基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術(shù)在余熱供熱領(lǐng)域中的應(yīng)用

安航

摘? 要：基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術(shù)是通過“基于噴淋換熱的煙氣余熱回收與減排一體化技術(shù)”結(jié)合“空塔噴淋”與“吸收式換熱”，從而實(shí)現(xiàn)余熱的深度回收利用，其在節(jié)能技術(shù)和余熱供熱領(lǐng)域中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。文章介紹了基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術(shù)原理、關(guān)鍵設(shè)備及其應(yīng)用案例，為在不同工況下的余熱回收利用提供參考。

關(guān)鍵詞：噴淋換熱;煙氣余熱回收;吸收式熱泵;接觸式換熱器

中圖分類號(hào)：X773 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）23-0163-04

Abstract： The flue gas waste heat recovery technology based on spray heat transfer is through the "integration technology of flue gas waste heat recovery and emission reduction based on spray heat transfer" combined with "empty tower spray" and "absorption heat transfer"， so as to realize the deep recovery and utilization of waste heat. Thismethod plays a more and more important role in the field of energy saving technology and waste heat heating. This paper introduces the principle， key equipment and application cases of flue gas waste heat recovery technology based on spray heat transfer， in order to provide reference for waste heat recovery and utilization under different working conditions.

Keywords： spray heat transfer; flue gas waste heat recovery; absorption heat pump; contact heat exchanger

前言

能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，我國(guó)對(duì)能源的需求量日益增大，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速發(fā)展面臨的能源約束矛盾。而在化工、冶金、制藥、紡織、采油、電力等行業(yè)生產(chǎn)工藝過程中，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，往往有大量廢蒸汽、廢熱水、廢煙氣等廢熱排放，這些廢熱排放不但浪費(fèi)能源，還對(duì)環(huán)境造成熱污染。所以若能通過一定的技術(shù)對(duì)其進(jìn)行回收處理利用，將是一項(xiàng)有利國(guó)家、造福于民的工程。

基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術(shù)通過“基于噴淋換熱的煙氣余熱回收與減排一體化技術(shù)”結(jié)合“空塔噴淋”與“吸收式換熱”，實(shí)現(xiàn)余熱深度回收利用，其在節(jié)能技術(shù)和余熱供熱領(lǐng)域中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

1 基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術(shù)介紹

1.1 基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術(shù)原理

燃煤電廠產(chǎn)生的煙氣在經(jīng)過脫硫塔后，進(jìn)入煙囪排放，最終排煙溫度在 50℃～60℃之間，煙氣蘊(yùn)含大量的潛熱，占燃料低位熱值的7%左右，直接排放不僅帶來(lái)了能源的浪費(fèi)，而且由于濕度較高，會(huì)形成煙囪冒“白煙”現(xiàn)象。

一般熱力站一次網(wǎng)回水溫度為55℃左右，在電廠加熱后送往熱力站。若能夠?qū)煔獾挠酂嵊糜诩訜釤峋W(wǎng)回水，則能夠顯著提高鍋爐本身的熱效率。傳統(tǒng)的燃煤煙氣余熱回收技術(shù)主要分為低壓省煤器和空氣預(yù)熱器兩類，這兩類技術(shù)都是通過間壁式換熱的方式，將鍋爐省煤器出口至脫硫設(shè)備之間的煙氣與鍋爐給水或冷空氣進(jìn)行換熱，回收部分煙氣熱量，但回水溫度與煙氣的溫度品位相當(dāng)，煙氣余熱并未得到有效回收;與此同時(shí)，由于燃煤煙氣硫含量高、酸露點(diǎn)高的特點(diǎn)，這類技術(shù)面臨比較嚴(yán)重的腐蝕問題，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)煙氣的深度降溫，因此需要采用更為科學(xué)的方式實(shí)現(xiàn)熱回收。

濕法脫硫工藝的廣泛應(yīng)用為低品位的煙氣余熱回收技術(shù)帶來(lái)了條件。經(jīng)過濕法脫硫處理后，高溫干煙氣轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏仫柡蜔煔?，同時(shí)硫化物含量大大降低，腐蝕問題得以緩解。針對(duì)濕法脫硫工藝特點(diǎn)（低溫、高濕），利用“基于噴淋換熱的煙氣余熱回收與減排一體化技術(shù)”，結(jié)合“空塔噴淋技術(shù)（直接接觸式換熱）”及“吸收式換熱技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)低溫?zé)煔獾纳疃扔酂峄厥绽谩?/p>

燃煤煙氣余熱回收技術(shù)的基本流程如圖1所示，在脫硫塔后新設(shè)一個(gè)直接接觸式噴淋換熱器，噴淋換熱器可以直接替代部分煙道，也可以在主煙道上通過設(shè)置旁通閥的形式，與主煙道并聯(lián)。煙氣進(jìn)入噴淋換熱器之后，與其中的低溫中介水直接接觸換熱，溫度降低至露點(diǎn)以下，回收煙氣中的潛熱。降溫后的煙氣返回原煙道通過煙囪排放，而升溫之后的中介水進(jìn)入蓄水池，進(jìn)行多層沉降，沉降后的清水一部分在循環(huán)泵的作用下進(jìn)入吸收式熱泵蒸發(fā)器作為低溫?zé)嵩?，另一部分進(jìn)入脫硫塔補(bǔ)水系統(tǒng)，作為補(bǔ)水返回脫硫塔，能夠有效緩解濕法脫硫工藝為電廠帶來(lái)的補(bǔ)水壓力，而沉降產(chǎn)生的污水則進(jìn)入原有的污水處理設(shè)施。吸收式熱泵機(jī)組以高溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)，從中介水中提取熱量，提供給熱用戶，在熱泵機(jī)組中降溫的中介水再返回噴淋換熱器，完成一整套循環(huán)。

在噴淋換熱器中，由于煙氣與低溫中介水直接接觸換熱，在降溫的同時(shí)，通過中介水對(duì)煙氣的洗滌作用，還能夠有效的降低煙氣中 SO2、NOX以及粉塵濃度，減少最終排煙中污染物的排放。

采用上述余熱回收技術(shù)，能夠?qū)駸煔鉁囟扔擅摿蛩隹诘?0℃～60℃降低至30℃左右，充分回收煙氣中的熱量，回收的熱量用于加熱熱網(wǎng)回水;同時(shí)回收煙氣中的冷凝水，作為脫硫塔補(bǔ)水利用，減少濕法脫硫的失水量，而且通過對(duì)排煙進(jìn)行再次洗滌處理，減少約55%以上的SO2，8%以上的NOX排放，并顯著降低排煙粉塵含量，從而同時(shí)達(dá)到節(jié)能、節(jié)水、減排的多重目的。

1.2 基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術(shù)優(yōu)勢(shì)

基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術(shù)的優(yōu)勢(shì)為：

（1）回收余熱的同時(shí)減少污染物排放濃度，回收水分，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水、減排三重功效。

（2）自動(dòng)對(duì)中間循環(huán)水進(jìn)行水處理，有效避免對(duì)設(shè)備產(chǎn)生腐蝕。

（3）煙氣余熱用于加熱熱網(wǎng)水，增加了鍋爐熱效率，減少了鍋爐燃煤消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

（4）冷凝水經(jīng)水處理后可以回收利用，減少了排煙中水蒸氣的含量，避免了冒“白煙”現(xiàn)象。

（5）可以在原熱網(wǎng)回水管路上安裝流量調(diào)

節(jié)閥，將熱網(wǎng)回水引入余熱回收機(jī)組。通過調(diào)節(jié)閥門，實(shí)現(xiàn)原始運(yùn)行模式與余熱回收模式之間的自由切換，對(duì)原供熱系統(tǒng)并無(wú)影響。

（6）采用直接接觸式換熱器可以完美替代

間壁式換熱器，解決間壁式換熱器在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的諸多問題。

1.3 基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備

1.3.1 關(guān)鍵設(shè)備一：溴化鋰吸收式熱泵

（1）溴化鋰吸收式熱泵原理

目前，溴化鋰吸收式熱泵余熱回收技術(shù)以其高效節(jié)能和具有顯著經(jīng)濟(jì)效益的特點(diǎn)，尤為引人注目。吸收式熱泵以溴化鋰溶液作為工質(zhì)，對(duì)環(huán)境沒有污染，不破壞大氣臭氧層，而且具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。溴化鋰吸收式熱泵可以回收利用各種低品位的余熱或廢熱，達(dá)到節(jié)能減排的目的。吸收式熱泵以高溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)，把低溫?zé)嵩吹臒崃總鬟f給到需要的中溫?zé)嵩?，從而提高系統(tǒng)能源的利用效率。

圖2即為溴化鋰吸收式熱泵的工作原理圖：熱泵由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液熱交換器、節(jié)流裝置、溶液泵、冷劑泵等組成;為了提高機(jī)組的熱力系數(shù)設(shè)有溶液熱交換器;為了使裝置能連續(xù)工作，使工質(zhì)在各設(shè)備中進(jìn)行循環(huán)，還裝有屏蔽泵（溶液泵、冷劑泵）以及相應(yīng)的連接管道、閥門等。

溴化鋰吸收式熱泵各部件主要功能如下：

發(fā)生器：高溫?zé)嵩丛诎l(fā)生器內(nèi)加熱溴化鋰溶液，溴化鋰稀溶液被加熱蒸發(fā)出水蒸氣，水蒸氣進(jìn)入冷凝器，濃縮的溴化鋰濃溶液流入吸收器。

冷凝器：水蒸氣在冷凝器內(nèi)冷凝放熱，將熱量傳遞給熱網(wǎng)水，冷凝水通過壓差流入蒸發(fā)器。

蒸發(fā)器：冷凝水在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，吸收低溫余熱的熱量變?yōu)樗魵?，水蒸氣流入吸收器?/p>

吸收器：從蒸發(fā)器流入吸收器的水蒸氣被發(fā)生器流入吸收器的溴化鋰濃溶液吸收，變?yōu)殇寤囅∪芤?，吸收過程是放熱過程，熱量傳遞給熱網(wǎng)水。

如圖3所示，以蒸汽為驅(qū)動(dòng)能源 QH，產(chǎn)生制冷效應(yīng)，回收與鍋爐煙氣換熱后的中介水熱量 QL，加熱熱網(wǎng)回水。得到的有用熱量（熱網(wǎng)加熱量）為消耗的高溫?zé)崴疅崃亢突厥盏挠酂崃恐?QH+QL。

（2）本公司溴化鋰吸收式熱泵特性（見表1）

1.3.2 關(guān)鍵設(shè)備二：直接接觸式換熱器

（1）直接接觸式換熱器的研發(fā)背景

眾所周知，燃煤鍋爐排煙熱損失是鍋爐損失中的主要部分，煙氣在經(jīng)過脫硫塔后，進(jìn)入煙囪排放，最終排煙溫度在50℃～60℃之間，煙氣蘊(yùn)含大量的潛熱。

但燃煤煙氣含硫量高，腐蝕性強(qiáng)，采用常規(guī)換熱技術(shù)必然帶來(lái)嚴(yán)重的腐蝕問題。同時(shí)，燃煤煙氣成分復(fù)雜，即使經(jīng)過脫硫除塵后，煙氣中仍含有部分粉塵，采用常規(guī)換熱器也會(huì)存在換熱面的污垢堆積問題，造成換熱器堵塞，進(jìn)而影響換熱效果?；谏鲜鰡栴}，常規(guī)的換熱技術(shù)無(wú)法適用于燃煤煙氣的深度余熱回收。為深度回收燃煤鍋爐低溫?zé)煔?，換熱器的選擇就成為重中之重。為此，我公司研發(fā)了直接接觸式換熱器，在深度回收煙氣余熱的同時(shí)，克服了燃煤煙氣腐蝕性強(qiáng)、換熱面污垢堆積等弊端。

（2）直接接觸式換熱器的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)（見表2）

（3）直接接觸式換熱器除霧特性

a.除霧器采用屋脊式布置，能夠增大流通截面積，降低迎面風(fēng)速，減小液滴動(dòng)能，強(qiáng)化除霧效果（布置圖及模擬圖見圖4）。

b.除霧器擋葉片采用多次遮擋方式，高效除霧。

c.換熱器經(jīng)CFD流場(chǎng)計(jì)算，根據(jù)壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、液滴分布場(chǎng)，確定除霧器的最佳布置方式，即有效除霧又能降低阻力。

d.換熱器內(nèi)采用降低煙氣流速設(shè)計(jì)，流速低于3m/s，提高除霧效率。

e.除霧器經(jīng)過嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)測(cè)定，除霧效率能夠達(dá)到99.2%以上。

2 典型案例

2.1 燃煤電廠項(xiàng)目

北郊熱電廠有3臺(tái)130t/h煤粉爐以及1臺(tái)220t/h CFB鍋爐，煤粉爐共用一座濕法脫硫塔，CFB鍋爐單獨(dú)一座濕法脫硫塔，經(jīng)過濕法脫硫后兩部分煙氣匯合進(jìn)入煙囪排放，總煙氣量約為1150km3/h。在經(jīng)過了現(xiàn)場(chǎng)考察和詳細(xì)設(shè)計(jì)之后，對(duì)脫硫塔之后的部分煙道進(jìn)行改造，新增兩臺(tái)噴淋換熱器和一臺(tái)熱泵機(jī)組，項(xiàng)目改造投運(yùn)后實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)煙氣溫度由45℃降低至38℃，回收煙氣余熱16MW。

2.2 燃?xì)忮仩t項(xiàng)目

2.2.1 北京永安熱力燃?xì)鉄煔庥酂峄厥枕?xiàng)目

永安熱力南環(huán)鍋爐房鍋爐容量為4臺(tái)65t燃?xì)鉄崴湾仩t，采暖季承擔(dān)周邊小區(qū)的供暖任務(wù)。項(xiàng)目改造后，供熱系統(tǒng)新增2臺(tái)直燃型煙氣余熱回收機(jī)組，單臺(tái)余熱回收量4MW（供熱量為10.4MW），熱泵自帶噴淋塔，每臺(tái)鍋爐煙道出口處又分別安裝了單獨(dú)的噴淋塔，熱泵與鍋爐煙氣（熱泵噴淋塔與熱泵采用一體化設(shè)計(jì)）獨(dú)立回收，互不干擾，便于調(diào)節(jié)與控制，實(shí)現(xiàn)了“一爐一塔一設(shè)計(jì)”的配置方式。

該項(xiàng)目投運(yùn)后效果如下：

（1）排煙溫度從65℃降至25℃，基本消除煙囪冒白煙現(xiàn)象。

（2）燃?xì)饫脽嵝侍岣?0.1%。

（3）二氧化硫排放降低55%，氮氧化物排放降低8%。

2.2.2 北京燕山石化星城鍋爐房煙氣余熱回收項(xiàng)目

星城鍋爐房裝機(jī)容量為5臺(tái)20t燃?xì)鉄崴仩t，3用2備，采暖季承擔(dān)燕化星城小區(qū)共97萬(wàn)平米供暖任務(wù)。本項(xiàng)目改造后，系統(tǒng)安裝1臺(tái)3MW煙氣余熱回收專用機(jī)組（含熱泵本體，1臺(tái)直接接觸式噴淋換熱器），原鍋爐煙道分別安裝5臺(tái)鍋爐煙氣直接噴淋塔，吸收鍋爐煙氣中的余熱。

該項(xiàng)目投運(yùn)后效果如下：

（1）排煙溫度從65℃降至30℃以下，基本消除煙囪冒白煙現(xiàn)象。

（2）燃?xì)饫脽嵝侍岣?0%以上。

（3）二氧化硫排放降低55%，氮氧化物排放降低8%。

2.3 大型燃?xì)怆姀S項(xiàng)目

北京京能未來(lái)熱電燃?xì)鉄煔庥酂峄厥枕?xiàng)目裝機(jī)容量為250MW，其中燃?xì)廨啓C(jī)為德國(guó)西門子“9E”型機(jī)組，額定容量166MW，額定排煙量為200萬(wàn)m3/h。在煙氣余熱回收項(xiàng)目改造中安裝了4臺(tái)余熱回收量為12MW/臺(tái)蒸汽型煙氣余熱回收機(jī)組及1臺(tái)直接接觸式噴淋換熱器，項(xiàng)目改造投運(yùn)后實(shí)現(xiàn)了回收煙氣余熱量48MW，總供熱量112MW。

3 結(jié)束語(yǔ)

余熱回收項(xiàng)目的實(shí)施及采暖季的穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證了系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)的科學(xué)性、防腐方式的可行性及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性;同時(shí)余熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用也帶來(lái)了巨大節(jié)能、節(jié)水、減排收益，體現(xiàn)余熱回收技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。余熱回收技術(shù)具備較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，希望能推廣使用，造福于民。

參考文獻(xiàn)：

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