徐敬玉

（昊姆（上海）節(jié)能科技有限公司，上海 200335）

0 引言

燃煤鍋爐煙氣脫硫以濕法為主，大多已滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)，但濕煙氣中含有大量水蒸氣和小液滴，直接排放浪費(fèi)熱量，并加劇有色煙羽污染。傳統(tǒng)濕煙氣余熱回收有兩種方式：1）直接冷凝換熱，其受限于煙氣露點(diǎn)，無法同時兼顧余熱品質(zhì)和余熱回收量，煙氣余熱回收率低；2）利用閉式吸收式熱泵技術(shù)，提升余熱品質(zhì)，閉式吸收式熱泵技術(shù)突破溫度的限制，提高煙氣余熱回收率[1-3]。

閉式吸收熱泵通過中介水與煙氣換熱，吸濕性溶液不與煙氣直接接觸。對于煙氣而言，閉式吸收式熱泵技術(shù)本質(zhì)上利用了溫差作為傳熱傳質(zhì)的推動力，沒有充分利用溶液和煙氣水蒸氣分壓力差的推動力。在余熱源（煙氣）和冷源（供暖水）之間增加了額外的熱量傳遞環(huán)節(jié)，降低了余熱回收效率。閉式吸收式熱泵技術(shù)冷凝后的煙氣為過飽和濕煙氣，煙氣溫度低、抬升力小且擴(kuò)散能力弱，不利于煙氣的排放及擴(kuò)散，造成煙囪附近污染物富集（如CO2）。冷凝后的酸性液體，極易造成換熱器及煙囪腐蝕[4]。冷凝中生長的微小霧滴，從除霧器中逃逸，加劇有色煙羽污染和煙囪掛冰的風(fēng)險。冷凝產(chǎn)生的煙氣酸性水，需增加水處理設(shè)施[5]。

針對閉式吸收熱泵回收煙氣余熱技術(shù)的弊端，出現(xiàn)了開式吸收熱泵技術(shù)用于煙氣余熱回收。開式吸收熱泵利用溶液直接噴淋吸收被處理廢氣中的水蒸氣，從而形成以“溶液-廢氣中水蒸氣”為工質(zhì)對的開式吸收循環(huán)。濃溶液在開式吸收器中吸收廢氣水蒸氣，吸水吸熱后濃度降低變?yōu)楦邷叵∪芤?，釋放熱量給工藝水后，稀溶液進(jìn)入發(fā)生器，被驅(qū)動蒸氣加熱濃縮為濃溶液，濃溶液繼續(xù)進(jìn)入開式吸收器進(jìn)行下一個吸收循環(huán)，發(fā)生器中濃縮產(chǎn)生的二次蒸氣在冷凝器中被工藝水冷凝為液態(tài)水，回收利用。與閉式吸收熱泵相比，開式吸收熱泵省去了蒸發(fā)器，減少了有氣密性要求的設(shè)備數(shù)量，并能輸出全部的吸收熱和冷凝熱[6]。根據(jù)吸收過程的熱力學(xué)特征不同，開式吸收熱泵分為絕熱吸收型和定壓（內(nèi)冷）吸收型，根據(jù)吸收器的結(jié)構(gòu)不同，分為降膜吸收和噴淋+填料吸收，根據(jù)發(fā)生方式的不同，分為開式發(fā)生和閉式發(fā)生。適用于煙氣、烘干廢氣等大體量，低能量密度工業(yè)熱濕廢氣的系統(tǒng)型式一般為“噴淋+填料+絕熱吸收搭配閉式發(fā)生”的開式吸收熱泵循環(huán)[7]。

國內(nèi)對開式吸收熱泵技術(shù)的研究大致分為三類。第一類是針對開式吸收熱泵熱力特性，特別是吸收器和發(fā)生器等設(shè)備的傳熱傳質(zhì)機(jī)理和性能強(qiáng)化的研究。章秋平[8]研究討論了溶液濃度、溫度、流量、含濕量和填料類型等參數(shù)對吸收器、開式發(fā)生器性能的影響。路源等[9-10]研究了降膜吸收器和內(nèi)冷型吸收器的傳熱傳質(zhì)性能以及影響水回收率的因素。楊波等[11-13]提出一種新型全開式吸收式熱泵技術(shù)用于煙氣余熱回收，系統(tǒng)性能系數(shù)（Coefficirnt of Performance，COP）最高達(dá)到1.62，排煙露點(diǎn)最低達(dá)到36.2 ℃，相對濕度為62.4%。劉駿等[14]提出一種用于回收中低溫濕空氣潛熱的開式吸收熱泵系統(tǒng)，并分析了濕空氣入口溫度、氣液比、換熱器效率等參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

第二類是將開式吸收熱泵與閉式吸收熱泵類比。對第二類熱泵、多級吸收、多級再生等循環(huán)展開的研究，魏璠等[15]對第二類開式吸收熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和性能分析，研究表明，典型工況下系統(tǒng)COP為0.64。葉碧翠等[16]和吳勇平等[17]先后設(shè)計了第二類開式吸收熱泵和兩級開式吸收熱泵系統(tǒng)，第二類開式吸收熱泵以烘干機(jī)排氣余熱和太陽能熱水共同驅(qū)動，可以產(chǎn)生120 ℃的飽和蒸氣。針對兩級開式吸收熱泵建立熱力學(xué)模型以分析其性能，COP根據(jù)發(fā)生溫度的變化可達(dá)1.20～2.00，同等條件下，閉式吸收熱泵COP最高僅為1.41。ZHANG等[18]提出一種結(jié)合閃蒸的燃煤煙氣開式吸收循環(huán)系統(tǒng)，并設(shè)計了基于兩級再生和部分再生的優(yōu)化系統(tǒng)，研究表明采用閃蒸技術(shù)可使系統(tǒng)COP提高了0.5%～2.2%。

第三類是針對開式吸收熱泵應(yīng)用于煙氣節(jié)能環(huán)保協(xié)同治理的實(shí)驗(yàn)研究及工程應(yīng)用研究。徐敬玉等[19]提出了基于開式吸收熱泵循環(huán)的一種鍋爐煙氣的處理裝置及處理方法，通過溶液對煙氣的直接噴淋，吸收煙氣中的水分、粉塵及SO2等氣溶膠，進(jìn)一步降低煙氣污染物排放，減輕白煙視覺污染，改善排煙效果；回收煙氣余熱，并成功實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。馮再濱[20]利用超重力旋轉(zhuǎn)填料床作為吸收器，研究發(fā)現(xiàn)，吸收器回收濕煙氣余熱的同時，對燃煤鍋爐粉塵具有良好的吸收效果，實(shí)驗(yàn)條件下可將出口粉塵濃度降低至3.2 mg/m3，推薦超重因子在150左右，液氣比為1.0～1.6，既能有較好的余熱回收性能又能保證較高的煙塵脫除效率。

綜上所述，既有的開式吸收熱泵技術(shù)研究主要集中在開式吸收熱泵理論工況下熱力性能分析，缺少開式吸收熱泵應(yīng)用于煙氣治理的工藝分析，和實(shí)際運(yùn)行過程中的熱力性能分析以及溶液直接吸收后排煙狀態(tài)改變對環(huán)境影響的研究。

本文提出了一種基于煙氣處理一體化的開式吸收熱泵循環(huán)流程，分析該新型開式吸收熱泵工作特點(diǎn)和工藝先進(jìn)性，通過工程項(xiàng)目評估該煙氣一體化處理技術(shù)對煙氣余熱回收、煙羽消白、脫硫及除塵的協(xié)同治理效果。

1 新型開式吸收熱泵工作原理

圖1所示為新型開式吸收熱泵工作原理及工藝流程。新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化工藝流程包括煙氣、驅(qū)動蒸氣、溶液和冷源4個工作過程。1）煙氣流程，煙氣進(jìn)入吸收塔，被濃溶液噴淋吸收后，脫除煙氣中水分及粉塵，變?yōu)闈崈舴秋柡透蔁煔馀懦?，同時煙氣中水蒸氣被溶液吸收發(fā)生相變，釋放出汽化潛熱；2）驅(qū)動蒸氣流程，引低壓（高于0.1 MPa）蒸氣作為驅(qū)動熱源，在發(fā)生機(jī)組內(nèi)加熱稀溶液，稀溶液濃縮為濃溶液，并產(chǎn)生二次蒸氣，驅(qū)動蒸氣放熱后凝結(jié)回到廠內(nèi)除鹽水系統(tǒng)；3）冷源（供暖水）流程，50 ℃管網(wǎng)回水進(jìn)入一體化系統(tǒng)，分別被吸收塔的換熱機(jī)組和發(fā)生機(jī)組的二次蒸氣兩級加熱后，升溫至90 ℃以上，供給熱網(wǎng)；4）溶液循環(huán)，濃溶液在吸收塔內(nèi)吸收煙氣水分后變?yōu)橄∪芤?，稀溶液首先進(jìn)入沉淀處理機(jī)組，進(jìn)行加堿以及多級固液分離，分離出溶液中的固體顆粒物后，再進(jìn)入發(fā)生系統(tǒng)濃縮，濃縮產(chǎn)生的濃溶液重新進(jìn)入吸收塔進(jìn)行下一個溶液循環(huán)。

圖1 新型開式吸收熱泵工作原理及工藝流程

2 新型開式吸收熱泵工藝特點(diǎn)

新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化工藝?yán)脧?qiáng)吸濕性溶液直接噴淋煙氣，吸收煙氣水分及粉塵、SO2等氣溶膠，回收煙氣汽化潛熱，吸收后的煙氣為過熱狀態(tài)，無過飽和凝水、掛冰等次生災(zāi)害，回收的水分為二次蒸氣蒸餾水，無廢水產(chǎn)生，可實(shí)現(xiàn)煙氣節(jié)能環(huán)保的協(xié)同治理。

吸收后的煙氣過熱度一般為10～20 ℃，利于煙氣排放。在溶液直接吸收和撞擊的捕集作用下，煙氣中水分、SO2和粉塵等組成的氣溶膠被吸收到溶液中，通過在溶液中添加堿劑，將生成的石膏沉淀、粉塵等固體物在沉淀處理機(jī)組中分離出來，維持溶液處于適中的含固率范圍。

新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化工藝以蒸餾水的方式回收水分，不產(chǎn)生污水，可直接作為供暖管網(wǎng)補(bǔ)水使用，減少軟水消耗。

與傳統(tǒng)閉式吸收熱泵工藝相比，雖然兩種工藝從煙氣中回收的余熱量相近，但傳統(tǒng)閉式吸收熱泵工藝屬于單一節(jié)能技術(shù)，新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化工藝在節(jié)能的同時，兼顧煙氣排放和水平衡，屬于節(jié)能環(huán)保協(xié)同治理技術(shù)。

3 工程應(yīng)用效果

3.1 工程應(yīng)用

浙江某電廠有三臺90 t/h和一臺75 t/h的燃煤循環(huán)流化床蒸氣鍋爐。脫硫工藝采用濕法脫硫，除塵采用電袋復(fù)合式除塵器+濕式電除塵器，排煙二氧化硫的含量小于35 mg/m3，粉塵的含量小于5 mg/m3。采用新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化工藝，對脫硫后濕煙氣進(jìn)行節(jié)能環(huán)保協(xié)同治理：節(jié)能方面，回收余熱加熱除鹽水；環(huán)保方面，替代濕式電除塵，降低煙塵含量，進(jìn)一步吸收二氧化硫含量，保證排煙中二氧化硫含量小于10 mg/m3，煙塵含量小于5 mg/m3，并且達(dá)到視覺消白效果。項(xiàng)目典型工況運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。

表1 運(yùn)行數(shù)據(jù)表

本項(xiàng)目采用昊姆（上海）節(jié)能科技有限公司自研復(fù)合吸收溶液，下文分析以同條件下氯化鈣溶液物性代替。項(xiàng)目投入運(yùn)行后，穩(wěn)定可靠，回收凈煙氣余熱11.1 MW，實(shí)測COP為1.85，高于同條件閉式吸收熱泵的額定COP。

3.2 煙氣消白理論分析

3.2.1 消白理論公式

除煙氣中殘留的粉塵、SO2、NOX和石膏雨等污染物外，有色煙羽主要是過飽和濕煙氣與環(huán)境空氣接觸后凝結(jié)的小液滴所造成的視覺現(xiàn)象，根據(jù)文獻(xiàn)[21]中混合過程線與飽和空氣線相切的白霧判定方法分析可知，同樣的環(huán)境條件下，煙氣的過熱度越高，與環(huán)境空氣混合后，越不容易產(chǎn)生白煙，所以提高煙氣過熱度可以有效消白。提高煙氣過熱度有兩個方向，降低露點(diǎn)溫度和提高干球溫度，相應(yīng)工程上的措施即“冷凝+再熱”，但會產(chǎn)生煙氣先降溫后升溫的能量浪費(fèi)。開式吸收一體化技術(shù)通過溶液除濕的方式可直接提高煙氣過熱度。下文首先分析溶液濃度和冷熱源條件對排煙過熱度的影響，然后根據(jù)不同季節(jié)消除視覺白煙的排煙過熱條件，獲得實(shí)際工程應(yīng)用中，消除視覺白煙的溶液濃度和冷熱源關(guān)系。

3.2.2 溶液濃度對排煙過熱度的影響

根據(jù)表1的設(shè)計數(shù)據(jù)，在除鹽水溫度為20 ℃時，測算隨溶液濃度變化，吸收后煙氣的溫度、露點(diǎn)和過熱度（煙氣干球溫度減露點(diǎn)溫度）的變化如圖2所示。隨著溶液濃度提高，吸收后煙氣的干球溫度升高，露點(diǎn)溫度降低，過熱度增加，當(dāng)溶液濃度低于30%時，煙氣過熱度低于3.5 ℃，干濕分離效果差，溶液濃度超過40%后，可保持煙氣過熱度在10 ℃以上。

圖2 煙氣出口參數(shù)隨吸收濃度的變化

3.2.3 冷熱源對排煙過熱度的影響

工程項(xiàng)目中，設(shè)備參數(shù)確定，除鹽水溫度和進(jìn)口煙氣溫度是項(xiàng)目的變工況參數(shù)，隨季節(jié)和負(fù)荷變化而波動，要研究冷熱源對排煙過熱度的影響，只能通過調(diào)整溶液濃度的方法來實(shí)現(xiàn)。可將新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化工藝系統(tǒng)模型簡化為“黑匣子”，此“黑匣子”的傳熱推動力是進(jìn)口煙氣和除鹽水的溫差，考慮吸收過程熱量與質(zhì)量耦合傳遞，以進(jìn)口煙氣和除鹽水的焓差為變量，分析出口煙氣過熱度的變化規(guī)律，其中煙氣和除鹽水的焓差表征不同冷熱源的組合。運(yùn)行工況如表1，分別測算變濃度時，煙氣過熱度（圖3）和凈回收余熱量（圖4）的關(guān)系。

圖3 煙氣過熱度隨不同冷熱源組合和溶液濃度的變化

圖4 凈回收余熱隨不同冷熱源組合和溶液濃度的變化

冷熱源的焓差越大，排煙過熱度越低，但可吸收更多的余熱，排煙過熱度的提高是犧牲余熱為代價的。固定冷熱源組合下，提高溶液濃度，排煙過熱度和凈余熱回收量都會增大，對于已建成項(xiàng)目，濃度調(diào)節(jié)是可行的主動運(yùn)行調(diào)整措施。當(dāng)以消白為目的時，適當(dāng)增加溶液濃度，余熱回收量可同時增大。運(yùn)行工況如表1，提高5%濃度，余熱回收量增加13.9%，煙氣過熱度增加4.69 ℃；降低5%濃度，余熱回收量減少11.0%，煙氣過熱度減少4.4 ℃。

新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化技術(shù)在煙氣余熱回收的同時附帶的煙羽消白能力與余熱回收量為負(fù)相關(guān)，吸收產(chǎn)生的煙氣過熱度應(yīng)作為消白的基礎(chǔ)過熱度，在環(huán)境惡劣時，適當(dāng)增加煙氣再熱，達(dá)到視覺消白的目的。

3.3 消白協(xié)同治理效果

該項(xiàng)目典型運(yùn)行工況如圖5所示，各工況的參數(shù)如表2所示。工況1和工況2環(huán)境溫濕度相似，但溶液濃度不同，導(dǎo)致排煙過熱度和消白效果有差異。工況3為冬季寒冷天氣，排煙過熱度高，但因?yàn)榄h(huán)境溫度低，需增加煙氣再熱作為輔助消白措施。

表2 各工況參數(shù)表

圖5 3種工況實(shí)景照片

工況1和工況2環(huán)境條件與排煙露點(diǎn)溫度基本相同，按照文獻(xiàn)[15]進(jìn)行計算，工況1應(yīng)實(shí)現(xiàn)視覺消白，但實(shí)際效果如工況1有明顯白煙，工況2工況，過熱度提高5.5 ℃至10.5 ℃后方能視覺消白，通過類似工況的收集分析，上述消白理論計算的煙氣消白溫度條件比實(shí)際低3～6 ℃。

工況3的環(huán)境溫度為0 ℃，相對濕度為65%，理論計算消白的煙氣溫度高于59 ℃，但實(shí)際工況下，通過增設(shè)再熱設(shè)備加熱煙氣至63 ℃（再熱量1.5 MW），方能消白。如采用純耗能的“冷凝+再熱”消白工藝，需將煙氣從34 ℃加熱至63 ℃，兩者對比，新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化技術(shù)吸收煙氣產(chǎn)生的14 ℃過熱度，可減少48%的煙氣再熱量。

3.4 脫硫、除塵協(xié)同治理效果

該項(xiàng)目投運(yùn)后，濕式電除塵停運(yùn)，煙氣進(jìn)入新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化工藝系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)為SO2的含量低于35 mg/(N·m3)，煙塵的含量低于30 mg/(N·m3)。該項(xiàng)目出口煙氣自動監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)測排放SO2的含量為0.56～2.05 mg/(N·m3)，煙塵的含量為1.34～2.20 mg/(N·m3)，溶液在吸收塔內(nèi)直接噴淋煙氣，降低SO2及粉塵的排放濃度效果顯著。該項(xiàng)目進(jìn)口SO2在線檢測顯示SO2的含量為20.8～32.5 mg/(N·m3)，計算該項(xiàng)目小時平均深度脫硫效率為95.10%，如圖6所示。

圖6 新型開式吸收熱泵深度脫硫效率

新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化技術(shù)，直接吸收煙氣產(chǎn)生的過熱度，附帶了消白功能，但消白是以減少節(jié)能量為代價，在惡劣天氣，應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)熱，達(dá)到節(jié)能與消白的雙重目的。在實(shí)測的區(qū)間內(nèi)，消白需要的煙氣溫度比理論計算高3～6 ℃，需進(jìn)一步研究。該項(xiàng)目中，在環(huán)境溫度不低于0 ℃時，新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化技術(shù)對比“冷凝+再熱”工藝，可節(jié)省48%～100%的消白再熱量。

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)煙氣處理技術(shù)問題，本文提出了一種基于開式吸收熱泵循環(huán)的煙氣處理一體化系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)進(jìn)行理論建模，分析了溶液濃度、冷熱源焓差等對煙氣過熱度和消白效果的影響，并通過工程項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評估了該系統(tǒng)的工作性能，得出如下結(jié)論：

1）新型開式吸收熱泵比傳統(tǒng)閉式吸收熱泵節(jié)省了熱量傳遞環(huán)節(jié)，提高了余熱回收效率，實(shí)測COP不低于1.85；

2）新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化技術(shù)，回收余熱的同時，并能進(jìn)一步降低SO2、粉塵的排放，對超低排放后SO2深度脫除效率為95.10%，是煙氣節(jié)能環(huán)保協(xié)同治理技術(shù)；

3）新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化技術(shù)在對煙氣進(jìn)行節(jié)能環(huán)保一體化協(xié)同治理的同時，從煙氣中回收的水分為蒸餾水品質(zhì)，不會產(chǎn)生污水，節(jié)約了水處理費(fèi)用；

4）新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化技術(shù)，具有良好的消白效果，隨著溶液濃度的提高，煙氣過熱度提高，有利于煙氣的排放，同一溶液濃度時，煙氣過熱度和余熱回收量為負(fù)相關(guān)，該項(xiàng)目中，在環(huán)境溫度不低于0 ℃時，該技術(shù)比“冷凝+再熱”工藝，節(jié)省48%～100%的消白再熱量。