ISSN1672-9064
CN35-1272/TK
作者简介：宋朝波，工程师，内蒙古大唐国际托克托发电公司脱硫系统点检员。
宋朝波
(内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司
内蒙古托克托010206)
摘要
火电厂的烟气经过湿法脱硫系统处理后排放。排放烟气中携带大量饱和水蒸气，排放到大气后，在烟囱出口处形 成了浓重的白烟羽。上海、浙江、天津等多省市均要求火电行业对白烟羽进行治理。分析白烟羽形成的原因，从节能、环保的角度考虑，提出一种采用热泵装置对脱硫后烟气先进行冷凝除水，然后对烟气进行加热处理的技术路线，在尽量降低能耗的情况下，通过提高排烟温度来消除烟囱的白烟羽，同时能够回收烟气中的大量水分，降低脱硫系统水耗。
关键词
烟囱
白烟羽
热泵
压缩机
阻燃双面胶
鸟笼的制作换热器
中图分类号:X51
文献标识码:A
文章编号:1672-9064(2019)03-058-02
目前，我国的发电机组的主力是火力发电机组，所采用的脱硫系统有90%以上都是采用石灰石———石膏湿法脱硫系统。湿法脱硫效率高，运行稳定，但是经过石灰石石膏湿法脱硫系统之后，烟气温度会降低到50℃左右，在排烟口处会出现有烟羽。
随着我国环保标准的日益提高与环保意识的不断增强，上海、浙江、天津等省市都将有烟羽治理提上议事日程。消除“有烟羽”将成为火电机组继超低排放改造之后的又一轮环保改造的主要方向。
1有烟羽形成的原因
烟气在烟囱口排入大气的过程中，因为烟气温度较低,
接触外界大气后进一步冷却，烟气中携带的部分水汽和污染物发生凝结，在烟囱口形成雾状水汽，这
种水汽在观察时，会因为天空背景和太阳光照、观察角度等原因，发生颜的轻微变化，形成通常为白、灰白、或者蓝等颜的有烟羽。
2热泵装置的原理通用模型
热泵装置是新型高效的热能传递设备，是一种利用高位
能量使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，可以把不能直接利用的低位热能(如空气、土壤、水中所含的热量)转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能的目的。 热泵的主要组成部分包括压缩机、换热器、节流器、吸热器等装置。
热泵的工作原理如下：冷媒在压缩机的作用下在系统内循环流动。它在压缩机内完成气态的升压升温过程，然后进入换热器后释放出高温热量，加热需要被加热的物质，同时自己被冷却并转化为流液态，当它运行到吸热器后，液态迅速吸热蒸发再次转化为气态，同时温度下降至-20~-30℃，这时吸热器周边的物质就会源源不断地将低温热量传递给冷媒。冷媒不断地循环实现了热源中的低温热量转变为高温热量并加热冷源的过程。
3热泵装置消除有烟羽的思路
从有烟羽的形成原因看，烟气中存在大量的水蒸气,
并且烟气温度较低。治理的思路一是去除烟气中的水蒸气,
一个是提高烟气温度。
热泵装置恰恰满足这种要求，既能去除烟气中的水蒸气，又能提高烟气温度，一举两得。只需要将热泵的吸热器设置到净烟道前段，将热泵的放热器设置到净烟道的后段，这样就可以在净烟道上实现对烟气中水分的冷凝脱除和后段的加热升温。热泵系统布置如图1所示。
4加装热泵装置改造方案
热泵系统包括冷凝器、蒸发器、压缩机、膨胀阀等设备。首先在净烟道上加装蒸发器和冷凝器，在蒸发器出口管
路上设置气液分离器，气液分离器出口设置压缩机，压缩机出口进入冷凝器，工质在冷凝器中放热，加热烟气后，通过膨胀阀，进入蒸发器，蒸发吸热，降低脱硫吸收塔出口烟气温度，将烟气中的水蒸气冷凝，凝结水顺换热器管壁下流收集，返回到吸收塔内，工质进入下一轮循环过程中。
蒸发器和冷凝器布置时，应当对原有基础、框架、钢结构支撑的强度和承载能力进行评估、复核，确认具备足够的承载能力。
冷凝器的布置应当靠近烟囱根部入口处。为加强对烟气的加热效果，冷凝器应当布置成逆流传热形式。冷凝器应当采用管式换热形式，错位排列，竖直布置在净烟道内。并且应当保证足够充足的传热面积和传热时间。
蒸发器和冷凝器的工质入口管道需要设置流量均布装置，以保证各管排工质流量均匀分布，保证吸热和放热效果。
图1热泵系统现场布置示意
图
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5传热装置工质的选择
传热工质的选择应当考虑到低毒性和低可燃性以保证安全，还应当考虑到温室效应、臭氧层破坏效应等环保因素。通常的热泵装置要求有较高的工质临界温度和较低的
标准沸点，临界温度要高于冷凝温度，标准沸点要低于低温热源的温度。
脱硫后净烟气作为低温热源，烟气温度在50℃左右，所以系统工质的标准沸点要低于50℃，考虑到一定的传热端差，工质的标准沸点要低于40℃，甚至更低，以利于烟气中热量的收集和冷凝水的收集，工质的标准沸点越低，越有利于水蒸气的凝结和下落收集。
冷却除水后的净烟气作为需要加热的对象，排烟温度要求达到80~100℃。因为烟囱流程长，筒壁薄，保温差，烟囱内烟气温度也会下降。所以会适当提高加热器出口温度。也就是说工质的冷凝温度应当在90℃左右。
6
传热过程的热量核算
6.1蒸发器热量核算
工质的冷凝温度90℃，蒸发温度40℃。吸收塔出口净烟
气温度降低5℃的情况下，烟气放热量如下：超临界600MW 机组额定工况下，脱硫塔出口湿烟气量约为2200t/h 。标准大气压下50℃饱和湿烟气的含湿量约为86.4g/kg ,
45℃下，湿烟气含湿量大约为62.1g/kg 。
冷却过程中产生的凝结水量，经计算为:M 凝结水≈53t
湿烟气比热约为1.1kJ/(kg ·K )冷却过程中烟气放热量，经计算为:Q 烟气=11.6GJ/h 水蒸气冷凝潜热放热，经计算为:Q 潜热=115GJ/h
合计放热:Q 吸=Q 烟气+Q 潜热=126GJ/h 。
因此，湿烟气从50℃冷凝到45℃，凝结水的速率约为
53t/h ，放热速率约为126GJ/h (包含潜热放热)。核算蒸发器吸热功率为35MW 。
6.2冷凝器放出热量核算
理想情况下，蒸发器吸收热量全部用于冷凝器放热，将全部净烟气从45℃加热到排放温度。热量计算过程如下:
烟气吸收热量为126GJ/h 。
烟气加热前后温度差T 升高=52℃。烟气排放温度:T 排放=97℃。足够达到对烟气排放温度的要求。
6.3换热工质流量核算天然气调压撬
净烟气冷凝水凝结放热量，也就是蒸发器吸收热量，为
126GJ/h 。冷凝水量在53t/h 左右。传统传热工质氟利昂的汽
化潜热在250kJ/kg 左右，而水的汽化潜热为2300kJ/kg 左右，氟利昂的汽化潜热大约为水的汽化潜热的1/10，粗略估算的情况下，传递同样的热量,53t/h 的水所释放的热量需要530t/h ，也就是约147kg/s 的氟利昂受热蒸发，将热量吸收并搬运走。氟利昂的密度一般在1200kg/m 3。所以热泵工质的液态体积流量应当在122L/s 左右。热泵工质的流量较大，需要设置多台大型的压缩机并联运行，方能满足需要。6.4
换热器尺寸的估算
冷凝器的热负荷暂时按照和蒸发器的热负荷相同进行
估算，约等于35MW 。经初步计算，在使用肋片式或者翅片式换热器的情况下，换热管使用合金材质，管径2~3cm ，换热器在适当增大烟道尺寸的情况下，长度应当尽量延长到10m 左右，以满足换热效果要求。
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蒸发器的布置应当参照冷凝器的布置形式，应当使用光管式换热管道，相应增大烟道的尺寸和换热器的布置长度，管排中间应当留有人行通道，以便在结垢堵塞的情况下进行清理。应当设置冲洗装置，定期冲洗，防止结垢。
7结论
脱硫后净烟气中水分的去除是较大的难点。如果采用环
境中的水、空气等方式对烟气进行冷却除水，然后再另外设置加热装置对烟气进行加热，冷凝热量对环境排放，没有进行回收利用，会造成大量的热量排入环境中，加剧温室效应和热岛效应。应当尽量采用可以循环利用的，节能、环保的方式对回收的热量进行利用。
使用热泵装置解决脱硫后烟囱白烟羽问题是一种很好的想法，热泵工作的流程与烟气处理的流程正好完全吻合，节能、高效，不污染环境，不浪费清洁燃料，冷凝回收的热量全部用于烟气加热，不增加热排放，是解决白烟羽问题的低碳解决方案。本文提供一种解决问题的思路，并初步思考了解决方案的可行性和几个关键参数的大致范围。参考文献
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震动粉扑
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到500kV 。省内售电量40年来增长了34倍,2018年12月全省日供电量最高达到4.16亿kWh ，贵州电网公司密切跟踪负
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