2.3 美国燃煤电站烟气余热与水分联合回收技术研究简介[4]

美国能源部于2006年资助了一项锅炉烟气水分回收的科研项目(资助号DE-FC26-06NT42727)，项目由美国里海大学(Lehigh University)能源研究中心承担，研究主要分为两个阶段。第一阶段的研究已在2008年12月完成，主要工作内容是通过实验室及中试规模实验结合数值模拟手段研究应用冷凝换热器回收燃煤电站烟气中的水分，进行了该技术的初步探索。锅炉烟气水分来自三个途径，燃料水分、燃料氢的氧化、助燃空气携带的水分。烟气中水分含量与煤种关联性较强，尤其褐煤锅炉烟气含水量较大，回收的冷凝水可用于与电厂循环冷却水补水或脱硫工艺水。研究人员充分利用计算机模拟技术研究换热器换热特性以及锅炉和汽机热力系统热回收潜力，研究了不同工况条件下水分回收率，部分过程条件下水分回收达70%，根据不同的煤种电厂效率可增加1.8-3.9%，如将烟气冷却至环境温度，烟气中汞的脱除率达60%，该技术具有良好节能、节水作用，极具环保价值。

目前研究人员正在执行第二阶段的研究工作，第二阶段研究是第一阶段研究的延续，研究重点着眼于水和酸冷凝规律研究;开发高性价比抗腐蚀换热管;优选冷凝液处理工艺;开发全尺度冷凝换热器等几个方面的研究。美国能源部希望未来将该技术放大到全尺度燃煤电站锅炉上去。

3 关键技术

(1)全厂热力系统模型搭建与热力系统模拟。

烟气余热与水分联合回收技术奖冷凝换热系统与锅炉和汽轮机热力系统耦合起来，系统复杂，过程模块众多，通过手工计算难度大，应用先进的流程模拟软件ASPEN PLUS可以对全厂热力系统进行建模，优化工艺过程，计算能量回收效能，核算烟气余热回收产生的经济效益。FOSTER WHEELER和ALSTOM在富氧燃烧锅炉以及超临界循环流化床锅炉技术开发过程中成功应用ASPEN PLUS 完成了新技术的概念设计，成功实现全厂系统的模拟，如图2，概念设计阶段提高研究效率，缩短研发周期，降低研发成本。里海大学能源研究中心的研究人员充分利用ASPEN PLUS成功对冷凝换热系统与全厂热力系统耦合建模对系统进行研究优化，有效推进了研究进程，丰富了研究内容及研究数据。

图2 FOSTER WHEELER富氧燃烧循环流化床锅炉电站系统模型

(2)烟气中的水分、酸性物质以及汞等物质的凝结吸收特性研究。

研究烟气中的水分、酸性物质以及汞等物质的凝结吸收特性，充分了解烟气中的水分凝结规律，掌握SO3、SO2、HCl、Hg2+在水分凝结过程中的吸收反应特性，以及Hg0汞的凝结析出规律，建立水分回收与污染物去除模型，指导工程设计。

(3)经济型抗腐蚀冷凝换热器研究。

烟气余热与水分联合回收技术的核心设备是冷凝换热器，烟气冷凝过程换热器环境恶劣，冷凝酸液pH处于1-2之间，冷凝液中含有大量酸性物质，需要性能良好的耐酸材料，燃气冷凝换热领域已经广泛采用镍-铜-磷涂层材料，可加以借鉴，但要充分考虑除尘后燃煤烟气条件，开发适用于燃煤电站烟气的条件的镍-铜-磷涂层材料管束，甚至也可采用非金属换热器，如化工领域广泛使用的氟塑料换热器等，最终使用何种材料需要从成本收益角度充分考虑。

(4)遴选适合燃煤锅炉烟气凝结水处理工艺。

冷凝液中含有少量灰尘，大量酸性物质，以及微量重金属，且pH值较低，针对冷凝水的特性，选取经济的工艺流程及处理设备，除去以上物质，中和酸性环境，将凝结水回收利用，可用作电厂循环冷却水或脱硫系统的工艺水，减少电厂从环境取水。

4 结论

(1)冷凝换热技术在燃气锅炉及热水器领域研究较多，在我国存在一些成功案例，但装置规模较小，将该技术用于燃煤电站需做一些针对性研究工作。

(2)美国能源部非常重视火电厂节水工作，在全美展开了若干节水技术研究，基于冷凝技术的燃煤电厂烟气水分与热量回收研究前景较好，但处于基础研究阶段，全尺度工业应用还尚需时日。

(3)开展基于冷凝换热技术的烟气余热与水分联合回收系统研究，占领节能节水环保型电站技术的至高点，对我国破解富煤缺水这一资源分布困局具有重要意义，余热与水分联合回收技术是一项既节能又环保的新技术, 是高效节能环保节水型燃煤发电示范工程核心技术之一，对我国建设环境友好型资源节约型社会意义重大。

(4)为了缩短研发周期，减少研发投入，提高研发效率，借鉴国外先进研究机构应用先进流程模拟软件以及CFD和有限元软件进行工艺系统及核心设备的开发的经验，开发出具有自主知识产权的燃煤电站烟气余热与水分联合回收技术。

参 考 文 献

[1] 孙金栋, 贾力, 陈铁兵. 烟气冷凝的环保分析[ J] . 北京建筑工程学院学报, 2000, 16( 3) : 6- 11.

[2] 刘重阳. 烟气冷凝介质中耐蚀材料的筛选及腐蚀行为研究 [D].[硕士学位论文],大连：大连理工大学2010.

[3] 雷承勇等.燃煤电站烟气水分回收技术试验研究[ J].锅炉技术,2011,42(1):5-7.

[4] U.S. Department of Energy –National Energy Technology Laboratory,Recovery of Water From Boiler Flue Gas [R],2008.