閆斌 昊姆（上海）節(jié)能科技有限公司

近年來燃煤鍋爐的超低排放標(biāo)準(zhǔn)受到越來越嚴(yán)格的限制，同時其余熱回收情況也備受重視，燃煤鍋爐的節(jié)能與環(huán)保一體化治理逐漸提上日程。

有學(xué)者提出了基于開式吸收式熱泵的煙氣一體化處理系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用研究，該系統(tǒng)通過吸濕性溶液與煙氣進(jìn)行直接接觸式的噴淋，可以將濕飽和煙氣中的硫、塵等脫除，同時利用溶液的吸水過程回收煙氣中的汽化潛熱，溶液中吸收的水分則通過驅(qū)動蒸汽等熱源進(jìn)行間壁式加熱蒸餾出系統(tǒng)，溶液本身以及蒸餾產(chǎn)生的新蒸汽可通過換熱設(shè)備將熱量傳遞給工藝水。本技術(shù)可以很好的實現(xiàn)煙氣的脫硫、除塵、節(jié)能協(xié)同治理，但無法直接在未進(jìn)行濕法脫硫項目且缺少驅(qū)動熱源的燃煤熱水鍋爐上應(yīng)用，需針對應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行一定的調(diào)整。然后，有學(xué)者就吸濕性溶液脫硫的能力做了論述，通過添加堿劑，可以對二氧化硫進(jìn)行深度脫除。同時，考慮到未脫硫的煙氣干球溫度較高，可以作為溶液發(fā)生的驅(qū)動熱源，且煙氣中未被添加過水分，水露點較低，可以與溶液直接接觸進(jìn)行開式發(fā)生，而關(guān)于溶液的開式發(fā)生1961年就被提出了在空氣調(diào)節(jié)中的工業(yè)化應(yīng)用，發(fā)展至今已經(jīng)有了較為成熟的理論體系。

基于上述背景與理論基礎(chǔ)，本文介紹一種開式吸收、開式發(fā)生的熱泵系統(tǒng)，用于未進(jìn)行濕法脫硫的溫度較高、含水率較低的燃煤鍋爐煙氣的環(huán)保與節(jié)能一體化治理，并探求其主要的影響因素。

1 開式吸收發(fā)生一體化熱泵系統(tǒng)流程與特點

1.1 系統(tǒng)流程

首先，煙氣經(jīng)過雙級吸收塔后排放。吸收塔分為上下兩段，吸收塔下段為溶液發(fā)生段，上段為溶液吸收段，塔兩段之間設(shè)置升氣裝置，使煙氣可以從下往上通過，溶液從上往下無法落下。煙氣在溶液發(fā)生段經(jīng)過溶液噴淋，將熱量傳遞給溶液，煙氣溫度下降，吸收溶液中水分，含濕量上升，此后經(jīng)過溶液吸收段，將熱量傳遞給溶液，煙氣中水分被溶液吸收，含濕量下降，釋放汽化潛熱和顯熱，此后進(jìn)入煙囪中排放。

其次，吸濕性溶液與煙氣進(jìn)行噴淋直接換熱。在吸收段中，由于溶液具有吸濕性，且煙氣水分含量相對較高，可吸收煙氣中水分并吸收煙氣中熱量將溶液溫度提高；在發(fā)生段中，溶液的溫度升高，吸濕性降低，且煙氣水分含量相對降低，因此溶液由吸水變?yōu)檎舭l(fā)水分，兩級塔中的溶液出塔后，分別回到兩段塔對應(yīng)的儲液箱，此后分別經(jīng)過換熱器，將熱量傳遞給冷源實現(xiàn)余熱回收，換熱后的溶液繼續(xù)泵入雙級塔噴淋煙氣，形成閉環(huán)。兩段儲液箱之間設(shè)置有溶液交換系統(tǒng)，可以連續(xù)或間歇性運行，實現(xiàn)系統(tǒng)的物料平衡的同時，上下兩段的溶液維持一定的濃度差，從而更有利于吸收與發(fā)生的過程。

最后，發(fā)生段溶液中蒸發(fā)出的水蒸氣與煙氣中的粉塵等結(jié)合形成氣溶膠；SO2與氣溶液一起被溶液中熟石灰吸收，生成亞硫酸鈣，通過外置的氧化箱強制氧化為硫酸鈣，通過旋流壓濾系統(tǒng)從溶液中分離。開式吸收式發(fā)生一體化熱泵系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 開式吸收式發(fā)生一體化熱泵系統(tǒng)流程圖

1.2 系統(tǒng)特點

溶液在吸收段吸濕的過程中，捕獲了煙氣中的氣溶膠，有利于吸收煙氣中的煙塵等雜質(zhì)，同時也更有利于二氧化硫的吸收，實現(xiàn)煙氣的超低排放。溶液吸收水量與發(fā)生水量動態(tài)平衡，整體代替了濕法脫硫往煙氣中添加水分、后續(xù)再從煙氣中回收水分的過程，可以較為深度的回收高溫?zé)煔獾臒崃?。在環(huán)保方面，相比于增設(shè)濕法脫硫，系統(tǒng)可以實現(xiàn)濕電除塵的除塵效果，并且經(jīng)過溶液噴淋后的煙氣具有一定的過熱度，有利于煙氣排放；在節(jié)能方面，相比于增設(shè)煙氣換熱器，系統(tǒng)不存在酸露點腐蝕以及間壁式換熱效率低的問題。

2 工程案例

河北某供熱公司有2×168MW 循環(huán)流化床鍋爐，型號為QXF168-1.6/130/70-M 型。系低溫低壓、單鍋筒、強制循環(huán)熱水鍋爐，采用循環(huán)流化床燃燒方式、高溫分離物料、固態(tài)排渣、干式輸灰、平衡通風(fēng)、露天布置，同步配置爐內(nèi)脫硫裝置，采用爐內(nèi)噴鈣干法脫硫技術(shù)，設(shè)計煤質(zhì)收到基硫分為1.016%，校核煤質(zhì)收到基硫分1.34%，入口SO2濃度按照 2760mg/m3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2）考慮，脫硫效率90%，脫硫裝置與鍋爐同步投產(chǎn)運行。兩臺號鍋爐各配備1臺LTF2600-2×6長袋低壓脈沖布袋除塵器，但其使用壽命已超過設(shè)計值，出口煙塵含量大于50mg/m3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2）。兩臺鍋爐的煙塵與硫含量均不能達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)；同時由于地處北方，有供暖回水加熱的余熱回收需求。因此，采用吸收發(fā)生一體化熱泵技術(shù)對其進(jìn)行節(jié)能與環(huán)保的協(xié)同治理。詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 反電暈指數(shù)量化定義

3 開式吸收發(fā)生一體化熱泵系統(tǒng)影響因素與調(diào)節(jié)分析

3.1 系統(tǒng)影響因素

開式吸收發(fā)生一體化熱泵系統(tǒng)在熱平衡上的影響因素與常規(guī)開式熱泵趨勢相同，因此本文在此主要闡述水平衡的影響因素。煙氣與溶液之間的傳質(zhì)，其根本影響因素在于水蒸氣分壓力之差。在發(fā)生段，溶液水蒸氣分壓力大于煙氣越多，則發(fā)生量越大；在吸收段，溶液水蒸氣分壓力小于煙氣越多，則吸收量越大。煙氣的水蒸氣分壓力取決于煙氣的含水率，而溶液的水蒸氣分壓力取決于溶液的溫度與濃度，基于此可以對影響因素做出分類。

3.1.1 煙氣品質(zhì)影響

煙氣的溫度升高，在發(fā)生段的溶液會吸收更多的熱量，溶液整體溫度升高，溶液水蒸氣分壓力升高，將更有利于溶液的發(fā)生，使系統(tǒng)發(fā)生量大于吸水量。煙氣的含水率升高，將導(dǎo)致發(fā)生段的溶液與煙氣水蒸氣分壓力之差降低，不利于溶液的發(fā)生，吸收段煙氣與溶液的水蒸氣分壓力之差升高，有利于溶液的吸收，使系統(tǒng)吸水量大于發(fā)生量。

3.1.2 冷源品質(zhì)影響

愛思唯爾理解的需求是三角模型，底層是基礎(chǔ)入門的百科知識、再往上會有一些進(jìn)階的科學(xué)知識，最頂端是最重要和最新的研究知識。人們需要的是找到正確的內(nèi)容來解決遇到的問題。所以傳統(tǒng)文獻(xiàn)知識服務(wù)商需要找到更有意義的方式幫助用戶，比如他們想看數(shù)據(jù)，想看最新的研究內(nèi)容，這是他們的需求，而不是一本書或者一本期刊。當(dāng)用戶搜索一個詞時，希望給予他們的時該詞的相關(guān)知識，是入門知識還是最新研究可以由用戶選擇，而不是給一堆文獻(xiàn)的檢索結(jié)果。應(yīng)該做到能從圖書、期刊、專利等文獻(xiàn)中提取特定概念詞，將各類文獻(xiàn)內(nèi)容關(guān)聯(lián)起來，使用戶通過檢索，能直接得到該檢索詞的定義、特性等內(nèi)容，而不是去通讀大段的文獻(xiàn)。

冷源的溫度升高，將會使溶液的整體溫度升高，溶液的水蒸氣分壓力升高，使系統(tǒng)整體的發(fā)生量大于吸水量。冷源的流量增加，將會使溶液整體溫度降低，溶液的水蒸氣分壓力降低，使系統(tǒng)的吸水量大于發(fā)生量。

3.1.3 液氣比的影響

煙氣流量的增加，使得系統(tǒng)液氣比降低，系統(tǒng)整體熱交換能力增大，發(fā)生量、吸水量均會增加，但同體積溶液吸熱量增加使整體溶液溫度上升，系統(tǒng)的發(fā)生量大于吸水量。溶液流量的增加，使得系統(tǒng)液氣比增加，考慮到冷源的限制，系統(tǒng)整體熱交換能力并不會有明顯改變，同體積的溶液吸熱量減少使整體溶液溫度降低，系統(tǒng)的吸水量大于發(fā)生量。

3.1.4 溶液濃度影響

溶液濃度升高，則水蒸氣分壓力增加，更有利于發(fā)生過程，不利于吸收過程，系統(tǒng)吸水量大于發(fā)生量。煙氣溫度、煙氣流量及冷源溫度增加，會導(dǎo)致溶液溫度的上升，這將使系統(tǒng)發(fā)生水量大于吸水量；溶液濃度降低也會起到一樣的效果。冷源流量、溶液流量增加，會導(dǎo)致溶液溫度的降低，這將使系統(tǒng)吸水量大于發(fā)生水量；煙氣含水率增加也會起到一樣的效果。

3.2 系統(tǒng)調(diào)節(jié)分析

3.2.1 自我調(diào)節(jié)分析

3.2.2 主動調(diào)節(jié)分析

經(jīng)過一系列分析，影響系統(tǒng)的介質(zhì)主要是煙氣、冷源、溶液，而煙氣、冷源作為外部條件，一般不能用作調(diào)控手段，因此主動調(diào)節(jié)需要從溶液自身進(jìn)行入手。溶液自身的主要參數(shù)有溫度、流量、濃度3個，其中濃度是被動自我調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素，且由于儲液箱的存在，系統(tǒng)溶液量較大，濃度的可操作性不強，因此不宜選定濃度作為調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。溶液的溫度、流量均可以人為調(diào)節(jié)，為對比系統(tǒng)水平衡對于二者的敏感性，以上述工程系統(tǒng)參數(shù)為例，對系統(tǒng)分別進(jìn)行進(jìn)行變溫度、變流量的單一變量校核計算分析，計算結(jié)果見表2。

表2 計算分析數(shù)據(jù)表

表2中凈吸水量表示為吸收段水分吸收量與發(fā)生段發(fā)生量之差，穩(wěn)定運行時，凈吸水量為0，由于其為瞬時值，因此在系統(tǒng)參數(shù)改變時會瞬時發(fā)生變化，其變化的幅度可以反應(yīng)系統(tǒng)水平衡的敏感程度。以系統(tǒng)凈吸水量作為因變量，平均噴淋溫度與噴淋流量作為自變量，系統(tǒng)噴淋平均溫度與系統(tǒng)整體凈吸水量呈近似線性的關(guān)系，溫度每變化1℃，系統(tǒng)瞬時凈吸水量變化1.4～1.5t/h；系統(tǒng)噴淋流量與系統(tǒng)整體凈吸水量呈近似對數(shù)的關(guān)系，噴淋量在原來的基礎(chǔ)上倍增或者減半，系統(tǒng)瞬時凈吸水量變化5～7t/h。溶液變化4℃即相當(dāng)于噴淋量的倍增或者減半。

由于噴淋量的增減會影響淋液密度以及泵的運行狀態(tài)，因而噴淋量不適合大幅度改變。綜合考慮變化幅度以及操作難度，系統(tǒng)對于溶液溫度這一參數(shù)的敏感度較高，可操作性更強，系統(tǒng)的溶液溫度更適合作為主動調(diào)節(jié)的參數(shù)手段。因此，開式吸收發(fā)生一體化熱泵系統(tǒng)可以考慮新增小型溶液冷卻設(shè)備如溶液-空氣間壁式換熱器，或新增小型溶液加熱設(shè)備如溶液-煙氣間壁式換熱器，對溶液的噴淋溫度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以增強對于系統(tǒng)的整體控制能力。

4 結(jié)語

針對未進(jìn)行濕法脫硫的燃煤鍋爐煙氣，本文介紹了開式吸收發(fā)生一體化熱泵，采用開式發(fā)生設(shè)計，由高溫?zé)煔馀c溶液進(jìn)行直接接觸換熱來實現(xiàn)發(fā)生效果，系統(tǒng)具有一定自我被動調(diào)節(jié)能力。同時，分析出控制溶液溫度是開式吸收發(fā)生一體化熱泵系統(tǒng)最可行、最可靠的主動調(diào)控手段。這種方式相比于傳統(tǒng)煙氣處理的模式，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能環(huán)保協(xié)同治理，安全性更高，拓寬了開式吸收式熱泵的應(yīng)用領(lǐng)域與場景。