濕煙氣除濕技術(shù)的研究現(xiàn)狀

張寧，孫文哲

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

當(dāng)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(lǐng)域都涉及了煙氣除濕。濕煙氣除濕技術(shù)的發(fā)展無疑對節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)帶來重要作用。煙氣除濕技術(shù)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(lián)合除濕。本文討論了上述除濕技術(shù)在煙氣除濕領(lǐng)域的研究和應(yīng)用進(jìn)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(jié)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(shù)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(nèi)布置多塊豎直降膜板，煙氣與液膜進(jìn)行逆流熱質(zhì)交換，結(jié)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(jìn)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(jié)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(nèi)的普及，針對于天然氣鍋爐煙氣的冷凝除濕很多學(xué)者做出了研究。

付林等[6]提出通過吸收式熱泵處理天燃?xì)忮仩t煙氣這一技術(shù)，將天然氣鍋爐產(chǎn)生的煙氣作為吸收式熱泵的低溫?zé)嵩矗⑼ㄟ^直接接觸的方式與低溫冷卻水進(jìn)行傳質(zhì)傳熱,煙氣冷凝除濕效果顯著。李峰等[7]在此基礎(chǔ)上實施了工程案例，對29 MW 的天燃?xì)忮仩t進(jìn)行供熱改造并進(jìn)行工程實測，結(jié)果表明，當(dāng)該裝置滿負(fù)荷運行時，煙氣溫度從44～77 ℃被冷凝到18～37 ℃，凝結(jié)水量可達(dá)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(shù)，該裝置以加濕后的助燃空氣作為低溫介質(zhì)與高溫?zé)煔馔ㄟ^直接接觸的方式冷凝煙氣，與傳統(tǒng)煙氣冷凝方式相比，在冷卻介質(zhì)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(shù)較小的傳熱效率和較高傳熱效率，但是冷凝設(shè)備會面臨酸性液體的腐蝕問題，冷凝介質(zhì)也會面臨煙氣帶來的污染問題。因此設(shè)備的防腐蝕以及冷卻介質(zhì)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(shù)不存在傳質(zhì)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(shù)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(wěn)流的情況來講，該技術(shù)有著較大優(yōu)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(jié)構(gòu)有重要關(guān)系。

陳林等[11]結(jié)合1 000 MW發(fā)電機組對比分析了兩種不同結(jié)構(gòu)的間壁式塑料冷凝換熱器的換熱性能，實驗結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)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(jié)水流量為941.2 t/h。

王隨林等[12-13]自述研發(fā)了耐腐蝕、高效、低阻煙氣冷凝裝置，該技術(shù)基于間壁式換熱器進(jìn)行煙氣冷凝除濕，在對北京29 MW燃?xì)鉄崴徨仩t改造時，在額定負(fù)荷的87%狀態(tài)下，煙氣從56 ℃下降到30 ℃，煙氣冷凝水65.8 t/d，系統(tǒng)煙氣除水除霧率為66.4%，在對烏魯木齊2臺70 MW燃?xì)鉄崴仩t進(jìn)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(shù)的關(guān)鍵在于提高換熱器的防腐蝕能力以及控制低溫?zé)嵩礈囟取?/p>

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(zhì)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(jīng)過加熱濃縮后可循環(huán)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(jié)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(zhì)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(jié)果表明，CaCl2溶液除濕所需要的循環(huán)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?xì)廨啓C實驗，研究證明了CaCl2溶液在煙氣除濕方面的能力遠(yuǎn)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(jié)果表明，在合適范圍內(nèi)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(yīng)注意溶液產(chǎn)生結(jié)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(nèi)降膜進(jìn)行煙氣除濕的性能，結(jié)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(shù)主要應(yīng)用在處理煤燃燒后濕法脫硫后的煙氣除濕處理，其它領(lǐng)域的煙氣除濕處理應(yīng)用溶液除濕技術(shù)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(zhì)的一種除濕方式，隨著膜材料的發(fā)展與膜技術(shù)的逐步發(fā)展，膜除濕技術(shù)也在逐步完善。膜冷凝除濕技術(shù)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(cè)的水蒸氣分壓差為動力，實現(xiàn)煙氣除濕。

Sijbesma等[19]使用聚醚嵌段酰胺和聚醚酮制備了復(fù)合微濾中空纖維膜，并實驗研究了對煙氣除濕性能，結(jié)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(fā)現(xiàn)煙氣中的雜質(zhì)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(shù)，但對水和熱回收的影響很小。

張群力等[21]發(fā)明了一種基于膜分離技術(shù)的煙氣冷凝余熱回收與凈化系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用真空親水性膜組件將濕煙氣中的水蒸氣單獨進(jìn)行分離，分立后的水蒸氣對熱網(wǎng)回水進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)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(xiàn)了煙氣的凈化并且充分利用水蒸氣熱量。

目前膜除濕技術(shù)尚未在實際工程中廣泛應(yīng)用，對煙氣膜除濕技術(shù)的研究主要是通過實驗研究不同的膜材料，膜結(jié)構(gòu)對煙氣除濕的影響。洪珊等[22]指出煙氣膜除濕技術(shù)與其它煙氣除濕技術(shù)進(jìn)行耦合是煙氣膜除濕技術(shù)的研究方向。

4 煙氣旋流板除濕

煙氣旋流板除濕技術(shù)是利用煙氣通過安裝在煙道內(nèi)的旋流板產(chǎn)生離心力，煙氣內(nèi)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(dá)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(jìn)行分析對比，比較了不同旋流板設(shè)計對除濕能力的影響，結(jié)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(shù)不需要額外供能，結(jié)構(gòu)簡單，但是不能對煙氣中的氣態(tài)水進(jìn)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(yīng)與其他除濕技術(shù)配合使用。

5 煙氣加壓除濕

煙氣瞬間加壓凝結(jié)除濕技術(shù)利用流場結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)，利用煙道結(jié)構(gòu)對煙氣加壓，當(dāng)煙氣壓力從1.5倍大氣壓恢復(fù)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(dá)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(fā)。除此之外瞬間加壓技術(shù)對煙氣正常流動的影響，尚未有學(xué)者進(jìn)行研究。

6 煙氣聯(lián)合除濕

煙氣聯(lián)合除濕技術(shù)是耦合多種除濕技術(shù)，提升煙氣除濕效率，此類技術(shù)可以綜合不同除濕技術(shù)的優(yōu)勢，降低除濕成本，是未來發(fā)展的主要方向。

劉建民等[26]提出凝變除濕復(fù)合煙氣凈化技術(shù)，并在630 MW的燃煤機組上進(jìn)行實驗，該技術(shù)聯(lián)合利用了凝變除濕技術(shù)和旋流板除濕技術(shù)，先利用凝變器使?jié)駸煔庵械乃魵庖约?xì)微粉塵顆粒為核形成細(xì)小液滴，再通過旋流板降液態(tài)水從煙氣中去除，實驗表明，該技術(shù)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(yè)的3臺400 t/d垃圾焚燒爐排爐進(jìn)行改造，聯(lián)合利用間壁式煙氣冷凝器和直接噴淋冷凝除濕器，結(jié)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(fā)明了降溫除濕組合式煙氣脫白裝置，該技術(shù)聯(lián)合利用風(fēng)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(lián)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(jìn)入溶液除濕設(shè)備二次除濕，研究表明，采用新技術(shù)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(jié)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(lián)合除濕在煙氣除濕領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。

隨著煙氣除濕技術(shù)的不斷發(fā)展，煙氣除濕領(lǐng)域逐漸從傳統(tǒng)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(lǐng)域一定會進(jìn)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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)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(lián)合除濕在除濕功耗、除濕效率等方面更具優(yōu)勢，在未來具有巨大發(fā)展?jié)摿Γ虼藨?yīng)該更加重視此類新技術(shù)的發(fā)展。