基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術在余熱供熱領域中的應用

安航

摘? 要：基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術是通過“基于噴淋換熱的煙氣余熱回收與減排一體化技術”結合“空塔噴淋”與“吸收式換熱”，從而實現余熱的深度回收利用，其在節能技術和余熱供熱領域中將發揮越來越重要的作用。文章介紹了基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術原理、關鍵設備及其應用案例，為在不同工況下的余熱回收利用提供參考。

關鍵詞：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：X773 文獻標志碼：A 文章編號：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

能源是國民經濟發展的物質基礎，隨著國民經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，我國對能源的需求量日益增大，經濟和社會快速發展面臨的能源約束矛盾。而在化工、冶金、制藥、紡織、采油、電力等行業生產工藝過程中，隨著生產的進行，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能源，還對環境造成熱污染。所以若能通過一定的技術對其進行回收處理利用，將是一項有利國家、造福于民的工程。

基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術通過“基于噴淋換熱的煙氣余熱回收與減排一體化技術”結合“空塔噴淋”與“吸收式換熱”，實現余熱深度回收利用，其在節能技術和余熱供熱領域中將發揮越來越重要的作用。

1 基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術介紹

1.1 基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術原理

燃煤電廠產生的煙氣在經過脫硫塔后，進入煙囪排放，最終排煙溫度在 50℃～60℃之間，煙氣蘊含大量的潛熱，占燃料低位熱值的7%左右，直接排放不僅帶來了能源的浪費，而且由于濕度較高，會形成煙囪冒“白煙”現象。

一般熱力站一次網回水溫度為55℃左右，在電廠加熱后送往熱力站。若能夠將煙氣的余熱用于加熱熱網回水，則能夠顯著提高鍋爐本身的熱效率。傳統的燃煤煙氣余熱回收技術主要分為低壓省煤器和空氣預熱器兩類，這兩類技術都是通過間壁式換熱的方式，將鍋爐省煤器出口至脫硫設備之間的煙氣與鍋爐給水或冷空氣進行換熱，回收部分煙氣熱量，但回水溫度與煙氣的溫度品位相當，煙氣余熱并未得到有效回收;與此同時，由于燃煤煙氣硫含量高、酸露點高的特點，這類技術面臨比較嚴重的腐蝕問題，導致無法實現煙氣的深度降溫，因此需要采用更為科學的方式實現熱回收。

濕法脫硫工藝的廣泛應用為低品位的煙氣余熱回收技術帶來了條件。經過濕法脫硫處理后，高溫干煙氣轉變為低溫飽和煙氣，同時硫化物含量大大降低，腐蝕問題得以緩解。針對濕法脫硫工藝特點（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”，結合“空塔噴淋技術（直接接觸式換熱）”及“吸收式換熱技術”，實現低溫煙氣的深度余熱回收利用。

燃煤煙氣余熱回收技術的基本流程如圖1所示，在脫硫塔后新設一個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置旁通閥的形式，與主煙道并聯。煙氣進入噴淋換熱器之后，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入蓄水池，進行多層沉降，沉降后的清水一部分在循環泵的作用下進入吸收式熱泵蒸發器作為低溫熱源，另一部分進入脫硫塔補水系統，作為補水返回脫硫塔，能夠有效緩解濕法脫硫工藝為電廠帶來的補水壓力，而沉降產生的污水則進入原有的污水處理設施。吸收式熱泵機組以高溫熱源驅動，從中介水中提取熱量，提供給熱用戶，在熱泵機組中降溫的中介水再返回噴淋換熱器，完成一整套循環。

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，通過中介水對煙氣的洗滌作用，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，能夠將濕煙氣溫度由脫硫塔出口的50℃～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回水;同時回收煙氣中的冷凝水，作為脫硫塔補水利用，減少濕法脫硫的失水量，而且通過對排煙進行再次洗滌處理，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，從而同時達到節能、節水、減排的多重目的。

1.2 基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術優勢

基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術的優勢為：

（1）回收余熱的同時減少污染物排放濃度，回收水分，實現節能、節水、減排三重功效。

（2）自動對中間循環水進行水處理，有效避免對設備產生腐蝕。

（3）煙氣余熱用于加熱熱網水，增加了鍋爐熱效率，減少了鍋爐燃煤消耗，提高經濟效益。

（4）冷凝水經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”現象。

（5）可以在原熱網回水管路上安裝流量調

節閥，將熱網回水引入余熱回收機組。通過調節閥門，實現原始運行模式與余熱回收模式之間的自由切換，對原供熱系統并無影響。

（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用過程中出現的諸多問題。

1.3 基于噴淋換熱的煙氣余熱回收技術關鍵設備

1.3.1 關鍵設備一：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以其高效節能和具有顯著經濟效益的特點，尤為引人注目。吸收式熱泵以溴化鋰溶液作為工質，對環境沒有污染，不破壞大氣臭氧層，而且具有高效節能的特點。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，達到節能減排的目的。吸收式熱泵以高溫熱源驅動，把低溫熱源的熱量傳遞給到需要的中溫熱源，從而提高系統能源的利用效率。

圖2即為溴化鋰吸收式熱泵的工作原理圖：熱泵由發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器、溶液熱交換器、節流裝置、溶液泵、冷劑泵等組成;為了提高機組的熱力系數設有溶液熱交換器;為了使裝置能連續工作，使工質在各設備中進行循環，還裝有屏蔽泵（溶液泵、冷劑泵）以及相應的連接管道、閥門等。

溴化鋰吸收式熱泵各部件主要功能如下：

發生器：高溫熱源在發生器內加熱溴化鋰溶液，溴化鋰稀溶液被加熱蒸發出水蒸氣，水蒸氣進入冷凝器，濃縮的溴化鋰濃溶液流入吸收器。

冷凝器：水蒸氣在冷凝器內冷凝放熱，將熱量傳遞給熱網水，冷凝水通過壓差流入蒸發器。

蒸發器：冷凝水在蒸發器內蒸發，吸收低溫余熱的熱量變為水蒸氣，水蒸氣流入吸收器。

吸收器：從蒸發器流入吸收器的水蒸氣被發生器流入吸收器的溴化鋰濃溶液吸收，變為溴化鋰稀溶液，吸收過程是放熱過程，熱量傳遞給熱網水。

如圖3所示，以蒸汽為驅動能源 QH，產生制冷效應，回收與鍋爐煙氣換熱后的中介水熱量 QL，加熱熱網回水。得到的有用熱量（熱網加熱量）為消耗的高溫熱水熱量和回收的余熱量之和 QH+QL。

（2）本公司溴化鋰吸收式熱泵特性（見表1）

1.3.2 關鍵設備二：直接接觸式換熱器

（1）直接接觸式換熱器的研發背景

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

但燃煤煙氣含硫量高，腐蝕性強，采用常規換熱技術必然帶來嚴重的腐蝕問題。同時，燃煤煙氣成分復雜，即使經過脫硫除塵后，煙氣中仍含有部分粉塵，采用常規換熱器也會存在換熱面的污垢堆積問題，造成換熱器堵塞，進而影響換熱效果。基于上述問題，常規的換熱技術無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煙氣，換熱器的選擇就成為重中之重。為此，我公司研發了直接接觸式換熱器，在深度回收煙氣余熱的同時，克服了燃煤煙氣腐蝕性強、換熱面污垢堆積等弊端。

（2）直接接觸式換熱器的特點及優勢（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，降低迎面風速，減小液滴動能，強化除霧效果（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CFD流場計算，根據壓力場、速度場、液滴分布場，確定除霧器的最佳布置方式，即有效除霧又能降低阻力。

d.換熱器內采用降低煙氣流速設計，流速低于3m/s，提高除霧效率。

e.除霧器經過嚴格實驗測定，除霧效率能夠達到99.2%以上。

2 典型案例

2.1 燃煤電廠項目

北郊熱電廠有3臺130t/h煤粉爐以及1臺220t/h CFB鍋爐，煤粉爐共用一座濕法脫硫塔，CFB鍋爐單獨一座濕法脫硫塔，經過濕法脫硫后兩部分煙氣匯合進入煙囪排放，總煙氣量約為1150km3/h。在經過了現場考察和詳細設計之后，對脫硫塔之后的部分煙道進行改造，新增兩臺噴淋換熱器和一臺熱泵機組，項目改造投運后實現了系統煙氣溫度由45℃降低至38℃，回收煙氣余熱16MW。

2.2 燃氣鍋爐項目

2.2.1 北京永安熱力燃氣煙氣余熱回收項目

永安熱力南環鍋爐房鍋爐容量為4臺65t燃氣熱水型鍋爐，采暖季承擔周邊小區的供暖任務。項目改造后，供熱系統新增2臺直燃型煙氣余熱回收機組，單臺余熱回收量4MW（供熱量為10.4MW），熱泵自帶噴淋塔，每臺鍋爐煙道出口處又分別安裝了單獨的噴淋塔，熱泵與鍋爐煙氣（熱泵噴淋塔與熱泵采用一體化設計）獨立回收，互不干擾，便于調節與控制，實現了“一爐一塔一設計”的配置方式。

該項目投運后效果如下：

（1）排煙溫度從65℃降至25℃，基本消除煙囪冒白煙現象。

（2）燃氣利用熱效率提高10.1%。

（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目

星城鍋爐房裝機容量為5臺20t燃氣熱水鍋爐，3用2備，采暖季承擔燕化星城小區共97萬平米供暖任務。本項目改造后，系統安裝1臺3MW煙氣余熱回收專用機組（含熱泵本體，1臺直接接觸式噴淋換熱器），原鍋爐煙道分別安裝5臺鍋爐煙氣直接噴淋塔，吸收鍋爐煙氣中的余熱。

該項目投運后效果如下：

（1）排煙溫度從65℃降至30℃以下，基本消除煙囪冒白煙現象。

（2）燃氣利用熱效率提高10%以上。

（3）二氧化硫排放降低55%，氮氧化物排放降低8%。

2.3 大型燃氣電廠項目

北京京能未來熱電燃氣煙氣余熱回收項目裝機容量為250MW，其中燃氣輪機為德國西門子“9E”型機組，額定容量166MW，額定排煙量為200萬m3/h。在煙氣余熱回收項目改造中安裝了4臺余熱回收量為12MW/臺蒸汽型煙氣余熱回收機組及1臺直接接觸式噴淋換熱器，項目改造投運后實現了回收煙氣余熱量48MW，總供熱量112MW。

3 結束語

余熱回收項目的實施及采暖季的穩定運行，驗證了系統流程設計的科學性、防腐方式的可行性及系統運行的穩定性、安全性;同時余熱回收系統的應用也帶來了巨大節能、節水、減排收益，體現余熱回收技術的經濟效益及社會效益。余熱回收技術具備較高的實際應用價值，希望能推廣使用，造福于民。

參考文獻：

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