開式吸收發生一體化熱泵的運行影響因素

閆斌 昊姆（上海）節能科技有限公司

近年來燃煤鍋爐的超低排放標準受到越來越嚴格的限制，同時其余熱回收情況也備受重視，燃煤鍋爐的節能與環保一體化治理逐漸提上日程。

有學者提出了基于開式吸收式熱泵的煙氣一體化處理系統的工業化應用研究，該系統通過吸濕性溶液與煙氣進行直接接觸式的噴淋，可以將濕飽和煙氣中的硫、塵等脫除，同時利用溶液的吸水過程回收煙氣中的汽化潛熱，溶液中吸收的水分則通過驅動蒸汽等熱源進行間壁式加熱蒸餾出系統，溶液本身以及蒸餾產生的新蒸汽可通過換熱設備將熱量傳遞給工藝水。本技術可以很好的實現煙氣的脫硫、除塵、節能協同治理，但無法直接在未進行濕法脫硫項目且缺少驅動熱源的燃煤熱水鍋爐上應用，需針對應用環境進行一定的調整。然后，有學者就吸濕性溶液脫硫的能力做了論述，通過添加堿劑，可以對二氧化硫進行深度脫除。同時，考慮到未脫硫的煙氣干球溫度較高，可以作為溶液發生的驅動熱源，且煙氣中未被添加過水分，水露點較低，可以與溶液直接接觸進行開式發生，而關于溶液的開式發生1961年就被提出了在空氣調節中的工業化應用，發展至今已經有了較為成熟的理論體系。

基于上述背景與理論基礎，本文介紹一種開式吸收、開式發生的熱泵系統，用于未進行濕法脫硫的溫度較高、含水率較低的燃煤鍋爐煙氣的環保與節能一體化治理，并探求其主要的影響因素。

1 開式吸收發生一體化熱泵系統流程與特點

1.1 系統流程

首先，煙氣經過雙級吸收塔后排放。吸收塔分為上下兩段，吸收塔下段為溶液發生段，上段為溶液吸收段，塔兩段之間設置升氣裝置，使煙氣可以從下往上通過，溶液從上往下無法落下。煙氣在溶液發生段經過溶液噴淋，將熱量傳遞給溶液，煙氣溫度下降，吸收溶液中水分，含濕量上升，此后經過溶液吸收段，將熱量傳遞給溶液，煙氣中水分被溶液吸收，含濕量下降，釋放汽化潛熱和顯熱，此后進入煙囪中排放。

其次，吸濕性溶液與煙氣進行噴淋直接換熱。在吸收段中，由于溶液具有吸濕性，且煙氣水分含量相對較高，可吸收煙氣中水分并吸收煙氣中熱量將溶液溫度提高；在發生段中，溶液的溫度升高，吸濕性降低，且煙氣水分含量相對降低，因此溶液由吸水變為蒸發水分，兩級塔中的溶液出塔后，分別回到兩段塔對應的儲液箱，此后分別經過換熱器，將熱量傳遞給冷源實現余熱回收，換熱后的溶液繼續泵入雙級塔噴淋煙氣，形成閉環。兩段儲液箱之間設置有溶液交換系統，可以連續或間歇性運行，實現系統的物料平衡的同時，上下兩段的溶液維持一定的濃度差，從而更有利于吸收與發生的過程。

最后，發生段溶液中蒸發出的水蒸氣與煙氣中的粉塵等結合形成氣溶膠；SO2與氣溶液一起被溶液中熟石灰吸收，生成亞硫酸鈣，通過外置的氧化箱強制氧化為硫酸鈣，通過旋流壓濾系統從溶液中分離。開式吸收式發生一體化熱泵系統流程如圖1所示。

圖1 開式吸收式發生一體化熱泵系統流程圖

1.2 系統特點

溶液在吸收段吸濕的過程中，捕獲了煙氣中的氣溶膠，有利于吸收煙氣中的煙塵等雜質，同時也更有利于二氧化硫的吸收，實現煙氣的超低排放。溶液吸收水量與發生水量動態平衡，整體代替了濕法脫硫往煙氣中添加水分、后續再從煙氣中回收水分的過程，可以較為深度的回收高溫煙氣的熱量。在環保方面，相比于增設濕法脫硫，系統可以實現濕電除塵的除塵效果，并且經過溶液噴淋后的煙氣具有一定的過熱度，有利于煙氣排放；在節能方面，相比于增設煙氣換熱器，系統不存在酸露點腐蝕以及間壁式換熱效率低的問題。

2 工程案例

河北某供熱公司有2×168MW 循環流化床鍋爐，型號為QXF168-1.6/130/70-M 型。系低溫低壓、單鍋筒、強制循環熱水鍋爐，采用循環流化床燃燒方式、高溫分離物料、固態排渣、干式輸灰、平衡通風、露天布置，同步配置爐內脫硫裝置，采用爐內噴鈣干法脫硫技術，設計煤質收到基硫分為1.016%，校核煤質收到基硫分1.34%，入口SO2濃度按照 2760mg/m3（標態、干基、6%O2）考慮，脫硫效率90%，脫硫裝置與鍋爐同步投產運行。兩臺號鍋爐各配備1臺LTF2600-2×6長袋低壓脈沖布袋除塵器，但其使用壽命已超過設計值，出口煙塵含量大于50mg/m3（標態、干基、6%O2）。兩臺鍋爐的煙塵與硫含量均不能達到超低排放標準；同時由于地處北方，有供暖回水加熱的余熱回收需求。因此，采用吸收發生一體化熱泵技術對其進行節能與環保的協同治理。詳細技術參數見表1。

表1 反電暈指數量化定義

3 開式吸收發生一體化熱泵系統影響因素與調節分析

3.1 系統影響因素

開式吸收發生一體化熱泵系統在熱平衡上的影響因素與常規開式熱泵趨勢相同，因此本文在此主要闡述水平衡的影響因素。煙氣與溶液之間的傳質，其根本影響因素在于水蒸氣分壓力之差。在發生段，溶液水蒸氣分壓力大于煙氣越多，則發生量越大；在吸收段，溶液水蒸氣分壓力小于煙氣越多，則吸收量越大。煙氣的水蒸氣分壓力取決于煙氣的含水率，而溶液的水蒸氣分壓力取決于溶液的溫度與濃度，基于此可以對影響因素做出分類。

3.1.1 煙氣品質影響

煙氣的溫度升高，在發生段的溶液會吸收更多的熱量，溶液整體溫度升高，溶液水蒸氣分壓力升高，將更有利于溶液的發生，使系統發生量大于吸水量。煙氣的含水率升高，將導致發生段的溶液與煙氣水蒸氣分壓力之差降低，不利于溶液的發生，吸收段煙氣與溶液的水蒸氣分壓力之差升高，有利于溶液的吸收，使系統吸水量大于發生量。

3.1.2 冷源品質影響

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冷源的溫度升高，將會使溶液的整體溫度升高，溶液的水蒸氣分壓力升高，使系統整體的發生量大于吸水量。冷源的流量增加，將會使溶液整體溫度降低，溶液的水蒸氣分壓力降低，使系統的吸水量大于發生量。

3.1.3 液氣比的影響

煙氣流量的增加，使得系統液氣比降低，系統整體熱交換能力增大，發生量、吸水量均會增加，但同體積溶液吸熱量增加使整體溶液溫度上升，系統的發生量大于吸水量。溶液流量的增加，使得系統液氣比增加，考慮到冷源的限制，系統整體熱交換能力并不會有明顯改變，同體積的溶液吸熱量減少使整體溶液溫度降低，系統的吸水量大于發生量。

3.1.4 溶液濃度影響

溶液濃度升高，則水蒸氣分壓力增加，更有利于發生過程，不利于吸收過程，系統吸水量大于發生量。煙氣溫度、煙氣流量及冷源溫度增加，會導致溶液溫度的上升，這將使系統發生水量大于吸水量；溶液濃度降低也會起到一樣的效果。冷源流量、溶液流量增加，會導致溶液溫度的降低，這將使系統吸水量大于發生水量；煙氣含水率增加也會起到一樣的效果。

3.2 系統調節分析

3.2.1 自我調節分析

3.2.2 主動調節分析

經過一系列分析，影響系統的介質主要是煙氣、冷源、溶液，而煙氣、冷源作為外部條件，一般不能用作調控手段，因此主動調節需要從溶液自身進行入手。溶液自身的主要參數有溫度、流量、濃度3個，其中濃度是被動自我調節的關鍵因素，且由于儲液箱的存在，系統溶液量較大，濃度的可操作性不強，因此不宜選定濃度作為調節參數進行調節。溶液的溫度、流量均可以人為調節，為對比系統水平衡對于二者的敏感性，以上述工程系統參數為例，對系統分別進行進行變溫度、變流量的單一變量校核計算分析，計算結果見表2。

表2 計算分析數據表

表2中凈吸水量表示為吸收段水分吸收量與發生段發生量之差，穩定運行時，凈吸水量為0，由于其為瞬時值，因此在系統參數改變時會瞬時發生變化，其變化的幅度可以反應系統水平衡的敏感程度。以系統凈吸水量作為因變量，平均噴淋溫度與噴淋流量作為自變量，系統噴淋平均溫度與系統整體凈吸水量呈近似線性的關系，溫度每變化1℃，系統瞬時凈吸水量變化1.4～1.5t/h；系統噴淋流量與系統整體凈吸水量呈近似對數的關系，噴淋量在原來的基礎上倍增或者減半，系統瞬時凈吸水量變化5～7t/h。溶液變化4℃即相當于噴淋量的倍增或者減半。

由于噴淋量的增減會影響淋液密度以及泵的運行狀態，因而噴淋量不適合大幅度改變。綜合考慮變化幅度以及操作難度，系統對于溶液溫度這一參數的敏感度較高，可操作性更強，系統的溶液溫度更適合作為主動調節的參數手段。因此，開式吸收發生一體化熱泵系統可以考慮新增小型溶液冷卻設備如溶液-空氣間壁式換熱器，或新增小型溶液加熱設備如溶液-煙氣間壁式換熱器，對溶液的噴淋溫度進行適當調節，以增強對于系統的整體控制能力。

4 結語

針對未進行濕法脫硫的燃煤鍋爐煙氣，本文介紹了開式吸收發生一體化熱泵，采用開式發生設計，由高溫煙氣與溶液進行直接接觸換熱來實現發生效果，系統具有一定自我被動調節能力。同時，分析出控制溶液溫度是開式吸收發生一體化熱泵系統最可行、最可靠的主動調控手段。這種方式相比于傳統煙氣處理的模式，能夠實現節能環保協同治理，安全性更高，拓寬了開式吸收式熱泵的應用領域與場景。