噴淋換熱在低溫余熱回收中的應(yīng)用

劉 晨

[斯普瑞噴霧系統(tǒng)(上海)有限公司，上海 201611]

節(jié)能與余熱回收

噴淋換熱在低溫余熱回收中的應(yīng)用

劉 晨

[斯普瑞噴霧系統(tǒng)(上海)有限公司，上海 201611]

介紹了一種噴淋換熱器的原理及功能，其主要優(yōu)勢是投資省，能去除飽和水蒸氣節(jié)水和回收低溫余熱。詳述了該噴淋換熱器的應(yīng)用案例，如用于熱電廠130，220 t鍋爐濕法脫硫后煙氣全熱回收、210 m2燒結(jié)機(jī)尾煙氣除塵、燒結(jié)原料除塵、92 m2燒結(jié)機(jī)頭煙氣除塵及10 m2豎爐脫硫煙氣除塵。其他主要潛在應(yīng)用還包括只要在大氣平均溫度以上的各種煙氣，特別是飽和濕煙氣、含易黏結(jié)成分的煙氣，都可以選擇直接噴淋換熱技術(shù)回收余熱。

噴淋換熱 煙氣 除塵 低溫 余熱回收

低溫?zé)煔馔ǔＪ侵?00 ℃以下的煙氣，由于煙氣量大、含一定量的水分和潛熱，回收低溫?zé)煔庥酂岢蔀楫?dāng)前節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域?，F(xiàn)有多種回收低溫余熱的技術(shù)，比如低溫省煤器、氟塑料換熱器、高效換熱器等, 但通常都只能回收到80 ℃，若深度回收到30 ℃，技術(shù)上可行但較難兼顧經(jīng)濟(jì)性。

筆者介紹一種噴淋換熱器原理，分享其在熱電鍋爐煙氣余熱深度回收和凈化系統(tǒng)的應(yīng)用案例，探討在鋼鐵和煤焦化等一些領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

1 原理及功能

直接噴換熱器如圖1所示，包括煙氣進(jìn)口管、沖擊洗滌蓄水池或水箱、循環(huán)水泵及過濾器、除濕脫白、放散煙囪等部分組成，煙氣進(jìn)口管內(nèi)安裝細(xì)霧噴淋和水噴淋2級(jí)直接噴淋換熱系統(tǒng)，主要功能除了直接全熱換熱外，還有精除塵、脫硫脫酸、除二口惡英、除重金屬、除濕脫白等，屬于一種投資省、成本低的低溫全熱回收、除塵和多污染物協(xié)同凈化設(shè)備，與濕式電除塵器等精除塵設(shè)備相比，最主要的優(yōu)勢是投資省，能去除飽和水蒸氣節(jié)水和回收低溫余熱。

直接噴淋換熱器的換熱原理是進(jìn)口含塵、飽和溫度以上的煙氣首先通過細(xì)霧洗滌，氣體霧化噴嘴或高壓細(xì)霧噴嘴產(chǎn)生的平均顆粒度在80～100 μm的細(xì)水霧與煙氣接觸后，瞬間蒸發(fā)為水蒸氣，使煙氣達(dá)到飽和。每噸水變成水蒸氣時(shí)，其體積膨脹超過1 200倍，對煙氣中的細(xì)顆粒粉塵產(chǎn)生擠壓、碰撞、凝聚長大作用，便于分離，可以實(shí)現(xiàn)10 mg/m3以下的除塵水平。煙氣飽和后，所含的二氧化硫等酸性成分會(huì)被液化和高溫氧化，有利于深度脫硫除酸。

圖1 直接噴淋換熱器原理示意

緊接著通過大水量噴淋洗滌使煙氣過飽和，噴水量是煙氣中飽和水量的5～8倍，煙氣中的水蒸氣冷凝收縮、粉塵顆粒進(jìn)一步潤濕，同時(shí)引射煙氣，干煙氣、水蒸氣、粉塵顆粒、其他污染物與噴水的混合物一起，以煙道出口速度下的混合動(dòng)能，沖擊進(jìn)入下面的蓄水池或水箱，煙氣的溫度被冷卻到與水溫接近的溫度，從而使煙氣中的大部分水蒸氣冷凝，連同煙氣中的細(xì)顆粒粉塵被蓄水吸收，理論上只有不溶于水的干煙氣能離開蓄水池。

與高效動(dòng)力波洗滌器不同，增加細(xì)霧蒸發(fā)洗滌、噴淋洗滌噴嘴采用順噴，因此氣液比很低，只有動(dòng)力波洗滌器的1/5，阻損約200 Pa，也只有動(dòng)力波洗滌器的1/10，在達(dá)到相同、甚至更高效的換熱、除塵、凈化效率下，具有顯著的節(jié)能效果。與煙氣出口直接插入液面下的沖擊式洗滌器比較，在效率相同、甚至更高的情況下，阻損小得多。洗滌水采用現(xiàn)場自循環(huán)方式，循環(huán)洗滌到水中的粉塵和其他污染物定期排除。

實(shí)踐證明：這種高效噴淋換熱洗滌器可以在約200 Pa的阻損、氣液比為2 L/m3的操作條件下確保出口煙氣粉塵質(zhì)量濃度降低到10 mg/m3以下。

2 案例

2.1 應(yīng)用案例之一：熱電廠130，220 t鍋爐濕法脫硫后煙氣全熱回收

作為直接噴淋直接換熱的成功示范案例，在熱力蒸汽鍋爐上進(jìn)行了濕法脫硫后濕煙氣直接噴淋余熱回收、深度凈化示范項(xiàng)目的建設(shè)，項(xiàng)目在2臺(tái)130 t和1臺(tái)220 t鍋爐的濕法脫硫系統(tǒng)進(jìn)行。在2臺(tái)130 t鍋爐共用的濕法脫硫塔后、煙囪之間增加1套立式直接噴淋換熱深度洗滌系統(tǒng)；在1臺(tái)220 t鍋爐脫硫塔后、煙囪之間增加1臺(tái)臥式直接噴淋換熱深度洗滌系統(tǒng)，深度凈化后的煙氣通過共用的煙囪排放。示范項(xiàng)目的主要數(shù)據(jù)和結(jié)果如下：處理煙氣量達(dá)1.2×106m3/h；入口煙氣溫度約50 ℃；出口煙氣溫度約40 ℃；入口煙氣濕度為114 g/m3；出口煙氣濕度為63 g/m3；除濕量和冷凝水回收量達(dá)45%；循環(huán)水溫方面：供水水溫小于或等于30 ℃、排水水溫約40 ℃；出口粉塵質(zhì)量濃度小于或等于10 mg/m3；出口SO2質(zhì)量濃度為17 mg/m3；出口NOx質(zhì)量濃度達(dá)55 mg/m3。

運(yùn)行結(jié)果表明：通過煙氣直接噴淋冷凝除濕低成本實(shí)現(xiàn)了煙氣的超低排放，同時(shí)通過回收煙氣全熱和冷凝水，企業(yè)增加供熱能力15%，提高鍋爐燃煤綜合效率7%，一個(gè)采暖季凈增效益760萬元，投資回收期不超過4年。企業(yè)還對循環(huán)水冷卻的余熱進(jìn)行了回收利用，均采用特殊設(shè)計(jì)的高溫?zé)岜没厥昭h(huán)水的余熱，外供80～130 ℃熱水直接用于供熱，煙氣的低溫余熱則通過直接噴淋換熱轉(zhuǎn)移到循環(huán)水中。這是中國節(jié)能協(xié)會(huì)在大力推廣的技術(shù)。

2.2 應(yīng)用案例之二：210 m2燒結(jié)機(jī)尾煙氣除塵

詩與遠(yuǎn)方的美好，不僅取決于個(gè)人修養(yǎng)，還是集文明之力使然，有效的文化營銷，終將成為城市建設(shè)發(fā)展的有效助力。

燒結(jié)機(jī)尾煙氣除塵多采用干式靜電除塵，由于原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，要達(dá)到新的20 mg/m3以下排放標(biāo)準(zhǔn)必須進(jìn)行改造，通常選擇電改袋、或增加電場改造，投資多、改造施工時(shí)間長。山東某燒結(jié)用戶共有2臺(tái)210 m2燒結(jié)機(jī)，決定其中的2臺(tái)采用直接噴淋換熱洗滌器改造，改造方案是在原電除塵器后引風(fēng)機(jī)與煙囪之間，拆除消音器，新安裝高效直接噴淋換熱洗滌器，包括進(jìn)風(fēng)管、彎管、細(xì)霧噴霧、噴射管、洗滌池、過濾器、洗滌噴霧、出口管道等部分組成。入口煙氣粉塵質(zhì)量濃度為80～150 mg/m3時(shí)，系統(tǒng)在線煙氣檢測儀顯示和取樣檢測粉塵質(zhì)量濃度平均值分別為5.1 mg/m3和9.1 mg/m3。

該方案與傳統(tǒng)的布袋除塵器或電袋復(fù)合除塵器比較的優(yōu)點(diǎn)主要有：①電除塵器、風(fēng)機(jī)、煙囪等設(shè)備可保留利用，因而投資少，只有其他方案的50%；②運(yùn)行成本低，高效噴淋洗滌器系統(tǒng)阻損不超過1 kPa，比原消音器阻損還低，系統(tǒng)總阻損不僅沒有增加，還有所降低，風(fēng)機(jī)運(yùn)行電費(fèi)少；③改造時(shí)間短，新設(shè)備可以在燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)期間施工安裝，只有前后管道對接需要停產(chǎn)，僅需2 d；④崗位衛(wèi)生狀況好，由于系統(tǒng)阻損有所降低，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，車間內(nèi)吸風(fēng)口的負(fù)壓增大；⑤泥漿可回收利用，由于已經(jīng)通過電除塵器凈化，煙氣中的粉塵量極少，每天只需輸出少量沉淀過濾產(chǎn)生的泥漿回原料，不需要循環(huán)水處理，沒有二次污染。該系統(tǒng)處理煙氣量達(dá)5.0×105m3/h(工況)；入口煙氣粉塵質(zhì)量濃度為100～150 mg/m3；出口煙氣粉塵質(zhì)量濃度小于或等于20 mg/m3；系統(tǒng)阻損為0.8 kPa；外排泥漿為10 t/d，送原料系統(tǒng)利用。

2.3 應(yīng)用案例之三：燒結(jié)原料除塵

唐山某燒結(jié)用戶燒結(jié)礦返礦上料系統(tǒng)，原設(shè)計(jì)在50 m高的廠房頂采用布袋除塵器除塵，運(yùn)行一定時(shí)間后布袋黏灰堵塞，沒有除塵作用，又沒有及時(shí)更換，導(dǎo)致作業(yè)現(xiàn)場粉塵污染嚴(yán)重，有時(shí)還會(huì)冒出廠房，導(dǎo)致產(chǎn)生環(huán)保問題。為此在布袋除塵器進(jìn)口煙道處，通過旁通方式， 將含塵煙氣引到接近地面， 通過高效噴淋洗滌器，同時(shí)增加濕式除塵風(fēng)機(jī)提高動(dòng)力，并進(jìn)一步精除塵，經(jīng)洗滌除塵后的煙氣含塵量可低于5 mg/m3。設(shè)備的相關(guān)參數(shù)為：①風(fēng)量為2.1×104m3/h；②配套風(fēng)機(jī)功率達(dá)30 kW，循環(huán)泵功率為7.5 kW，兩者之和只有布袋風(fēng)機(jī)功率的50%；③循環(huán)水供水量為20～30 m3/h，實(shí)際耗量最大值達(dá)0.2 m3/h；④除塵系統(tǒng)入口煙塵質(zhì)量濃度為21 g/m3，環(huán)保檢測出口煙塵質(zhì)量濃度低于5 mg/m3；⑤設(shè)備占地2 m×4 m×5 m。高效噴洗滌器用于原料除塵見圖2。

圖2 高效噴洗滌器用于原料除塵

2.4 應(yīng)用案例之四：92 m2燒結(jié)機(jī)頭煙氣除塵

唐山燒結(jié)用戶92 m2燒結(jié)機(jī)機(jī)頭濕法脫硫煙氣粉塵濃度需要達(dá)到低于20 mg/m3的地方標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)綜合比較濕電、管束式除塵后，確定采用在脫硫塔出口增加高效噴淋洗滌器。脫硫塔進(jìn)口段增加細(xì)霧噴淋洗滌，煙氣經(jīng)蒸發(fā)洗滌使未飽和煙氣飽和，煙氣降溫，相變凝聚使細(xì)顆粒粉塵長大，進(jìn)入脫硫塔脫硫、除塵、除酸、收集重金屬，捕集微細(xì)粉塵，煙氣初步冷凝降溫。脫硫后煙氣進(jìn)入高效噴淋洗滌器，經(jīng)過深度洗滌后捕集吸收水蒸氣，通過噴霧、降溫、除塵、除酸、除重金屬、除霧后，煙氣慢速通過除霧器、煙囪直接排放，從而解決“拖尾”現(xiàn)象，使煙氣排放達(dá)標(biāo)。增加噴淋洗滌前后主要參數(shù)為：風(fēng)機(jī)風(fēng)量為4.8×105m3/h；脫硫塔入口煙氣含塵質(zhì)量濃度小于或等于20 mg/m3；脫硫后煙氣溫度約60 ℃；脫硫后煙氣濕度為198 g/m3；高效噴淋洗滌器出口煙氣溫度約40 ℃；高效噴淋洗滌器出口煙氣濕度為63 g/m3；新煙囪出口煙氣含塵質(zhì)量濃度小于或等于20 mg/m3；設(shè)備阻力小于或等于150 Pa。

唐山燒結(jié)用戶10 m2豎爐濕法脫硫后煙氣粉塵質(zhì)量濃度要求達(dá)到20 mg/m3，經(jīng)過綜合比較濕式電除塵器、管束式除塵器后，確定采用在脫硫塔出口增加高效噴淋洗滌器。增加噴淋洗滌前后主要參數(shù)為：風(fēng)機(jī)風(fēng)量為2.5×105m3/h；脫硫塔入口煙氣含塵質(zhì)量濃度小于或等于120 mg/m3；脫硫后煙氣溫度約58 ℃；脫硫后煙氣濕度為198 g/m3；高效噴淋洗滌器出口煙氣溫度約40 ℃；高效噴淋洗滌器出口煙氣濕度為63 g/m3；新煙囪出口煙氣含塵質(zhì)量濃度小于或等于20 mg/m3；設(shè)備阻力小于或等于150 Pa。

3 其他主要潛在應(yīng)用

事實(shí)上，只要在大氣平均溫度以上的各種煙氣，特別是飽和濕煙氣、含易黏結(jié)成分的煙氣，都可以選擇直接噴淋換熱技術(shù)回收余熱。鋼鐵行業(yè)的主要潛在應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：①高爐水沖渣尾氣；②燒結(jié)球團(tuán)濕法脫硫系統(tǒng)出口煙氣；③轉(zhuǎn)爐濕法除塵煙氣；④連鑄二冷蒸汽；⑤濕熄焦蒸汽；⑥循環(huán)水冷卻塔排汽；⑦冷軋酸再生排放煙氣等，這些濕煙氣排放的水分平均達(dá)1.5 t/t。

4 問題與升級(jí)提高

直接噴淋換熱洗滌器的精除塵脫硫、脫硝、二口惡英、氟化物、重金屬等其他污染成分的協(xié)同凈化和節(jié)水、回收低溫余熱功能已經(jīng)得到初步驗(yàn)證，還有些問題和升級(jí)提高內(nèi)容分別探討如下：

1)煙氣冷卻和余熱回收方式。目前80 ℃以上采用間接換熱是經(jīng)濟(jì)的，80 ℃到水飽和溫度約50 ℃、甚至低到35 ℃，采用間接+直接混合換熱方式更經(jīng)濟(jì)，以減少制冷系統(tǒng)能耗。35 ℃以下通常只能采用直接噴淋換熱。即煙氣低溫余熱回收的極限溫度是大氣溫度，但如何更經(jīng)濟(jì)回收有待確定。

2)循環(huán)水凈化。市場上雖然有各種污水源熱泵和換熱設(shè)備，但可以說循環(huán)水還是充分進(jìn)行凈化后再直接噴淋循環(huán)更經(jīng)濟(jì)。循環(huán)水凈化首先是去懸浮物，采用低壓超濾膜可以一起凈化到澄清的水平，最好在考慮經(jīng)濟(jì)可行除鹽系統(tǒng)將循環(huán)水中的溶解鹽去除，并進(jìn)行提處，對系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性有利。

3)余熱的用途。低溫余熱的熱量巨大，在采暖季回升余熱產(chǎn)生熱水供居民采暖的余熱暖民工程非常有意義。在非采暖季，應(yīng)以工藝本身需要為主，比如焦?fàn)t預(yù)熱焦煤、燒結(jié)預(yù)熱燒結(jié)礦等，余熱的回收利用路徑短效率高，最后才考慮低溫余熱制冷供空調(diào)和工藝使用，余熱發(fā)電也是一個(gè)選項(xiàng)，盡管發(fā)電效率不高，但比放散好。

4)節(jié)電。直接噴淋換熱洗滌器的進(jìn)口煙氣目前是接自除塵風(fēng)機(jī)后、脫硫塔后，下一步計(jì)劃接自風(fēng)機(jī)前、甚至布袋除塵器前，后面增加濕式風(fēng)機(jī)，由于煙氣溫度、濕度降低，工況煙氣量減少，系統(tǒng)阻損降低，還有脫硫要求的氣液比降低，整個(gè)煙氣除塵凈化系統(tǒng)總電耗預(yù)計(jì)可以減少50%，具有顯著的節(jié)能減碳經(jīng)濟(jì)效益。

5)除濕脫白與余熱回收：燒結(jié)機(jī)頭、球團(tuán)等煙氣量大，并含水蒸氣，所含的低溫余熱量也大。在大煙道內(nèi)采用熱管余熱鍋爐回收蒸汽發(fā)電是一個(gè)選項(xiàng)，問題是會(huì)出現(xiàn)低溫結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)，通過采用高效噴淋換熱洗滌，采用混合式或直接噴淋冷凝降低排放煙氣的水分，再進(jìn)行適當(dāng)過熱，可以適當(dāng)節(jié)能性除濕脫白，也有條件從循環(huán)水系統(tǒng)回收余熱。

Application of spray heat exchange in low-temperatureexhaust heat recovery

LIUChen

(Spraying Systems Shanghai Co.，Ltd.，Shanghai，201611，China)

A spray heat exchanger’s principle and function are introduced, whose main advantage is low invest and ability of removing water-saving in vapour and recovering low temperature exhaust heat. Application cases of the spray heat exchanger are described, such as exhaust heat recovery of flue gas by wet desulphurization in 130 t and 220 t boilers of thermal power station, flue gas dust removal in 210 m2sintering machine, sintered material dust removal, flue gas removal in 92 m2sintering machine and desulphurized flue gas dust removal in 10 m2shaft furnace. Other application included all kinds of flue gas whose temperature were over atmosphere’s average temperature, especial saturated wet flue gas and flue gas with adhesive components, and the direct spray heat exchanging technology was used to recover exhaust heat.

spray heat exchange；flue gas；dust removal；low temperature；exhaust heat recovery

2017-03-02。

劉晨，男，斯普瑞噴霧系統(tǒng)(上海)有限公司總工藝師，主要從事環(huán)保、節(jié)能和二次資源回收利用技術(shù)研發(fā)工作。電話：13901743543；E-mail：Morris@spray.com.cn。

TQ111.16;X706

B

1002-1507(2017)07-0020-04