文_張?chǎng)?北京首都機(jī)場(chǎng)節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司

1 政策和技術(shù)應(yīng)用背景

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，河北地區(qū)城市規(guī)模迅速擴(kuò)大，冬季供熱需求增長(zhǎng)迅猛，供熱機(jī)組原有的裝機(jī)容量已不能滿足城市集中供熱的需求。目前河北大部分地區(qū)（以縣城為主）集中供熱區(qū)域鍋爐房采用燃煤鍋爐，燃煤鍋爐排煙中蘊(yùn)含的熱量約占燃料熱值的4%～8%，燃煤鍋爐系統(tǒng)中普遍采用濕法脫硫技術(shù)降低煙氣硫化物排放，但是此工藝最終排放大量的含飽和水蒸氣的低溫?zé)煔?，不但損失大量余熱，而且造成水資源的浪費(fèi)，同時(shí)鍋爐煙囪上空由于煙氣中含有濕法脫硫后的石膏顆粒，與飽和水蒸氣預(yù)冷凝結(jié)，經(jīng)常產(chǎn)生“白色煙羽”，造成局部顆粒物濃度增加。

李鋒等于2015年提出將吸收式熱泵用于燃?xì)忮仩t的煙氣余熱回收技術(shù)，魏茂林等于2017年在熱電廠燃煤鍋爐余熱回收中提出新型燃煤低溫?zé)煔庥酂峄厥障到y(tǒng)，本文針對(duì)區(qū)域供熱燃煤熱水鍋爐煙氣余熱回收采取濕法脫硫后加裝凈煙氣換熱器，配置煙氣余熱利用系統(tǒng)對(duì)煙氣進(jìn)行余熱回收，既可以降低排煙溫度、脫除煙氣中石膏顆粒從而減少白色煙羽產(chǎn)生，又可以通過吸收式熱泵將煙氣余熱進(jìn)行回收利用提升鍋爐系統(tǒng)效率。從而實(shí)現(xiàn)了企業(yè)節(jié)能增效，又能夠增加現(xiàn)有供熱能力，提高城市供熱品質(zhì)，同時(shí)又符合政府打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)及鍋爐改造提升的切實(shí)要求。

2 技術(shù)原理

目前，國(guó)內(nèi)煤炭應(yīng)用各領(lǐng)域最廣泛采用的脫硫系統(tǒng)為石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中煙氣經(jīng)噴淋、脫硫等工藝后溫度從脫硫系統(tǒng)入口的110～130℃左右最終降低到50℃左右，再由煙囪排出，排放的煙氣與冷空氣結(jié)合形成“煙雨”，煙雨中會(huì)攜帶部分脫硫漿液及鹽排放至大氣中，造成環(huán)境的二次污染。

煙氣經(jīng)濕法脫硫后煙氣為飽和濕度煙氣，當(dāng)大氣環(huán)境溫度和濕度達(dá)到一定限制時(shí)，出口飽和濕度煙氣和大氣混合時(shí)經(jīng)過過飽和區(qū)，水蒸氣結(jié)露形成小液滴，便成了可視的白霧，俗稱“白煙”或“羽霧”。

煙氣“消白”工藝方法有以下幾種：

工藝方法一：在出口前直接加熱，相對(duì)濕度減小，使得出口排煙為均勻不飽和狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)消白煙效果。

工藝方法二：利用相對(duì)濕度較低氣體與排煙混合，使出口排煙落在未飽和區(qū)即實(shí)現(xiàn)消白煙。

工藝方法三：通過吸濕劑(固體/液體)吸收水蒸汽，降低含濕量，使出口排煙落在未飽和區(qū)即實(shí)現(xiàn)消白煙。

工藝方法四：通過冷凝減少排煙的水蒸汽含量，即降低含濕量，使出口排煙落在未飽和區(qū)即實(shí)現(xiàn)消白煙，詳見圖1。

圖1 降溫減濕法

對(duì)比以上實(shí)施工藝，工藝方法一采用加熱法直接對(duì)煙氣進(jìn)行升溫，當(dāng)溫度足夠高時(shí)白煙現(xiàn)象消除，但對(duì)污染物排放濃度的降低無(wú)任何提供。工藝方法二采用混合法將排煙狀態(tài)點(diǎn)變更，需要進(jìn)行較大規(guī)模的改造且增加了煙道的負(fù)荷；工藝方法三采用等焓減濕法吸收煙氣中的水蒸氣，降低含濕量，但對(duì)煙氣的余熱未做回收；工藝方法四采用降溫減濕法，通過冷凝煙氣中水蒸氣可實(shí)現(xiàn)回收余熱，同時(shí)降低污染物排放，且加熱只需要低溫?zé)嵩催M(jìn)行升溫即可。

本技術(shù)的原理就是工藝方法四，即在原有脫硫系統(tǒng)后增加降溫脫濕系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)排入煙囪的煙氣進(jìn)行降溫脫濕處理，降溫脫濕系統(tǒng)采用直接接觸式換熱方式，換熱過程中同時(shí)可以吸收部分煙氣中SO2、脫硫石膏、粉塵等污染物。

3 典型項(xiàng)目的系統(tǒng)解決方案

本項(xiàng)目位于河北省南部，該地區(qū)有一個(gè)集中供熱區(qū)域鍋爐房，供熱廠現(xiàn)有容量為29MW×2燃煤熱水鍋爐，2019～2020年度采暖季中實(shí)際供熱面積為113.24萬(wàn)m2。2019～2020年度采暖季熱源廠嚴(yán)寒期峰值輸出熱負(fù)荷為41.7MW，負(fù)荷率為71.8%（兩臺(tái)鍋爐）；其他時(shí)期，一臺(tái)鍋爐運(yùn)行至12月中旬，基本保持滿負(fù)荷狀態(tài)。

2020～2021年度采暖季預(yù)期的在網(wǎng)面積為152.46萬(wàn)m2，同比大幅增加，尚有將近20萬(wàn)m2因?yàn)楣釓S供熱能力不足暫時(shí)無(wú)法入網(wǎng)。2020～2021年度采暖嚴(yán)寒期的預(yù)計(jì)負(fù)荷率將超過97%，已經(jīng)是滿負(fù)荷狀態(tài)，這也是近20萬(wàn)m2無(wú)法入網(wǎng)的直接原因。同時(shí)，兩臺(tái)鍋爐同時(shí)運(yùn)行時(shí)間也會(huì)提前到11月底，從安全冗余度來說供熱廠的壓力也很大。這也是熱力公司方面在近兩年受制于環(huán)保壓力無(wú)法擴(kuò)容的情況下，迫切需要增加余熱回收裝置的訴求。本項(xiàng)目采用合同能源管理模式，由節(jié)能服務(wù)公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。

根據(jù)本項(xiàng)目業(yè)主提供相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，經(jīng)計(jì)算后，選擇使用一套降溫除濕換熱系統(tǒng)，設(shè)備參數(shù)如下：煙氣量16萬(wàn)m3，換熱量4.5MW，回收冷凝水量6t/h，噴淋循環(huán)水流量560t/h。

本系統(tǒng)工藝流程圖如圖2所示，主要分成煙氣余熱取熱系統(tǒng)、余熱換熱回收系統(tǒng)和電氣自控系統(tǒng)等部分。

圖2 系統(tǒng)工藝流程圖

煙氣余熱取熱系統(tǒng)包括噴淋取熱塔、耐酸的余熱水泵，初級(jí)水處理系統(tǒng)（沉淀水箱）和加藥系統(tǒng)。系統(tǒng)安裝于原有脫硫系統(tǒng)后，將經(jīng)脫硫處理后的煙氣，直接引至降溫除濕設(shè)備，煙氣經(jīng)降溫除濕后在返回原煙囪，直接排放。降溫除濕主要設(shè)備采用全玻璃鋼制成，內(nèi)設(shè)噴淋層，噴淋層及噴嘴均勻分布在塔內(nèi)，防止塔內(nèi)形成死角。系統(tǒng)在降溫脫濕系統(tǒng)出口設(shè)置循環(huán)水中和系統(tǒng)，用于調(diào)整循環(huán)水pH值，降低進(jìn)入換熱塔循環(huán)水酸性，同時(shí)循環(huán)水可對(duì)煙氣進(jìn)行再次凈化，進(jìn)一步降低煙氣中硫和粉塵的含量。

噴淋取熱塔的配置形式是根據(jù)供熱廠末端煙道情況結(jié)合實(shí)際安裝條件進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)優(yōu)化的，有的項(xiàng)目會(huì)采取單一鍋爐分煙道對(duì)一塔，有的則是兩臺(tái)鍋爐煙道分別對(duì)應(yīng)一塔（雙爐雙塔）模式，本項(xiàng)目采用的雙爐一塔（水箱和噴淋取熱塔一體式）模式。其中，噴淋塔取熱材質(zhì)考慮到煙氣冷凝水的腐蝕性，噴嘴材質(zhì)選用碳化硅，塔體的材質(zhì)采用玻璃鋼，玻璃鋼材質(zhì)拉伸強(qiáng)度高、耐腐蝕、絕熱性好，但玻璃鋼剛性較差，穩(wěn)定性低于316L不銹鋼，但是玻璃鋼通過加強(qiáng)工藝優(yōu)化等措施可提升性能，以合同能源管理項(xiàng)目的整體收益結(jié)合整體工藝特性考慮，采用玻璃鋼材質(zhì)是較好的平衡點(diǎn)。

系統(tǒng)可大量回收脫硫出口飽和濕煙氣的冷凝水，該部分冷凝水計(jì)劃用于脫硫工藝補(bǔ)水及沖渣補(bǔ)水，由于熱源廠運(yùn)行時(shí)間為4～5個(gè)月，運(yùn)行中離子濃度不會(huì)超標(biāo)，因此可以用于脫硫補(bǔ)水，只需將冷凝水pH值保證在6.2以上即可。脫硫工藝補(bǔ)水水質(zhì)要求詳見表1。

表1 濕法脫硫系統(tǒng)工藝水水質(zhì)要求

從上表分析可知，脫硫凈煙氣回收水pH值范圍在2.6～3.5之間，煙氣冷凝取水器回收的煙氣冷凝水水質(zhì)除pH值無(wú)法滿足脫硫系統(tǒng)工藝水水質(zhì)要求，需增加初級(jí)處理，將PH值調(diào)整后用于脫硫工藝補(bǔ)水及沖渣補(bǔ)水。

本系統(tǒng)采用直接接觸式換熱方式，換熱過程中同時(shí)可以吸收部分煙氣中SO2，因此余熱水內(nèi)含硫量較大，呈酸性，在選擇余熱水循環(huán)泵時(shí)需要考慮水泵耐酸性。余熱水管道系統(tǒng)，由于余熱水溫度不高，且酸性較強(qiáng)，故此余熱水管道全部采用玻璃鋼管道，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定管路走向路由。其他管道系統(tǒng)，均采用螺旋焊管或無(wú)縫鋼管，并使用玻璃巖棉保溫，外輔鍍鋅鐵皮保溫保護(hù)層。

余熱換熱回收系統(tǒng)是以熱水型吸收式熱泵（4.5MW）為核心，包括驅(qū)動(dòng)熱水循環(huán)泵。燃煤鍋爐設(shè)置煙氣余熱深度回收系統(tǒng)的主要問題是驅(qū)動(dòng)能源不好匹配，增設(shè)燃?xì)庠O(shè)施和電力增容都會(huì)帶來巨大的成本費(fèi)用，最合適的是使用鍋爐房出口的高溫一次水，但前提整個(gè)系統(tǒng)為大溫差系統(tǒng)，出水溫度盡量高，回水溫度盡量低。理論上回水溫度全采暖季要比脫硫出口溫度（45℃）低2～3℃。本項(xiàng)目的鍋爐房嚴(yán)寒期的供回水溫差將近80℃，初末寒期的供水溫度不會(huì)低于70℃，初末期供水溫度的高低對(duì)機(jī)組選型至關(guān)重要，設(shè)備廠家應(yīng)根據(jù)技術(shù)要求確保低溫情況下機(jī)組的效率和安全性。實(shí)際運(yùn)行對(duì)不同機(jī)組的對(duì)比，利用變頻水泵調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)熱源水流量的機(jī)組能效效果要優(yōu)于使用調(diào)節(jié)閥。

熱泵容量的選型關(guān)鍵在于鍋爐負(fù)荷的匹配，設(shè)計(jì)選型初期用主流品牌的多個(gè)機(jī)組在不同工況下進(jìn)行模擬運(yùn)行，得出按照鍋爐70%負(fù)荷當(dāng)成平均負(fù)荷率進(jìn)行考慮是合理的，再匹配相應(yīng)的噴淋水量。從同規(guī)模機(jī)組項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來看，燃煤鍋爐的煙氣余熱總量在鍋爐輸出熱負(fù)荷的7%～10%范圍內(nèi)，本項(xiàng)目選型的4.5MW按照56.10MW的8%選型，除了機(jī)組選型范圍在7%～10%之內(nèi)，同時(shí)確保峰值的鍋爐負(fù)荷不會(huì)超過90%，可以有效提高鍋爐房的整體安全性。核心熱泵機(jī)組設(shè)備中換熱管、水室和管板均采用鈦材質(zhì)加工，從而有效避免了余熱水側(cè)的腐蝕問題。

驅(qū)動(dòng)熱源循環(huán)泵的選擇，由于驅(qū)動(dòng)熱源為高溫?zé)崴谶x擇驅(qū)動(dòng)熱源循環(huán)泵時(shí)需考慮水泵耐高溫性能，同時(shí)考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性以及保證投產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)。

4 運(yùn)行效果

項(xiàng)目穩(wěn)定運(yùn)行兩個(gè)采暖季，總回收熱量超過7萬(wàn)GJ，日平均天取熱276GJ，高于預(yù)期的266GJ，機(jī)組運(yùn)行平均COP可以達(dá)到1.8以上，詳見圖3。

圖3 項(xiàng)目穩(wěn)定運(yùn)行采暖季回收熱量

5 結(jié)語(yǔ)

采用直接噴淋法對(duì)燃煤鍋爐濕法脫硫后煙氣進(jìn)行直接噴淋換熱，換熱效率高，有效降低排煙溫度，減少排煙污染物含量，同時(shí)凝結(jié)回收煙氣中飽和水蒸氣，減少煙氣中水分含量。

換熱塔內(nèi)噴嘴采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱多層布置，對(duì)各層噴嘴的霧化角度、水流量等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效增大噴淋水與鍋爐煙氣的接觸面積，提高換熱效率。

采用耐腐蝕的玻璃鋼材質(zhì)換熱塔及連接管路，以及耐酸工業(yè)泵及核心換熱部件采用鈦材質(zhì)的熱泵機(jī)組形成耐腐蝕的余熱水側(cè)循環(huán)系統(tǒng)，提升了工藝耐腐蝕性，保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)玻璃鋼及鈦材質(zhì)的運(yùn)用在保障工藝性能基礎(chǔ)上又有效平衡了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性較好，全采暖季平均每天取熱276GJ，高于預(yù)期的266GJ。

煙氣余熱深度回收項(xiàng)目在集中供熱燃?xì)忮仩t中應(yīng)用案例很多，但實(shí)施順利且平穩(wěn)運(yùn)行的燃煤鍋爐房煙氣消白和深度余熱回收項(xiàng)目在行業(yè)中并不多，多個(gè)煙氣余熱回收項(xiàng)目目前穩(wěn)定運(yùn)行且實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)效益，具有一定的先進(jìn)性?？蓮V泛應(yīng)用于三北地區(qū)的集中供熱鍋爐房，具有較高的市場(chǎng)推廣價(jià)值。