濕煙氣除濕技術的研究現狀

張寧，孫文哲

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

當前我國濕法脫硫，富氧燃燒[1]，天然氣鍋爐煙氣余熱回收等領域都涉及了煙氣除濕。濕煙氣除濕技術的發展無疑對節約能源和環境保護帶來重要作用。煙氣除濕技術主要有冷凝除濕、溶液除濕、膜除濕、旋流板除濕[2]、增壓除濕、聯合除濕。本文討論了上述除濕技術在煙氣除濕領域的研究和應用進展。

1 煙氣冷凝除濕

1.1 直接接觸式煙氣冷凝除濕

劉華等[3]基于直接噴淋冷凝噴淋換熱，采用實驗的方式研究了對于煙氣冷凝效率的影響因素，結果表明，噴淋高度、液滴直徑水氣比是影響煙氣冷凝的主要因素。

何靜等[4]通過數值模擬和實驗的方式研究了降膜直接接觸式煙氣冷凝裝置，該裝置在空噴淋塔內布置多塊豎直降膜板，煙氣與液膜進行逆流熱質交換，結果表明，在噴淋水量為500 L/h，噴淋水溫度為14 ℃，模擬濕煙氣溫度為60～75 ℃情況下與空塔噴淋相比提高了20.0%～23.3%的煙氣冷凝率。

趙策等[5]依托煤燃燒國家重點實驗室35 MV碳捕獲實驗平臺，運用FLUENT進行流體計算模擬，研究了直接接觸式煙氣冷凝除濕裝置的冷卻水的初始溫度、噴淋流量、噴淋角度以及冷凝器腔室的尺寸等因素對于處理富氧燃燒過程的煙氣水蒸氣冷凝的影響，結果表明，冷凝器直徑在3 m和高度大于11 m以及直徑3.5 m和高度大于12 m時出口水蒸氣體積濃度從17%降低到低于5%。

隨著天然氣鍋爐在國內的普及，針對于天然氣鍋爐煙氣的冷凝除濕很多學者做出了研究。

付林等[6]提出通過吸收式熱泵處理天燃氣鍋爐煙氣這一技術，將天然氣鍋爐產生的煙氣作為吸收式熱泵的低溫熱源，并通過直接接觸的方式與低溫冷卻水進行傳質傳熱,煙氣冷凝除濕效果顯著。李峰等[7]在此基礎上實施了工程案例，對29 MW 的天燃氣鍋爐進行供熱改造并進行工程實測，結果表明，當該裝置滿負荷運行時，煙氣溫度從44～77 ℃被冷凝到18～37 ℃，凝結水量可達3.11 t/h。

Kuck J等[8]提出一種針對于天然氣鍋爐的直接接觸式的空氣加濕型煙氣冷凝技術，該裝置以加濕后的助燃空氣作為低溫介質與高溫煙氣通過直接接觸的方式冷凝煙氣，與傳統煙氣冷凝方式相比，在冷卻介質的溫度相同情況下可增加更多的煙氣水蒸氣的冷凝量。

直接接觸式冷凝除濕技術較小的傳熱效率和較高傳熱效率，但是冷凝設備會面臨酸性液體的腐蝕問題，冷凝介質也會面臨煙氣帶來的污染問題。因此設備的防腐蝕以及冷卻介質的凈化問題不能忽視。

1.2 間接接觸式煙氣冷凝除濕

與直接接觸相比，間接接觸技術不存在傳質過程，張亮等[9]指出相較于直接接觸式冷凝除濕，間接接觸技術的換熱效率較低，并且對換熱器的耐腐蝕性防堵性的要求較高，但是對部分需要保證冷卻水穩流的情況來講，該技術有著較大優勢。

Levy E等[10]通過實驗證明了煙氣冷凝效率與冷卻水溫及流量、煙氣流量和其含濕量、換熱器尺寸結構有重要關系。

陳林等[11]結合1 000 MW發電機組對比分析了兩種不同結構的間壁式塑料冷凝換熱器的換熱性能，實驗結果表明，兩種結構的換熱器均可以使煙氣溫度從123 ℃降低至80 ℃，煙氣流量4 362 784 m3/h情況下凝結水流量為941.2 t/h。

王隨林等[12-13]自述研發了耐腐蝕、高效、低阻煙氣冷凝裝置，該技術基于間壁式換熱器進行煙氣冷凝除濕，在對北京29 MW燃氣熱水供熱鍋爐改造時，在額定負荷的87%狀態下，煙氣從56 ℃下降到30 ℃，煙氣冷凝水65.8 t/d，系統煙氣除水除霧率為66.4%，在對烏魯木齊2臺70 MW燃氣熱水鍋爐進行改造實驗，額定工況下 172.2 ℃的煙氣可以降低到39.7 ℃，冷凝水量為157 t/d，同時指出間壁式煙氣冷凝技術的關鍵在于提高換熱器的防腐蝕能力以及控制低溫熱源溫度。

2 煙氣溶液除濕

由于除濕溶液與煙氣的水蒸氣分壓不同，因此便形成了傳質動力，在溶液被稀釋的過程中，水蒸氣釋放潛熱，煙氣溫度下降，含濕量下降。稀釋溶液經過加熱濃縮后可循環使用。

Folkedahl等[14]研究了CaCl2溶液在噴淋過程中對煙氣的除濕能力，結果表明，其除濕能力出色，且溶液pH對處理煙氣中的酸性物質有密切影響。

魏璠等[15]采取實驗對比分析了CaCl2溶液除濕和直接接觸式冷卻水噴淋除濕的煙氣除濕性能，結果表明，CaCl2溶液除濕所需要的循環量是相同除濕效果下直接接觸式用水量的1/5。

路源等[16]通過燃氣輪機實驗，研究證明了CaCl2溶液在煙氣除濕方面的能力遠強于噴淋水直接接觸冷凝，通過模擬煙氣的方法研究了CaCl2溶液濃度等對煙氣除濕能力的影響，結果表明，在合適范圍內提高CaCl2溶液濃度，可以增強吸收效果，煙氣溫度和含濕量的增加會降低除濕效果，同時應注意溶液產生結晶等問題。

呂揚等[17-18]通過對比實驗，研究了CaCl2溶液在絕熱型管內降膜進行煙氣除濕的性能，結果表明，CaCl2溶液的除濕效率在48%～69%，同情況下冷卻水冷凝的除濕效率只有21%～48%。溶液除濕技術主要應用在處理煤燃燒后濕法脫硫后的煙氣除濕處理，其它領域的煙氣除濕處理應用溶液除濕技術較少，且除濕目的主要是消除白色煙羽，在天然氣鍋爐煙氣冷凝回收余熱方面的研究尚不深入。

3 煙氣膜除濕

煙氣膜除濕是一種不需要額外冷卻介質的一種除濕方式，隨著膜材料的發展與膜技術的逐步發展，膜除濕技術也在逐步完善。膜冷凝除濕技術主要利用具有疏水性的無孔膜或微孔膜的高選擇透過特性，以膜兩側的水蒸氣分壓差為動力，實現煙氣除濕。

Sijbesma等[19]使用聚醚嵌段酰胺和聚醚酮制備了復合微濾中空纖維膜，并實驗研究了對煙氣除濕性能，結果表明，在5 300 h的真實煙氣實驗中，煙氣除濕速度為0.2～0.46 kg/(m2·h)，同時發現煙氣中的雜質會降低膜的煙氣除濕速度，在150 h的模擬煙氣測試中，煙氣除濕速度為0.6～1 kg/(m2·h)。

Zhao等[20]研究了新型管狀陶瓷膜冷凝器從煙氣中回收冷凝水，研究了煙氣和冷卻水水流速、溫度、煙氣含濕量等因素對膜除濕的影響，研究表明，煙氣流速增加會降低膜的除濕能力，煙氣含濕量的增加可以顯著提高冷凝除濕遞速率以及整體熱傳遞系數，但對水和熱回收的影響很小。

張群力等[21]發明了一種基于膜分離技術的煙氣冷凝余熱回收與凈化系統。該系統利用真空親水性膜組件將濕煙氣中的水蒸氣單獨進行分離，分立后的水蒸氣對熱網回水進行預熱，達到對水蒸氣的全熱利用，除濕后的干煙氣通過疏水膜處理氮氧化物，在煙氣除濕的同時實現了煙氣的凈化并且充分利用水蒸氣熱量。

目前膜除濕技術尚未在實際工程中廣泛應用，對煙氣膜除濕技術的研究主要是通過實驗研究不同的膜材料，膜結構對煙氣除濕的影響。洪珊等[22]指出煙氣膜除濕技術與其它煙氣除濕技術進行耦合是煙氣膜除濕技術的研究方向。

4 煙氣旋流板除濕

煙氣旋流板除濕技術是利用煙氣通過安裝在煙道內的旋流板產生離心力，煙氣內的小液滴與其它氣體的密度不同，小液滴被從煙氣中甩出，達到了煙氣除濕的目的。

王福珍等[23]通過CFD方法分析了旋流板對煙氣除濕特征的影響，對某電站煙道加裝旋流板前后的煙氣流場進行分析對比，比較了不同旋流板設計對除濕能力的影響，結果表明，旋流板葉片45°，安裝高度30 m的單機旋流板除濕效率最高。

雖然旋流板技術不需要額外供能，結構簡單，但是不能對煙氣中的氣態水進行處理，對于煙氣的除濕能力比較一般，不能回收利用水蒸氣潛熱。因此旋流板除濕應與其他除濕技術配合使用。

5 煙氣加壓除濕

煙氣瞬間加壓凝結除濕技術利用流場結構瞬間提高水蒸氣分壓，使水蒸氣液化分離，并釋放大量潛熱[24]。程勝明等[25]發現，利用煙道結構對煙氣加壓，當煙氣壓力從1.5倍大氣壓恢復正常壓力時，煙氣含濕量降低22 g/kg。水蒸氣釋放出的潛熱全部用來提高煙氣出口溫度，達到消除白色煙羽的目的，對于該熱量的其它用途目前并未有效開發。除此之外瞬間加壓技術對煙氣正常流動的影響，尚未有學者進行研究。

6 煙氣聯合除濕

煙氣聯合除濕技術是耦合多種除濕技術，提升煙氣除濕效率，此類技術可以綜合不同除濕技術的優勢，降低除濕成本，是未來發展的主要方向。

劉建民等[26]提出凝變除濕復合煙氣凈化技術，并在630 MW的燃煤機組上進行實驗，該技術聯合利用了凝變除濕技術和旋流板除濕技術，先利用凝變器使濕煙氣中的水蒸氣以細微粉塵顆粒為核形成細小液滴，再通過旋流板降液態水從煙氣中去除，實驗表明，該技術的冷凝水量大于4 mL/(kg·℃)。煙氣溫度每降低1.5～5.3 ℃，便可冷凝煙氣中5%～20%的水分。

劉晨等[27]對某垃圾焚燒企業的3臺400 t/d垃圾焚燒爐排爐進行改造，聯合利用間壁式煙氣冷凝器和直接噴淋冷凝除濕器，結果表明，按照每年8 000 h運行時間計算，每年3座爐合計冷凝20萬t水。

姜樹偉等[28]發明了降溫除濕組合式煙氣脫白裝置，該技術聯合利用風冷熱管煙氣冷凝器和旋流板除霧器對煙氣中的水蒸氣兩次脫除，提高了煙氣除濕效果。

程勝明等[29]提出聯合使用煙氣直接接觸冷凝和溶液除濕，濕煙氣先通過噴淋冷凝，再進入溶液除濕設備二次除濕，研究表明，采用新技術后相同工況下煙氣除濕水量從0.379 t/h提高到0.714 t/h。

7 結論與展望

介紹了冷凝除濕、溶液除濕、膜除濕、旋流板除濕、加壓除濕、聯合除濕在煙氣除濕領域的研究現狀。

隨著煙氣除濕技術的不斷發展，煙氣除濕領域逐漸從傳統的處理濕法脫硫后的煙氣擴大到天然氣鍋爐煙氣，垃圾焚燒煙氣，富氧燃燒煙氣等，未來煙氣除濕領域一定會進一步擴大。

煙氣除濕的手段眾多，但冷凝除濕最為成熟，也只有冷凝除濕大量應用于工業生產過程之中，其它手段目前主要停留在實驗階段。但加壓除濕，聯合除濕在除濕功耗、除濕效率等方面更具優勢，在未來具有巨大發展潛力，因此應該更加重視此類新技術的發展。