用于水资源紧缺、水资源配额不足的地区，同时也适用于有节能降耗需求的地区；还可以应用于烟气深度净化（烟气的超超低排放、可凝结性颗粒物的脱除），适用于对运行稳定性的保障性措施、对环保指标具有更高要求的机组；还可以用于有色烟羽/烟囱雨的治理，适用于区域性的环保要求，还可以满足特殊高湿度烟气排放。

烟气提水技术还是一种优秀的热回收技术，与供热机组、天燃气供热锅炉以及热泵技术等联合使用可以用于集中供暖/空调以及热回收等，是一种优秀的节能减排的环保措施。

为推广烟气提水技术在我国电厂中的应用，本文将介绍烟气提水技术的特点、设计思路及在超超临界空冷机中烟气提水的实际应用效果。

1" 工艺流程

直接冷凝法是采用喷淋塔、填料塔等塔类设备作为传质传热设备，饱和烟气与低温循环水直接接触，与循环水换热降温后凝结达到收水的目的，低温循环水的冷源一般采用空冷，如果热量需要利用，则可以采用溴化锂热泵等热泵系统提取用于供暖供热等用途，如图1所示。

烟气提水系统的工艺组成有烟气系统、降温冷却装置、冷却循环系统、冷源系统、pH调节系统4个部分。烟气系统的设计需要考虑烟气的特性及烟气中污染物的脱除情况，因烟气提水系统有污染物二次脱除的特点，为控制冷却循环系统的pH需加NaOH或者Na2CO3等碱调节，所以需要控制进入冷却凝结塔中烟气的SO2浓度，不宜过高，同时低SO2浓度能够降低烟气提水系统的运行成本。降温冷却装置为烟气提水系统的核心，需要考虑烟气与循环水的气液接触方式、气液分离方式、气侧流场分布、液侧流量分布等特性，一般可采用空喷淋塔，为优化流场布置，底部可以加设湍流器、布气板等装置，顶部设置除雾装置。冷却循环系统主要考虑回收水的存储以及加药调节系统，调节pH，设置循环水箱、循环水泵。冷源系统考虑系统的运行温度，考虑冷却器的型式等，一般选择间壁式空冷装置。

2" 工艺设计

工艺设计从烟气特性，污染物的脱除以及降温冷却装置的设计，冷却循环系统的设计以及冷源的选择、回收水的存储等方面综合考虑，部分工艺参数还需要依据当地气象条件确定。

2.1" 烟气特性

目前燃煤电厂的污染物排放基本可以达到超低排放的要求，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度（基准含氧量6%）分别不超过5、35、50 mg/m3，烟气从脱硫塔中排出后为水饱和烟气，还有少量其他的污染物组分，常规烟气的参数包括温度、烟气的流量、烟气的压力等，而烟气中的水含量可以依据饱和蒸汽压公式预测，饱和烟气的水蒸气分压仅与温度有关，水蒸气在烟气中的含量可以按Antonie公式计算，依据相关标准选择合适的系数。

烟气特性与可回收水量、回收水系统的经济性以及回收水系统的配置等密切相关。

烟气的流量，烟气的温度以及烟气的压力确定了烟气中的水含量，烟气温度的高低与提水量决定了烟气与冷循环水之间传质传热的推动力，从而影响到设备的投资进而影响到烟气提水的成本。而烟气中的污染物组分，如SO2等，在冷却凝结塔中由于污染物的二次脱除，需要加NaOH等碱进行调节，进一步影响到烟气提水系统的经济性。

2.2" 污染物的脱除

烟气提水系统对污染物有明显的二次脱除作用，实测数据表明，污染物脱除能力见表１。

随系统周期正常运行，SO2、SO3等酸性污染物被脱除后会累积，脱水系统的pH会越来越低，对设备材质等要求较高，会增加系统的投入成本，因此需要加碱进行pH的调节。

2.3" 降温冷却装置

降温冷却装置一般有空塔、填料塔、内构件塔等多种型式。

几种降温冷却装置的比较见表2。

此外，还需要考虑烟气提水系统的气液两相分离，包括烟气入口侧及烟气出口侧2个位置，重点是烟气出口侧的气液两相分离，需要在低阻力下控制液滴的夹带量，采用屋脊式除雾器、折流板式除雾器、管束式除尘除雾装置等均可以满足要求。

气侧流场均布，与烟气通过气液分离器时工况流速和均匀性相关，可以通过调整气液分离器的出口高度交错降低工况流速。换热过程剧烈，因此气相温度变化显著发生在下部高温段，换热空间足够时可发生出口水温高于排出烟温，常规气液分离器的阻力约为150～200 Pa。

液体侧流场均布，流量分布均匀性与喷淋覆盖率、喷淋单位面积流量、喷淋液滴粒径等相关。

喷淋层单层覆盖率不小于150%，多层总覆盖率不小于400%，采用湍流器时可降低至300%。

喷淋液滴的粒径是烟气提水系统的核心参数之一，液滴表面为烟气与水传质传热的界面，喷淋液滴粒径建议1 500 μm，适用范围大于等于1 200 μm。同时也不宜过细，防止过量细雾滴被烟气携带而不能被除雾器捕获。

2.4" 冷却循环系统

冷却循环系统主要包括：回收水及其储存系统、循环水箱系统、循环泵、加药系统4个部分。

回收水及其储存系统主要与回收水的用途及缓冲存储时间有关，依据具体的需求进行设计。

循环水箱的设计与运行安全性相关，一般为大型储罐、高位水箱或者耐压储罐，设计时还需要考虑大流量冲击，加药混合缓冲时间，循环泵的安全缓冲时间，pH计安装位置以及防腐材质的选择等几个方面。

加药系统主要调节循环系统的pH，加药量可以按照入口SO2的总量设计，并考虑一定的裕量，加药方式有溶液（预留时间3～5 min）或者粉状（预留时间15 min以上），加药位置一般设置在流动循环液管道高温出口侧（无压管道），而粉末加药时还需设置防结露装置，防止物料的板结等，加药泵采用变频离心泵，关联pH控制离心泵的启停及频率，不宜采用柱塞泵等容积泵。

2.5" 冷源

冷源一般有空冷器、凉水塔、自然冷源及热泵等几种型式。

冷源的选择受设计环境条件（气象条件/其他资源）等的影响，一般选择思路如下：空冷器适用于北方寒冷干燥缺水地区；凉水塔适用于我国大部分地区；自然冷源适用于水资源丰富地区（但因为热污染问题，目前国内一般不批准）；热泵适用于有热源供应市场的项目。

冷源设计温度的选择是关键的参数，设计选取最不利条件下的空气冷源温度，依据DL5000—2000《火力发电厂设计技术规程》第14.2.6条款的规定，当采用循环供水系统时，冷却水的最高计算温度，宜按历年最炎热时期（以三个月计算）频率为10%的昼夜平均气象条件计算。

而依据GB 50102—2003《工业循环水冷却设计规范》第2.1.11条款的规定，计算冷却塔的最高冷却水温的气象条件应符合下列规定，根据生产工艺的要求宜采用按湿球温度频率统计方法计算的频率为5%～10%的日平均气象条件，气象资料应采用近期连续不少于5 a，每年最热时期3个月（一般为6—8月）的日平均值。

依据当地气象数据，五间房地区10%频率的昼夜平均温度为24.5 ℃，18.6%频率的为20 ℃。

2.6" 系统的防冻

烟气提水装置应用的地区主要是我国北方富煤缺水地区，冬季温度较低，当气温较低时（低于5 ℃）需要做好冬期防冻措施[16]。尤其是机力通风装置的冬期防冻措施，设置合理的温度控制逻辑，加强监控设施的设计。并做好循环水泵、碱液泵等泵类设备排凝防冻措施，碱液箱等在冬季停工时也容易结晶，可配置蒸汽加热盘管。

3" 实际项目

烟气提水技术已成功应用于京能五间房电厂等多个电厂中，其中五间房电厂还是我国国家优质工程金奖获得者，创新地集成了零取水，电水联产技术。

3.1" 京能五间房电厂简介

京能五间房电厂一期2×660 MW机组工程位于内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗吉林高勒镇境内，属于大型坑口电厂。所在地属于内蒙高原的内陆型草原，区域内地表水系不发育，属于典型的富煤缺水/生态环境脆弱地区。

京能（锡林郭勒）发电有限公司一期工新建程2×660 MW机组工程于2015年9月18日开工建设，项目1#机组于2018年10月20日12：36通过168 h试运转入商业运营，2#机组于2019年01月24日12：18通过168 h试运转入商业运营。

3.2" 基础设计参数

烟气参数见表3。

设计要求在20 ℃的大气环境下，烟气收水量90 t/h，设计参数见表4。

3.3" 工艺流程

京能五间房电厂烟气提水的基本工艺流程如图2所示。

3.4" 重要设计参数

设计的核心在换热区的设计，包括喷淋层数的选择、喷嘴型式的确定、喷嘴粒径的选择以及喷淋换热区高度的确定，核心参数的确定依据数值模型以及中试实验的实验数据确定，重要设计参数见表5。

循环水流量为7 000 m3/h，循环泵选择3台，2用1备，每台泵的流量为3 850 m3/h 。

循环水箱设置在高位，规格Φ10 m×30 m，体积V=2 000 m3。

pH调节药剂碳酸钠在低温时溶解度低，采用Na2CO3作为pH调节系统存在结晶阻塞风险，在循环水罐的顶部粉状直接加药，但仍有结晶的风险，后期改为NaOH为pH调节系统的药剂。测量pH的位置设置在循环水箱至空冷岛外排管路上。

为防止烟气脱硫系统出口SO2浓度排放超标，pH调节系统的设计留有足够的裕度。

4 运行情况

自2018年10月京能五间房电厂项目调试开始，至机组完成168 h满负荷试运并转入试生产后，脱硫系统和烟气提水系统同步试验。在机组486 MW、负荷率74%工况下，冷凝塔入口烟气温度56.84 ℃，冷凝循环水供水温度42.3 ℃，烟气降低4.8 ℃时，冷凝塔回收水量126 t/h（峰值147 t/h），系统参数稳定，达到预期提水效果。

经中试和试生产应用，提水能力达到了90 t/h目标，优良值达147 t/h，年均提水量达100～110万t，也就是每年少用自然水资源量达100～110万t。机组取水量指标0.07 m3/（MW·h），耗水指标为0.025 2 m3/s·GW，较行业优值降低52%。（常规2×660 MW等级燃煤火力发电厂年耗水量达181.5万t等级，平均机组取水量指标为0.25 m3/（MW·h），耗水指标0.09 m3/s·GW）。

生产实践证明，烟气提水系统的节水效果显著，大幅降低了机组发电耗用水资源量。

烟气提水系统同时具备额外的环保处理能力。在市场煤含硫量大幅波动情况下，保证了脱硫提水塔出口排放指标达标。

4.1" 污染物脱除

如前所述，烟气提水装置对SO2、SO3、颗粒物、HCl和HF等均有一定的脱除效果，我们对相关实测数据整理成表，首先介绍烟气提水装置对SO2的脱除情况，锅炉负荷100%及50%负荷烟气提水装置的启停对SO2排放的影响，见表6、7。

从表6、7中可以看出，烟气提水装置的开启能够脱除大约70%～80%的SO2，可以起到对SO2的二次脱除作用。

烟气提水装置对颗粒物的脱除情况参见表8，从表中可以看出，烟气提水装置对颗粒物的脱除效率在33%～35%。

同时，我们还测定了烟气提水装置对SO3等可凝结颗粒物的脱除情况，参见表9，对SO3等可凝结颗粒物也有一定的脱除效果。

烟气提水装置对SO2、SO3及其他酸性气体以及颗粒物均有一定的脱除作用，是污染物达标或者超净排放的有力保障。同时，烟气提水后温度降低，还具有一定的烟气消白及消除有色烟羽的作用。

4.2" 水质情况

烟气经脱硫装置得到净化，从4.1中我们可以看出，烟气提水装置对污染的二次脱除作用，为控制烟气提水系统的pH，需加碱调节，回收水的水质较好，可溶盐类以硫酸盐为主，回收水的部分水质指标见表10。

烟气回收水可以直接用于烟气脱硫装置的补水，还可以用于电厂化水反渗透装置的进水，经进一步处理用于电厂补水。

4.3" 脱水运行成本

京能五间房烟气提水装置的投资为6 056万元，按年运行5 500 h设计，设计寿命20 a，单位回收水投资成本6.12元/t。

试验期间100%、50%负荷工况下，单位回收水量在81.42～121.24 t/h，回收吨水耗电费用在2.74～4.08元/t。

按碳酸钠市场价格2 000元/t计，每吨水药剂费用约为1.56元。回收每吨水运行成本约为4.30～5.64元。药剂成本占直接运行成本的28%～35%。烟气提水固定投资成本见表11。

按照设计回收水量90 t/h计算，每年可获利650万元，满负荷实际回收水量核算，每年获得的利润更高，可达1 100万元/a，具有良好的经济效益和社会效益，特别适合我国北方富煤缺水地区。

5" 结论

烟气直接冷却提水的基本原理是利用冷循环水喷淋为细小液滴直接对脱硫塔出口的饱和烟气进行降温冷凝从而回收水，工艺简便，传热效率高，设计的核心就在于冷却降温装置，保证烟气与冷循环水换热效果的同时，适当选择较高的塔内流速，合适的换热空间，必要时选择加装湍流器等流场均布装置。

烟气提水装置可以解决缺水地区的水资源问题，可以减少生产单位水耗，实现脱硫系统的零补水甚至可以实现全厂零补水。具有良好的经济社会效益。

烟气提水装置能进一步降低污染物排放浓度和排放总量，消除有色烟羽，摆脱烟囱雨的困扰，该系统还可以用于电厂烟气CO2捕集的前处理工艺，经烟气提水后的烟气可进一步接近吸收塔CO2烟气捕集的气体质量要求。

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第一作者简介：王永亮（1965-），男，硕士，高级工程师，副总经理。研究方向为电力能源规划设计及建设运营。

*通信作者：秦省军（1978-），男，硕士，高级工程师。研究方向为大气污染物治理、烟气节能及提水。