開放式吸收熱泵技術(shù)在煙氣處理中的應(yīng)用

李勝章，白 亮，趙懷超，陳忠梅

（1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095；2.昊姆（上海）節(jié)能科技有限公司，上海 201108）

節(jié)能減排、低碳發(fā)展是我國(guó)生態(tài)建設(shè)的重要內(nèi)容，受特定條件限制，有時(shí)人們難以將節(jié)能與減排兩方面技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。以燃煤、燃?xì)忮仩t排煙等低品位熱濕廢氣為特定對(duì)象，昊姆公司結(jié)合開放式吸收式熱泵技術(shù)、溶液除濕技術(shù)、熱質(zhì)分離技術(shù)以及濕法脫硫技術(shù)，研發(fā)出低品位熱濕廢氣節(jié)能環(huán)保一體化處理技術(shù)[1-3]。該技術(shù)可在對(duì)鍋爐煙氣、烘干排氣等低溫?zé)釢駨U氣進(jìn)行資源化利用的同時(shí)，對(duì)煙氣進(jìn)行深度凈化，為脫硫、除塵的超低排放提供保障，最大限度地為企業(yè)節(jié)約了能源、投資及運(yùn)行成本[4-5]。

1 工藝系統(tǒng)

工藝系統(tǒng)如圖1所示，其主要分煙氣流程、溶液流程、驅(qū)動(dòng)蒸汽流程、工藝水流程。

驅(qū)動(dòng)蒸汽流程：以蒸汽作為高溫能量轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)熱源，蒸汽的冷凝水作為鍋爐補(bǔ)水，該過程中產(chǎn)生的二次蒸汽加熱工藝水，冷凝水后可作為濕法脫硫補(bǔ)水。

工藝水流程：工藝水進(jìn)入低溫能量轉(zhuǎn)換器，吸熱升溫，然后被高溫能量轉(zhuǎn)換器的二次蒸汽再次加熱。

溶液循環(huán)：低溫能量轉(zhuǎn)換器的稀溶液經(jīng)過加藥、pH值調(diào)節(jié)，并脫除煙塵、脫硫產(chǎn)物后泵入高溫能量轉(zhuǎn)換器，濃縮后泵入低溫能量轉(zhuǎn)換器繼續(xù)處理煙氣。

本系統(tǒng)不僅可以降低煙氣粉塵、SO2的排放，而且可以脫除煙氣中的水蒸氣，使煙氣更加潔凈干燥，消除傳統(tǒng)濕法脫硫后煙氣低溫腐蝕的弊端。

圖1 煙氣深度凈化及余熱回收系統(tǒng)流程

2 技術(shù)原理

2.1 熱量回收原理

本系統(tǒng)采用一套開放式吸收式熱泵技術(shù)，采用無(wú)機(jī)鹽溶液，有很強(qiáng)的吸濕性，解決了傳統(tǒng)煙氣處理技術(shù)無(wú)法同時(shí)解決的“脫水”和“熱回收”問題。核心設(shè)備是低溫能量轉(zhuǎn)換器，工作原理是高濕煙氣水蒸氣分壓力遠(yuǎn)大于溶液表面水蒸氣分壓力，煙氣中水蒸氣被吸進(jìn)溶液，釋放出的汽化潛熱，一部分用于加熱煙氣，另一部分用于加熱溶液，產(chǎn)生節(jié)能效益。

2.2 除塵原理

無(wú)機(jī)鹽溶液吸收煙氣、水蒸氣時(shí)，可以有效捕捉煙氣中的霧滴，包裹在霧滴中的細(xì)小粉塵也會(huì)被捕捉去除。深度除塵效果，可以通過以下兩方面予以保證。

2.2.1 低溫能量轉(zhuǎn)換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

低溫能量轉(zhuǎn)換器中布置有專填料、煙氣均流裝置、液體分布器、噴嘴和除霧器，可加強(qiáng)氣液接觸時(shí)間與面積、提高除塵效果。

填料被無(wú)機(jī)鹽溶液充分潤(rùn)濕，以液膜展開后，比表面積增加一倍；填料空隙形成細(xì)小曲折的煙氣流通路徑，煙氣沖刷液膜時(shí)，煙氣中的粉塵被溶液吸附而達(dá)到除塵效果；液體分布器保證在最小噴淋密度下填料表面被溶液潤(rùn)濕，保證填料表面被溶液液膜所覆蓋；煙氣均流裝置上方有溶液湍流液層，煙氣從液層中穿流而過，煙氣中的粉塵被液層捕捉；噴嘴的作用是使溶液噴射出來(lái)的顆粒霧化，極大地增大了煙氣與溶液的接觸面積，達(dá)到除塵效果。

造成側(cè)滑的主要原因有:車輪制動(dòng)力不均衡，胎壓不標(biāo)準(zhǔn)，輪胎花紋較平等。路面因素也很關(guān)鍵，例如:彎道、坡道、坑洞、冰雪路面、積水路面都會(huì)對(duì)車輛的行駛狀態(tài)造成影響。

2.2.2 鹽溶液對(duì)氣溶膠的吸濕性能

脫硫后的煙氣為過飽和濕煙氣，煙氣中的水蒸氣凝結(jié)過程中，以粉塵為凝結(jié)核，形成氣溶膠，氣溶膠的液膜水蒸氣分壓力為純水飽和蒸汽壓力。吸濕溶液液膜表面水蒸氣分壓力遠(yuǎn)低于同溫度下水的飽和蒸汽壓力。氣溶膠中的水分有被吸進(jìn)溶液液膜的強(qiáng)烈趨勢(shì)。在水蒸氣分壓力的推動(dòng)下，氣溶膠團(tuán)被整體吸附進(jìn)溶液，實(shí)現(xiàn)粉塵的深度凈化。在填料增加液氣接觸面積，高傳質(zhì)推動(dòng)力的雙重作用下，本技術(shù)液氣比為傳統(tǒng)脫硫設(shè)備的1/4左右，實(shí)現(xiàn)深度除塵的節(jié)電效果。

2.3 脫硫原理

低溫能量轉(zhuǎn)換器的漿池中配置有pH值檢測(cè)裝置，運(yùn)行過程中間斷性地向漿池中加入CaO等堿性物質(zhì)，使溶液保持為堿性狀態(tài)。當(dāng)溶液吸收SO2后，與溶液中的Ca2+反應(yīng)，生產(chǎn)CaSO3而去除，漿池中配置有氧化風(fēng)機(jī)將CaSO3氧化為CaSO4，然后通過凈化處理裝置去除。

3 實(shí)例分析

某熱電廠現(xiàn)有一臺(tái)35 t蒸汽鍋爐，鍋爐負(fù)荷率67%，運(yùn)行煙氣量40 000 Nm3/h，尾氣處理工藝依次為SNCR脫硝、袋式除塵、濕法脫硫，排煙干球和露點(diǎn)為50℃、49℃。企業(yè)為達(dá)到國(guó)家超低排放標(biāo)準(zhǔn)：煙塵10 mg/Nm3、二氧化硫50 mg/Nm3，引進(jìn)一套煙氣深度凈化及余熱回收一體化裝置。

改造思路：脫硫塔出口煙氣進(jìn)入深度凈化及余熱回收系統(tǒng)，高濕煙氣潛熱被回收用于加熱約90 m3/h的廠區(qū)工藝水，進(jìn)口溫度40℃，實(shí)現(xiàn)25℃的溫升，滿足生產(chǎn)需求。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的協(xié)同進(jìn)行。系統(tǒng)采用全自動(dòng)控制，根據(jù)溫度、液位、pH等參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行，操作方便。

3.1 節(jié)能效益

以系統(tǒng)的余熱回收量、COP、節(jié)水量等參數(shù)分別分析系統(tǒng)的節(jié)能效益，筆者對(duì)系統(tǒng)一年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖2 余熱回收量

由圖2可知，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行12個(gè)月中，受鍋爐運(yùn)行負(fù)荷、工藝水量及進(jìn)口水溫、環(huán)境溫度等參數(shù)的影響，系統(tǒng)每小時(shí)凈回收熱量為3.97～4.39 GJ，全年平均為4.34 GJ/h?；厥沼酂峒訜峁に囁疁厣?5℃，滿足工藝需求。年凈節(jié)能量總計(jì)38 060 GJ，凈節(jié)能折合1 300 t標(biāo)準(zhǔn)煤，按照熱值單價(jià)50元/GJ計(jì)算，年凈節(jié)能收益190.3萬(wàn)元。

圖3 熱力系統(tǒng)能效比（COP）

系統(tǒng)COP=工藝水吸熱量/驅(qū)動(dòng)蒸汽輸入熱量[6]，能夠直接反映出熱力系統(tǒng)的工作效率。由圖3可知，運(yùn)行期間，熱力系統(tǒng)能效比穩(wěn)定在1.7～1.8，一直保持較高的熱量輸出效率。

圖4 節(jié)水量

溶液吸收煙氣中30%～45%的水蒸氣，釋放出的汽化潛熱一部分加熱工藝水，一部分加熱煙氣，提高排煙溫度15℃，提高煙氣抬升力10%，增大煙氣擴(kuò)散半徑5%?；厥諢煔庵械乃钟糜诿摿蜓a(bǔ)水，由圖4推算可知，年回收水量約0.851萬(wàn)t。按照工業(yè)用水5元/t，企業(yè)每年可節(jié)省水費(fèi)4.25萬(wàn)元。

3.2 環(huán)保效益

傳統(tǒng)的脫硫、除塵方法，往往只投入不產(chǎn)出[7-8]。本技術(shù)在節(jié)能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)煙氣的深度凈化，達(dá)到環(huán)保目的，煙氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 環(huán)保效益

實(shí)測(cè)出口煙氣含塵5 mg/Nm3，優(yōu)于最新超凈排放要求。以鍋爐實(shí)際負(fù)荷測(cè)算，年減少煙塵排放25.23 t，減少SO2排放量27.68 t。

綜上所述，系統(tǒng)的節(jié)能效益為190.3萬(wàn)元/a，系統(tǒng)總投資450萬(wàn)元，3年內(nèi)即收回投資。且實(shí)現(xiàn)煙塵、SO2的超低排放，實(shí)現(xiàn)了以節(jié)能來(lái)助推企業(yè)環(huán)保。

4 技術(shù)應(yīng)用

4.1 技術(shù)特點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)

突破常規(guī)換熱傳熱溫差的限制，在不降低熱源溫度的前提下，高效回收余熱；以直接接觸的熱質(zhì)交換方式替代常規(guī)的換熱形式，加快傳熱傳質(zhì)速率，提高余熱的回收效率；深度凈化煙氣，降低粉塵、SO2等多種污染物排放。節(jié)能環(huán)保協(xié)同進(jìn)行，以節(jié)能收益支付環(huán)保投入，使傳統(tǒng)“環(huán)保設(shè)備”具有經(jīng)濟(jì)收益，提高企業(yè)環(huán)保積極性。

技術(shù)指標(biāo)：配合企業(yè)原除塵脫硫設(shè)備，煙塵≤5 mg/Nm3，SO2≤10 mg/Nm3；吸收濕煙氣40%～70%的水分用于脫硫補(bǔ)水；回收煙氣40%潛熱；系統(tǒng)能效比可達(dá)1.6～1.8；排煙溫度比傳統(tǒng)濕法脫硫后干球溫度高15℃，提高煙氣抬升力10%，增大煙氣擴(kuò)散半徑5%。

4.2 技術(shù)適用領(lǐng)域

煙氣深度凈化及余熱回收技術(shù)適用于燃煤鍋爐、燃?xì)猓ㄓ停╁仩t、工業(yè)窯爐、石油化工、煤化工、化肥、冶金、有色金屬加工、食品與糧食深加工、醫(yī)藥、農(nóng)藥、飼料、木材烘干、工業(yè)助劑干燥等有熱濕廢氣排放的行業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

本技術(shù)創(chuàng)造性地將開放式熱泵技術(shù)與環(huán)保相結(jié)合，利用吸濕溶液的強(qiáng)吸濕性，使其在吸收熱濕廢氣中水蒸氣的同時(shí)，吸收廢氣中“氣溶膠”，實(shí)現(xiàn)廢氣深度凈化的目的。本技術(shù)打破了現(xiàn)有節(jié)能環(huán)保壁壘，將節(jié)能與環(huán)保有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)兩者的系統(tǒng)進(jìn)行。以節(jié)能收益支付環(huán)保初投資和運(yùn)行費(fèi)用，提高企業(yè)從事節(jié)能環(huán)保改造的內(nèi)在動(dòng)力。從試運(yùn)行項(xiàng)目來(lái)看，節(jié)能及環(huán)保效益良好，適用領(lǐng)域廣泛，可推廣性強(qiáng)。

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