開放式吸收熱泵技術在煙氣處理中的應用

李勝章，白 亮，趙懷超，陳忠梅

（1.國核電力規劃設計研究院有限公司，北京 100095；2.昊姆（上海）節能科技有限公司，上海 201108）

節能減排、低碳發展是我國生態建設的重要內容，受特定條件限制，有時人們難以將節能與減排兩方面技術有機結合起來。以燃煤、燃氣鍋爐排煙等低品位熱濕廢氣為特定對象，昊姆公司結合開放式吸收式熱泵技術、溶液除濕技術、熱質分離技術以及濕法脫硫技術，研發出低品位熱濕廢氣節能環保一體化處理技術[1-3]。該技術可在對鍋爐煙氣、烘干排氣等低溫熱濕廢氣進行資源化利用的同時，對煙氣進行深度凈化，為脫硫、除塵的超低排放提供保障，最大限度地為企業節約了能源、投資及運行成本[4-5]。

1 工藝系統

工藝系統如圖1所示，其主要分煙氣流程、溶液流程、驅動蒸汽流程、工藝水流程。

驅動蒸汽流程：以蒸汽作為高溫能量轉換器的驅動熱源，蒸汽的冷凝水作為鍋爐補水，該過程中產生的二次蒸汽加熱工藝水，冷凝水后可作為濕法脫硫補水。

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

溶液循環：低溫能量轉換器的稀溶液經過加藥、pH值調節，并脫除煙塵、脫硫產物后泵入高溫能量轉換器，濃縮后泵入低溫能量轉換器繼續處理煙氣。

本系統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流程

2 技術原理

2.1 熱量回收原理

本系統采用一套開放式吸收式熱泵技術，采用無機鹽溶液，有很強的吸濕性，解決了傳統煙氣處理技術無法同時解決的“脫水”和“熱回收”問題。核心設備是低溫能量轉換器，工作原理是高濕煙氣水蒸氣分壓力遠大于溶液表面水蒸氣分壓力，煙氣中水蒸氣被吸進溶液，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，產生節能效益。

2.2 除塵原理

無機鹽溶液吸收煙氣、水蒸氣時，可以有效捕捉煙氣中的霧滴，包裹在霧滴中的細小粉塵也會被捕捉去除。深度除塵效果，可以通過以下兩方面予以保證。

2.2.1 低溫能量轉換器的優化設計

低溫能量轉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，可加強氣液接觸時間與面積、提高除塵效果。

填料被無機鹽溶液充分潤濕，以液膜展開后，比表面積增加一倍；填料空隙形成細小曲折的煙氣流通路徑，煙氣沖刷液膜時，煙氣中的粉塵被溶液吸附而達到除塵效果；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的顆粒霧化，極大地增大了煙氣與溶液的接觸面積，達到除塵效果。

造成側滑的主要原因有:車輪制動力不均衡，胎壓不標準，輪胎花紋較平等。路面因素也很關鍵，例如:彎道、坡道、坑洞、冰雪路面、積水路面都會對車輛的行駛狀態造成影響。

2.2.2 鹽溶液對氣溶膠的吸濕性能

脫硫后的煙氣為過飽和濕煙氣，煙氣中的水蒸氣凝結過程中，以粉塵為凝結核，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溶液液膜的強烈趨勢。在水蒸氣分壓力的推動下，氣溶膠團被整體吸附進溶液，實現粉塵的深度凈化。在填料增加液氣接觸面積，高傳質推動力的雙重作用下，本技術液氣比為傳統脫硫設備的1/4左右，實現深度除塵的節電效果。

2.3 脫硫原理

低溫能量轉換器的漿池中配置有pH值檢測裝置，運行過程中間斷性地向漿池中加入CaO等堿性物質，使溶液保持為堿性狀態。當溶液吸收SO2后，與溶液中的Ca2+反應，生產CaSO3而去除，漿池中配置有氧化風機將CaSO3氧化為CaSO4，然后通過凈化處理裝置去除。

3 實例分析

某熱電廠現有一臺35 t蒸汽鍋爐，鍋爐負荷率67%，運行煙氣量40 000 Nm3/h，尾氣處理工藝依次為SNCR脫硝、袋式除塵、濕法脫硫，排煙干球和露點為50℃、49℃。企業為達到國家超低排放標準：煙塵10 mg/Nm3、二氧化硫50 mg/Nm3，引進一套煙氣深度凈化及余熱回收一體化裝置。

改造思路：脫硫塔出口煙氣進入深度凈化及余熱回收系統，高濕煙氣潛熱被回收用于加熱約90 m3/h的廠區工藝水，進口溫度40℃，實現25℃的溫升，滿足生產需求。該系統實現了節能環保的協同進行。系統采用全自動控制，根據溫度、液位、pH等參數自動運行，操作方便。

3.1 節能效益

以系統的余熱回收量、COP、節水量等參數分別分析系統的節能效益，筆者對系統一年的運行數據進行統計分析。

圖2 余熱回收量

由圖2可知，在系統穩定運行12個月中，受鍋爐運行負荷、工藝水量及進口水溫、環境溫度等參數的影響，系統每小時凈回收熱量為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。年凈節能量總計38 060 GJ，凈節能折合1 300 t標準煤，按照熱值單價50元/GJ計算，年凈節能收益190.3萬元。

圖3 熱力系統能效比（COP）

系統COP=工藝水吸熱量/驅動蒸汽輸入熱量[6]，能夠直接反映出熱力系統的工作效率。由圖3可知，運行期間，熱力系統能效比穩定在1.7～1.8，一直保持較高的熱量輸出效率。

圖4 節水量

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%，增大煙氣擴散半徑5%?；厥諢煔庵械乃钟糜诿摿蜓a水，由圖4推算可知，年回收水量約0.851萬t。按照工業用水5元/t，企業每年可節省水費4.25萬元。

3.2 環保效益

傳統的脫硫、除塵方法，往往只投入不產出[7-8]。本技術在節能的基礎上，實現煙氣的深度凈化，達到環保目的，煙氣監測數據如表1所示。

表1 環保效益

實測出口煙氣含塵5 mg/Nm3，優于最新超凈排放要求。以鍋爐實際負荷測算，年減少煙塵排放25.23 t，減少SO2排放量27.68 t。

綜上所述，系統的節能效益為190.3萬元/a，系統總投資450萬元，3年內即收回投資。且實現煙塵、SO2的超低排放，實現了以節能來助推企業環保。

4 技術應用

4.1 技術特點與技術指標

突破常規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；以直接接觸的熱質交換方式替代常規的換熱形式，加快傳熱傳質速率，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。節能環保協同進行，以節能收益支付環保投入，使傳統“環保設備”具有經濟收益，提高企業環保積極性。

技術指標：配合企業原除塵脫硫設備，煙塵≤5 mg/Nm3，SO2≤10 mg/Nm3；吸收濕煙氣40%～70%的水分用于脫硫補水；回收煙氣40%潛熱；系統能效比可達1.6～1.8；排煙溫度比傳統濕法脫硫后干球溫度高15℃，提高煙氣抬升力10%，增大煙氣擴散半徑5%。

4.2 技術適用領域

煙氣深度凈化及余熱回收技術適用于燃煤鍋爐、燃氣（油）鍋爐、工業窯爐、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、醫藥、農藥、飼料、木材烘干、工業助劑干燥等有熱濕廢氣排放的行業。

5 結語

本技術創造性地將開放式熱泵技術與環保相結合，利用吸濕溶液的強吸濕性，使其在吸收熱濕廢氣中水蒸氣的同時，吸收廢氣中“氣溶膠”，實現廢氣深度凈化的目的。本技術打破了現有節能環保壁壘，將節能與環保有機結合，實現兩者的系統進行。以節能收益支付環保初投資和運行費用，提高企業從事節能環保改造的內在動力。從試運行項目來看，節能及環保效益良好，適用領域廣泛，可推廣性強。

1 周志軍.利用吸收式熱泵回收工業廢熱的探討[J].機械研究與應用，2005，18（6）：22-24.

2 G A Longo，A Gasparella.Experimental and theoretical analysis of heatand mass transfer in a packed column dehumidifier/regenerator with liquid desiccant[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2005，48（25）：5240-5254.

3 Gao W Z，Liu J H，Cheng Y P，etal.Experimental investigation on the heat and mass transfer between air and liquid desiccant in a cross flow dehumidifier[J].Renewable Energy，2012，37（1）：117-123.

4 徐敬玉.鍋爐煙氣的處理裝置：中國，ZL201420481583.X[P].2015-01-21.

5 鄭 皎.吸收式烘干機排氣廢熱回收系統及利用該系統烘干物料的方法：中國，ZL201310383388.3[P].2015-04-15.

6 劉 駿.開式絕熱吸收系統及絕熱型吸收器性能研究[D].杭州：浙江大學，2015.

7 李彩亭，譚 婭，邱 慧，等.新型燃煤鍋爐煙氣濕法除塵脫硫技術研究[J].吉首大學學報，2004，25（3）：44-46.

8 劉政修，蘇金海，李光明，等.火力發電廠煙氣濕法脫硫用石灰石添加劑反應性能分析[J].全面腐蝕控制，2015，29（5）：23-27.