氧化鋁焙燒爐煙氣節(jié)能環(huán)保協(xié)同治理的工程實(shí)踐

摘要：開(kāi)式吸收熱泵比閉式吸收熱泵省去了蒸發(fā)器，應(yīng)用于煙氣余熱回收領(lǐng)域，減少了熱量傳遞環(huán)節(jié)，提高了余熱回收效率?；陂_(kāi)式吸收熱泵技術(shù)研發(fā)的一體化技術(shù)，回收余熱的同時(shí)，兼顧水平衡和煙氣排放，是避免二次污染的煙氣節(jié)能環(huán)保協(xié)同治理技術(shù)。采用一體化技術(shù)對(duì)氧化鋁焙燒爐煙氣進(jìn)行節(jié)能環(huán)保綜合治理既符合國(guó)家余熱供暖的要求，也是實(shí)現(xiàn)氧化鋁行業(yè)碳減排的最經(jīng)濟(jì)技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：開(kāi)式吸收熱泵;余熱回收;焙燒爐煙氣;碳減排

1.引言

氫氧化鋁焙燒是氧化鋁生產(chǎn)中的最后一道工序，氫氧化鋁在氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐中脫除附著水、結(jié)晶水，晶型轉(zhuǎn)變生成氧化鋁產(chǎn)品。焙燒過(guò)程產(chǎn)生的煙氣余熱包括顯熱和潛熱兩部分，其中水蒸氣體積比約為37%，汽化潛熱占比高達(dá)90%，直接排放，浪費(fèi)大量煙氣余熱，煙氣中的水分和氧化鋁粉末更加劇了有色煙羽的視覺(jué)污染。

傳統(tǒng)余熱回收技術(shù)在煙氣余熱回收領(lǐng)域存在多種弊端，如直接冷凝法受限于煙氣露點(diǎn)，無(wú)法同時(shí)兼顧余熱品質(zhì)和余熱回收量，煙氣余熱回收率低。熱泵工藝中，因煙氣含有粉塵、SO2等物質(zhì)，腐蝕性較強(qiáng)，熱泵不能與煙氣直接接觸，需通過(guò)中介水或間壁式換熱器間接將煙氣降溫冷凝，但降溫后排煙溫度降低，并凝結(jié)出酸性廢水產(chǎn)生二次污染。

針對(duì)傳統(tǒng)煙氣余熱回收技術(shù)的弊端，涌現(xiàn)了基于開(kāi)式吸收熱泵技術(shù)的煙氣深度凈化及余熱回收一體化工藝（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“一體化工藝”）。與傳統(tǒng)冷凝法和“閉式吸收熱泵+中介水”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“閉泵工藝”）余熱回收相比，一體化工藝?yán)脧?qiáng)吸濕性溶液直接噴淋煙氣，吸收煙氣水分及氣溶膠，回收煙氣汽化潛熱，吸收后的煙氣為非飽和狀態(tài)，無(wú)過(guò)飽和凝水、掛冰等次生災(zāi)害，回收的水分為二次蒸汽蒸餾水，無(wú)廢水產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)煙氣節(jié)能環(huán)保的協(xié)同治理。

2.開(kāi)式吸收熱泵研究進(jìn)展

公開(kāi)發(fā)表的，較早研究開(kāi)式吸收熱泵的文獻(xiàn)是，1992年R.M.Lazzarin等人[1]利用天然氣為驅(qū)動(dòng)熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，吸收房間熱濕排風(fēng)的潛熱和顯熱加熱新風(fēng)，用于房間供暖。2012年瑞典學(xué)者L.Westerlund等人[2]發(fā)表了基于開(kāi)式吸收式熱泵循環(huán)，利用溶液直接噴淋生物質(zhì)鍋爐煙氣的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溶液直接吸收煙氣后粉塵降低33%～44%，并提高濕燃料40%的產(chǎn)熱量。大連理工章秋平 [3]，中科院大學(xué)路源等人[4，5]，研究發(fā)現(xiàn)，提高溶液濃度、降低溶液溫度、提高液氣比可提高開(kāi)式吸收器傳熱傳質(zhì)性能。魏璠等人[6]對(duì)第二類(lèi)開(kāi)式吸收熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和性能分析，研究表明，典型工況下系統(tǒng)COP為0.64。浙江大學(xué)葉碧翠等人[7]，設(shè)計(jì)了兩級(jí)開(kāi)式吸收熱泵并建立熱力學(xué)模型以分析其性能，COP根據(jù)發(fā)生溫度的變化可達(dá)1.204～1.995，同條件下，閉式吸收熱泵COP最高僅為1.409。2014年昊姆節(jié)能徐敬玉等人[8]提出了基于開(kāi)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(guò)溶液對(duì)煙氣的直接噴淋，吸收煙氣中的水分、粉塵及SO2等氣溶膠，減輕有色煙羽視覺(jué)污染，降低煙氣污染物排放，改善了排煙效果，同時(shí)回收煙氣余熱。

3.開(kāi)式吸收熱泵循環(huán)及一體化工藝

3.1開(kāi)式吸收熱泵循環(huán)特點(diǎn)

根據(jù)吸收過(guò)程的熱力學(xué)特征不同，開(kāi)式吸收熱泵分為絕熱吸收型和等溫（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(kāi)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(kāi)式吸收熱泵循環(huán)[10]。

開(kāi)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(duì)的開(kāi)式吸收循環(huán)。濃溶液在開(kāi)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(dòng)蒸汽加熱濃縮為濃溶液，濃溶液繼續(xù)進(jìn)入開(kāi)式吸收器進(jìn)行下一個(gè)吸收循環(huán)，發(fā)生器中濃縮產(chǎn)生的二次蒸汽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(kāi)式吸收熱泵省去了蒸發(fā)器（如圖1），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[11]。

3.2一體化工藝流程及優(yōu)勢(shì)

煙氣、烘干排氣等工業(yè)熱濕廢氣除大體量，能量密度低以外，還具有含酸、含粉塵等特點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)開(kāi)式吸收熱泵的規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用，必須要充分考慮設(shè)備的防腐、耐磨等特性，同時(shí)要兼顧節(jié)能環(huán)保的協(xié)同治理。

基于開(kāi)式吸收熱泵技術(shù)開(kāi)發(fā)的一體化技術(shù)及成套設(shè)備，主要由吸收器、發(fā)生機(jī)組、換熱機(jī)組和沉淀處理機(jī)組四大件組成。工藝流程分為煙氣、驅(qū)動(dòng)蒸汽、工藝水、溶液四個(gè)主要流程，如圖2：

1）煙氣流程，煙氣、烘干排氣等工業(yè)熱濕廢氣進(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(shí)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(dòng)蒸汽流程，引低壓（>0.1MPa）蒸汽作為驅(qū)動(dòng)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)生二次蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽放熱后凝結(jié)回到廠內(nèi)除鹽水系統(tǒng)。

3）工藝水（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)組的二次蒸汽兩級(jí)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(jí)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)進(jìn)行濃縮，濃縮產(chǎn)生的濃溶液重新進(jìn)入吸收塔進(jìn)行下一個(gè)溶液循環(huán)。

開(kāi)式吸收熱泵和閉式吸收熱泵都有應(yīng)用于煙氣余熱回收的應(yīng)用，與一體化技術(shù)工藝路線不同，閉式吸收熱泵不與煙氣直接接觸，通過(guò)低溫中介水噴淋煙氣，使煙氣冷凝放熱將熱量傳遞給中介水，中介水?dāng)y帶熱量泵入閉式吸收熱泵蒸發(fā)器，從而實(shí)現(xiàn)煙氣的余熱提取。對(duì)于煙氣而言，閉泵工藝本質(zhì)上還是利用了溫差作為傳熱傳質(zhì)的推動(dòng)力，沒(méi)有充分利用溶液和煙氣水蒸氣分壓力差的推動(dòng)力。在余熱源（煙氣）和冷源（供暖水）之間增加了額外的換熱環(huán)節(jié)，降低了余熱回收效率。

為更全面的評(píng)價(jià)工藝的可行性，除余熱回收效率之外，需綜合評(píng)估不同工藝的關(guān)聯(lián)影響，如節(jié)能過(guò)程對(duì)水平衡以及對(duì)煙氣排放的影響。

水平衡方面，回收煙氣余熱必定產(chǎn)生一定量的水，閉泵工藝通過(guò)冷凝的方式，回收煙氣酸性水，需加堿處理后排放，否則打破廠內(nèi)水平衡。一體化技術(shù)通過(guò)溶液濃縮的方式，以蒸餾水的形式回收煙氣水分，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。

煙氣排放方面，閉泵工藝?yán)鋮s后的煙氣為過(guò)飽和濕煙氣，煙氣溫度低，抬升力小，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）;煙氣中有大量生長(zhǎng)中的微小霧滴，從除霧器中逃逸，加劇有色煙羽及煙囪掛冰的風(fēng)險(xiǎn)。一體化技術(shù)吸收后的煙氣為非飽和干煙氣，煙氣干球溫度比露點(diǎn)溫度高10～20℃，產(chǎn)生了煙氣再熱效果，提高煙氣抬升力及擴(kuò)散能力，減輕有色煙羽現(xiàn)象，杜絕煙囪掛冰的風(fēng)險(xiǎn)。

兩種工藝路線回收余熱量相近，但閉泵工藝屬于單一節(jié)能技術(shù)，一體化技術(shù)節(jié)能的同時(shí)，兼顧水平衡和煙氣排放，屬于節(jié)能環(huán)保協(xié)同治理技術(shù)。一體化技術(shù)更適用于避免二次污染的煙氣余熱回收?qǐng)鼍啊?/p>

4.項(xiàng)目案例介紹

4.1項(xiàng)目基本情況

山西某鋁業(yè)公司氧化鋁生產(chǎn)線配置有6×1350t/d氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐，正常運(yùn)行至少5臺(tái)，煙氣參數(shù)見(jiàn)表1。自備電廠配置8×220t/h循環(huán)流化床燃煤鍋爐，6臺(tái)運(yùn)行，2臺(tái)備用，配備1×3.6MW、1×6MW高背壓發(fā)電機(jī)組（排氣5.8MPa）、4×25MW低背壓發(fā)電機(jī)組（排氣0.8MPa），2×25MW抽凝機(jī)組共8臺(tái)汽機(jī)。擬利用低背壓蒸汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，回收焙燒爐煙氣余熱，給市區(qū)供暖，替代燃煤供熱鍋爐，該地區(qū)供暖期150天。

4.2項(xiàng)目配置及運(yùn)行情況

采用一體化工藝對(duì)氧化鋁焙燒爐煙氣進(jìn)行節(jié)能環(huán)保協(xié)同治理，針對(duì)6臺(tái)焙燒爐，新建2套一體化技術(shù)成套設(shè)備，3爐1塔，其中焙燒爐煙氣余熱資源2用1備，以保證供暖余熱安全，設(shè)計(jì)輸出熱功率167.2MW，其中凈煙氣余熱79.2MW，驅(qū)動(dòng)蒸汽88MW，驅(qū)動(dòng)蒸汽從自備電廠A列外低壓蒸汽母管接出，蒸汽參數(shù)為0.7MPa、170℃。同時(shí)新建1座熱網(wǎng)首站，設(shè)計(jì)熱網(wǎng)循環(huán)水量3600m3/h，回水50℃，供水90℃，配置2×26MW熱網(wǎng)加熱器，作為備用，保證供暖安全。一體化項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

吸收塔采用碳鋼襯玻璃鱗片防腐，煙塔合一，設(shè)置導(dǎo)流葉片，填料層，噴淋層以及除霧器。低溫溶液管道（<80℃）采用碳鋼襯膠，高溫管道（80～140℃）采用碳鋼襯氟。發(fā)生機(jī)組為6×21t/h蒸發(fā)量的鈦合金發(fā)生分離器。沉淀處理機(jī)組采用兩級(jí)旋流搭配壓濾機(jī)，有效分離溶液中氫氧化鋁粉末。

本項(xiàng)目作為供暖基礎(chǔ)熱負(fù)荷，實(shí)施后年實(shí)際供暖166萬(wàn)GJ，其中焙燒爐煙氣余熱79.8萬(wàn)GJ，自備電廠驅(qū)動(dòng)蒸汽86.2萬(wàn)GJ，見(jiàn)表3。按照供暖熱價(jià) 35元/GJ計(jì)算，凈節(jié)能收益約為2793萬(wàn)元。

通過(guò)回收煙氣余熱替代燃煤供暖鍋爐，供暖季平均COP1.93，年回收煙氣余熱79.8萬(wàn)GJ，折合2.73萬(wàn)噸標(biāo)煤，碳減排7.14萬(wàn)噸，供暖季回收煙氣中氫氧化鋁粉末100噸，回收水分30萬(wàn)噸，有效減輕有色煙羽視覺(jué)污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。一體化技術(shù)在煙氣節(jié)能環(huán)保協(xié)同治理的應(yīng)用，已通過(guò)生態(tài)環(huán)境部科技發(fā)展中心 “煙氣深度脫白及節(jié)能環(huán)境保護(hù)技術(shù)”評(píng)估。

一體化技術(shù)開(kāi)創(chuàng)性的利用一套設(shè)備解決節(jié)能和環(huán)保兩大問(wèn)題?！肮δ芏弦弧?，既將煙氣低品位熱能進(jìn)行回收，加熱供暖水，降低企業(yè)一次能源消耗，增加企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，又能回收煙氣粉塵，水分，改善煙氣排放效果，不產(chǎn)生二次污染。一體化技術(shù)的成功應(yīng)用，開(kāi)創(chuàng)了可行的產(chǎn)生凈收益的濕煙氣有色煙羽治理新路線，改變了傳統(tǒng)有色煙羽治理能耗高，收益低的現(xiàn)狀，使北方的有色煙羽治理具備了經(jīng)濟(jì)可行性。

5.結(jié)論

煙氣余熱回收領(lǐng)域，開(kāi)式吸收熱泵比閉式吸收熱泵節(jié)省了一個(gè)熱量傳遞環(huán)節(jié)，提高了余熱回收效率，供暖季平均COP可達(dá)1.9以上。

基于開(kāi)式吸收熱泵技術(shù)的一體化技術(shù)，回收余熱的同時(shí)，兼顧水平衡和煙氣排放，是避免二次污染的煙氣節(jié)能環(huán)保協(xié)同治理技術(shù)。

采用一體化技術(shù)對(duì)氧化鋁焙燒爐煙氣進(jìn)行節(jié)能環(huán)保協(xié)同治理，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，既符合國(guó)家余熱供暖的要求，也是實(shí)現(xiàn)氧化鋁行業(yè)碳減排的最經(jīng)濟(jì)技術(shù)路線。

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作者簡(jiǎn)介：白亮，男，1987年11月，山東濰坊，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向?yàn)椋_(kāi)式吸收熱泵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用研究，煙氣環(huán)保節(jié)能技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。