流化床鍋爐煙氣噴淋換熱余熱回收技術探討

摘要：煙氣噴淋換熱技術作為一種高效的余熱回收手段，能夠有效提升鍋爐系統的熱效率，減少能源浪費，并有助于降低污染物排放。深入探討流化床鍋爐煙氣噴淋換熱余熱回收技術的應用及其潛在優勢，通過分析流化床鍋爐的余熱來源、余熱利用方式及技術難點，闡述流化床鍋爐煙氣余熱回收利用的方案及發展方向，提高流化床鍋爐運行效率和應用范圍，為能源節約和環境保護作貢獻。

關鍵詞：流化床鍋爐；余熱利用；煙氣余熱回收；供暖；煙氣噴淋換熱

引言

流化床鍋爐是一種高效、低污染的燃燒設備，被廣泛應用于工業生產和供熱領域。然而，隨著能源價格的上漲和環保意識的提高，如何提高流化床鍋爐的能源利用率和減少污染物排放成為亟待解決的問題。余熱利用是解決這些問題的重要手段之一，通過回收利用流化床鍋爐排放的余熱，可大幅度提高能源利用率，降低企業運行成本，同時減少對環境的污染[1]。

1流化床鍋爐余熱的主要來源

1.1 排煙余熱

流化床鍋爐的排煙溫度一般較高，可達到150～200℃。通過回收這部分熱量，可以顯著提高鍋爐效率[2]。

1.2 未燃盡的燃料

在流化床鍋爐中，燃料顆粒在爐膛內不斷燃燒和移動，但未燃盡的燃料顆粒會隨著煙氣進入尾部煙道。通過回收這部分熱量，可進一步提高燃燒效率。

1.3石灰石脫硫熱量

在流化床鍋爐中，為了降低二氧化硫排放量，通常會向爐內添加石灰石進行脫硫。石灰石脫硫反應會產生大量熱量，而且這些熱量也可以被回收利用。

2傳統流化床鍋爐余熱利用措施

2.1 加裝省煤器

加裝省煤器是流化床鍋爐余熱利用的一種常見方案。在流化床鍋爐的尾部安裝省煤器，利用煙氣余熱加熱給水，可降低煙氣溫度，同時提高給水溫度，節省燃料消耗。省煤器的結構和工作原理較為簡單，一般由蛇形管和連接管組成，通過與鍋爐給水泵配合使用，將加熱后的水送入鍋爐進行二次加熱。在實際應用中，省煤器可顯著提高鍋爐的熱效率，降低燃料消耗量。

2.2 加裝空氣預熱器

加裝空氣預熱器是另一種流化床鍋爐余熱利用方案。在流化床鍋爐的空氣預熱器中，利用煙氣余熱加熱空氣，可提高空氣溫度改善燃燒效果，同時降低排煙溫度提高鍋爐效率。空氣預熱器一般由熱交換器和引風機組成，通過熱交換器將煙氣熱量傳遞給冷空氣，使空氣溫度得到提高。在實際應用中，空氣預熱器可以提高鍋爐的燃燒效果和熱效率，降低排煙溫度和污染物排放量。

2.3 吸收式熱泵回收技術

煙氣余熱吸收式熱泵回收技術是一種有效的節能技術，它利用熱泵回收煙氣中的余熱，提高能源利用效率。該技術的原理是利用吸收式熱泵吸收煙氣中的熱量，并將其轉化為可利用的熱水或蒸汽。煙氣進入吸收式熱泵的蒸發器，與其中的吸收劑進行熱交換，將吸收劑中的水分蒸發出來；蒸發后的蒸汽進入吸收式熱泵的冷凝器，與冷卻水進行熱交換，將熱量傳遞給冷卻水；冷卻水將熱量傳遞給用戶，實現供暖或供熱水等；吸收劑經過處理后再次進入蒸發器，循環使用。

3傳統流化床鍋爐的余熱利用技術特點

3.1 間壁式換熱器顯熱回收技術

間壁式換熱器顯熱回收技術需加裝低溫省煤器、空氣預熱器等，即在鍋爐出口煙道上加裝列管式換熱器，回收煙氣余熱并加熱鍋爐給水或采暖回水。該技術的有點是系統簡單，造價相對較低，成本回收較快（回收期約4～8a）；缺點是余熱回收率低，受排煙溫度變化的影響，通常實際溫差只有20～30℃，折合鍋爐產熱量的1%～2%，無法回收煙氣中所含蒸汽的汽化潛熱，因此無法實現深度熱回收，且往往設備更新快、導致重復投資。

3.2 吸收式熱泵回收技術

吸收式熱泵回收技術是采用吸收式熱泵回收煙氣余熱、并加熱熱網回水等，使煙氣溫度大幅度降低到30℃左右，余熱回收量折合鍋爐產熱量為8%～15%（與煙氣溫度、蒸汽含量等有關），因此可實現深度熱回收。但熱泵需驅動蒸汽等高位熱源驅動，所供熱量中余熱占比只有38%～42%，造價過高，回收期通常4～10a。另外，由于絕大多少企業缺少蒸汽鍋爐，不具備此條件，因此該技術應用條件有限。

4 煙氣噴淋換熱余熱回收技術路線

4.1 方案路線

鑒于以上間壁式換熱器顯熱回收技術方案、吸收式熱泵方案存在的不足，針對煙氣余熱特性，著重進行煙氣噴淋換熱余熱回收技術的探討。采用煙氣噴淋換熱塔和鍋爐助燃風全熱空預器作為主要換熱設備，其中全熱空預器可將煙氣低溫段余熱通過蒸汽潛熱作為載熱方式轉移到煙氣中，從而提高煙氣焓值及其能量品位，同時通過煙氣噴淋換熱塔將中介水進行加熱、再通過板換加熱熱網回水。因此，煙氣噴淋換熱余熱回收技術不需要熱泵就能將煙氣溫度深度降低到30℃左右，深度回收煙氣余熱8%～15%，能顯著提高供熱能力并實現節煤降耗的目的。

4.2 工作原理

煙氣噴淋換熱余熱回收技術采用分段淋水直接接觸換熱的方式，將鍋爐排煙降至30℃以下，同時獲得煙氣余熱水。其中，煙氣余熱水高溫段熱量用于熱網回水加熱或其他；低溫段煙氣余熱水，通過加熱加濕助燃風的方式進行消化。助燃風溫度、濕度提升后，一是可以提高鍋爐進風溫度，從而提高鍋爐效率、節省煤耗；二是通過助燃風攜帶作用，向鍋爐內注入大量蒸汽（這部分蒸汽不參與燃燒，不影響鍋爐效率），大幅提高煙氣蒸汽含量，進而提升煙氣濕球溫度，增加煙氣余熱水高溫段熱量，提升煙氣余熱水品位。采用低溫段煙氣余熱水加熱、加濕助燃風提高煙氣余熱品位過程，即為“余熱的梯級利用”[2]。 爐后煙氣常規流程如圖1所示，煙氣噴淋換熱余熱回收系統原理如圖2所示。

4.3 煙氣噴淋換熱余熱回收系統流程

煙氣噴淋換熱余熱回收系統流程分為煙氣流程、煙氣余熱水流程、熱網水流程、助燃風流程，詳見圖3。

4.3.1煙氣流程

引風機出口煙氣引入煙氣余熱回收機組，煙氣和煙氣余熱水進行換熱后，煙氣溫度降低到28℃左右，然后返回至原煙囪。

4.3.2煙氣余熱水流程

煙氣余熱回收系統余熱水（溫度約51℃），經余熱水供水泵供至熱網加熱板換加熱熱網回水（從41℃加熱至48℃）和熱網補水（從15℃加熱至40℃），余熱水溫度降至40℃左右；然后一部分回煙氣余熱回收系統高溫段進行換熱，一部分送至全熱空預器加熱助燃風，溫度降至20℃左右；最后由回水泵將20℃的余熱水送至煙氣余熱回收系統低溫段進行換熱。

4.3.3熱網水流程

取600～800t/h的熱網回水和全部的熱網補水進入煙氣余熱回收換熱站，由51℃的煙氣余熱水加熱至目標溫度，最后混合進入某臺板換的冷側入口。

4.3.4助燃風流程

環境空氣進入全熱空預器，由熱網加熱板換來約40℃的余熱水噴淋加熱，空氣升至33℃左右，然后取一路鍋爐出水對助燃空氣進行過熱至40℃左右，進入鍋爐的一二次風機，再進入空預器。

4.4 煙氣噴淋換熱余熱回收技術特點

4.4.1實現低品位余熱熱量傳遞和循環

通過助燃風加熱加濕，以蒸汽為載體，實現低品位余熱熱量傳遞和循環。

通過噴淋換熱，可獲得比脫硫后煙氣溫度低3～5℃的余熱水。盡管煙氣余熱水溫度較低，但因環境空氣溫度也較低（尤其在寒冷季節，平均溫度低于2℃），因此采用直接接觸式噴淋換熱方式將低溫段煙氣余熱水用于加熱助燃空氣是可行的，可實現對低品位煙氣余熱的獲得及利用。

噴淋方式加熱助燃風，增加了助燃風的含濕量，在燃煤成分及燃燒參數（空氣過量系數）不變的條件下，顯然會增加煙氣中蒸汽含量，提升煙氣的蒸汽體積比例，進而提升煙氣的露點溫度、濕球溫度（可提升5～10℃），實現余熱品位提升。如，對于脫硫后排煙溫度48℃的鍋爐，通過助燃風加熱加濕，最終脫硫塔后排煙溫度將提升至57℃，因此可獲得54℃的煙氣余熱水，這一品位的余熱水足以直接加熱45℃的熱網回水，從而實現煙氣余熱的回收利用。

4.4.2助燃風加熱加濕對鍋爐的影響

蒸汽既不限制燃燒也不支持燃燒，不會影響爐膛燃料正常燃燒過程；蒸汽以氣態形式進入爐膛，不存在汽化吸熱過程，不會降低響鍋爐熱效率；蒸汽呈中性，不腐蝕爐膛；加熱加濕后的助燃風，其相對濕度在85%～90%左右，存在2～3℃的過熱度，進入一、二次風機前不會凝結出露，確保一、二次風機安全；蒸汽含量增加，可降低爐膛含氧量，從而抑制燃燒過程中氮氧化物生成。

煙氣酸腐蝕露點溫度升高5～10℃，加熱加濕后的助燃風進入空預器時的溫度比常規環境工況下要升高35～40℃，使得空預器出口煙溫升高10～20℃，煙氣酸露點腐蝕余量不變或有所提升，后續設備如除塵器、引風機等不會出現低溫酸腐蝕；脫硫塔內溫度雖升高5～10℃，但塔內溫度一般可控制在60℃以下，這一變化對脫硫塔脫硫效率影響微弱，而且后續煙氣余熱回收系統仍有較好的脫硫作用。

蒸汽從助燃風到空預器出口煙氣會從爐膛內帶出部分熱量，而這部分熱量可以通過M×C×（T1-T2）來計算，其中M為通過助燃風加濕送入爐膛的蒸汽流量（kg/s），C為蒸汽比熱（1.84kJ/kg·℃），T1為空預器煙氣出口溫度，T2為助燃風加熱加濕后進一、二次送風機時的溫度。蒸汽從爐膛帶走的熱量遠遠小于其載熱循環熱量，也遠小于助燃風從環境溫度提升至40℃左右后帶入鍋爐的熱量。

4.4.3直接接觸式噴淋換熱

采用水膜式直接接觸換熱，換熱效率高，換熱穩定。和噴霧式噴淋換熱塔相比，噴嘴壓力要求較低，從而節省水泵能耗，且不會因為循環介質臟堵噴嘴出現噴淋不均、換熱不均情況。另外，無需安裝除霧器，使得煙氣阻力大幅降低。

4.4.4實現煙氣超凈排放

蒸汽凝結過程可以絮凝煙氣中的超細顆粒、氣溶膠，以及脫除脫塔飛水霧滴可溶鹽，實現煙氣超凈化。同時，因煙氣蒸汽含量的大幅降低（減少70%～80%），還可消減煙囪煙羽長度，實現消白。

4.4.5小結

綜上，與低溫省煤器技術路線相比，“煙氣噴淋換熱余熱回收技術可實現煙氣潛熱回收，余熱回收量大幅提升；與吸收式熱泵技術路線相比，可大幅減少熱泵配置容量，節省投資及驅動能耗，提高余熱系統經濟性。

4.5 與其它既有煙氣余熱回收技術的比較

4.5.1間壁式換熱器顯熱回收技術

最為簡單常用的方式，煙氣余熱用于預熱鍋爐進風、鍋爐回水或者供熱回水等，煙氣處于顯熱換熱區，對燃煤鍋爐效率一般最高可提高到90%～93%，但煙氣對空氣只加熱不加濕，煙氣排放溫度高，含濕量大，余熱回收量有限。

4.5.2基于吸收式熱泵換熱的煙氣冷凝熱回收裝置

吸收式熱泵系統的效率高，排煙溫度可降低至20～30℃，煙氣處于深度冷凝換熱區，對燃煤鍋爐效率提高可達7%～9%，總的鍋爐效率最高可達97%～101%，系統的效率基本不受供熱回水的影響。但吸收式熱泵的結構較復雜，運行維護成本較大，因此需要綜合考慮其技術經濟性，特別是對燃料價格較低的燃煤鍋爐而言其經濟性相對較差。

4.5.3小結

上述各類鍋爐排煙余熱利用方式均有各自的優缺點[3]，特別是其固有的缺點反映在技術可實施性、性價比等問題上，限制了其大規模采用。另外，鍋爐排煙因含有大量蒸汽，即使是已經實現了超低排放標準，但其煙囪出口往往存在“白煙”現象，特別是在冬季，因大量水汽與冷空氣迅速大量凝結成水，表現為更顯著地“白煙”現象，不少地方存在周邊群眾對該類污染提出異議的現象，因此要求鍋爐煙囪“消白”已經成為許多城市的環保政策要求。

煙氣噴淋換熱余熱回收技術，實現了針對燃煤鍋爐全新的鍋爐排煙余熱回收新機制，通過將煙氣余熱回收與鍋爐燃燒（排煙系統）的流程相結合，以排煙蒸汽或其凝結水作為載熱工質，構成了具有創新性的余熱利用型鍋爐燃燒及排煙換熱流程，實現了最大幅度的回收利用鍋爐排煙余熱。對于用于集中供暖等供熱循環水的回收溫度較低的供熱燃煤鍋爐，通常可提高鍋爐效率8%～13%。如，煤粉爐的原有鍋爐熱效率通常可達90%～93%，而通過對煙氣噴淋換熱余熱回收技術的應用，可將采暖期的鍋爐運行效率提高到98%～101%，實現供熱燃煤鍋爐領域跨越式的技術進步。另外，煙氣噴淋換熱余熱回收技術還可達到燃煤鍋爐排煙的消白效果，以及進一步降低煙氣中二氧化硫、氮氧化物和粉塵量的排放。

從以上比較可以看出，常規的直接換熱煙氣熱回收方式回收余熱量有限，不能滿足熱網供熱要求；吸收式熱泵方式則需耗費大量蒸汽方能回收煙氣余熱量，廠用蒸汽系統需做很大改動，且投資較大，經濟性較差。因此，這類工程采用新型鍋爐煙氣低溫排放與深度熱回收技術最為合適。

結語

流化床鍋爐作為一種高效、低污染的燃燒設備，其獨特的燃燒方式和較高的燃燒效率使得流化床鍋爐具有較高的能源回收潛力，在工業和電力領域得到了廣泛應用。通過進一步研究和開發，可以發現流化床鍋爐的余熱利用具有廣闊的應用前景和市場潛力。隨著環保要求的不斷提高和能源資源的日益緊張，流化床鍋爐的余熱利用技術將會成為今后能源節約和環境保護的重要方向之一。因此，需要加強流化床鍋爐余熱利用技術的研究和開發，提高其運行效率和應用范圍，以促進我國能源資源的有效利用和環境保護事業的可持續發展。

參考文獻

[1]呂夢菲，曹棟.復合相變換熱器在鍋爐排煙余熱深度利用中的應用研究[J].機械管理開發，2023，38（10）：223-226.

[2]王華利.煙氣余熱深度梯級利用方案分析[J]. 科技創新導報，2019，16（36）：92-93.

[3]王金旺.鍋爐排煙余熱回收利用的技術方案選擇探討[J].能源與節能，2020（09）：62-65，137.

作者簡介

付旭續（1989—），男，漢族，山東寧津人，工程師，大學本科，研究方向為市政熱力。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-03-28