節能減排理念下燃煤煙氣中潛熱的回收及利用路徑研究

＊張波 吳松

（貴州紅星發展股份有限公司 貴州 561201）

引言

以我國目前的能源結構來看，未來的走向則是富煤、貧油、少氣的結構體系，可以看出，煤炭是我國目前主要的能源，燃煤企業作為煤炭與水資源消耗的大戶，在實現生產目標的同時也背負著節能減排的任務。燃煤煙氣經濕法脫硫后會變為飽和濕煙氣，聚集大量的水蒸氣與熱能，如果可以應用技術手段回收燃煤濕煙氣中的水蒸氣與潛熱，并合理的應用煙氣內的潛熱，對于提升燃煤機組的熱效率，降低濕法脫硫系統的水能消耗有著十分重要的意義，還能夠實現節能減排的環保理念。

1.節能減排的理念背景

節能減排具有著廣義與狹義的定論劃分，對于廣義而言，節能減排就是對物質資源的一種節約，降低廢棄物的排放；而狹義層面而言，節能減排是指節約能源與減少環境的有害物質排放。節能減排也就是所謂的節約資源，有效降低能源的消耗，降低污染物的排放量，節能減排又涵蓋著節能與減排這兩個技術領域，兩者之間相互關聯又存在區別，減排項目一直都在強調節能技術的應用，避免因為單方面的追求減排效果而形成一種能源消耗的反向增長，還要時刻保障社會的效能。

2.燃煤煙氣中應用環節及潛熱的回收技術

(1)加裝燃油節能器

經燃油節能器的處理，碳氫化合物會在分子上呈現出結構變化，細小的分子增加，分析間距就會變大，燃料的粘度就會持續下降，想要將燃煤煙氣中的潛熱進行回收就需要對循環流化床爐的節能技術進行改造，燃油節能器的安裝能夠充分的在燃燒室內進行燃燒，避免煙道內的熱量消散，由于這樣能夠提高燃燒的效率，也就能夠節約油4.87%-6.10%。燃燒的設備燃油經過節能器處理之后，徹底消除了污染的黑煙，還能夠良好的回收潛熱，也大大降低了燃燒設備排放廢氣對空氣的污染。

(2)安裝冷凝型燃氣鍋爐節能器

燃氣鍋爐內的排煙能夠達到18%的水蒸氣，這之中包含著大量的潛熱未被應用，排煙的溫度高，顯熱的損失就會變大。在燃燒后繼續排放化合物，少量的二氧化碳等污染物也會被釋放。因此，安裝冷凝型的燃氣鍋爐節能設備，降低燃料消耗才是節能降低成本的最佳方式，而且回收高溫煙氣中的能力，能夠降低燃料的過度消耗，對節能與經濟效益有著十分明顯的作用。

(3)采用直接接觸的冷凝法

直接接觸的冷凝法也被稱作是噴淋冷凝法（如圖1所示），主要是利用煙道內部增添噴淋換熱器和水處理的設備來實現的，冷媒水在噴淋管道內以噴嘴逆流的方式噴到熱煙氣氣流中，兩種在接觸換熱之后，煙氣就會呈現飽和的狀態，隨后分離系統，冷媒水也就會被加熱而離開系統。

圖1 直接接觸的冷凝法示意圖

直接接觸冷凝法的研究主要是針對熱工計算的方法與熱換性能，因為具有較高的熱換系數，此方法會與熱泵技術相互融合應用，由于熱泵系統能夠為煙氣降溫提供冷量來源，對于回收煙氣當中的水也能夠同步的實現潛熱的提質與利用。與間接性冷凝法相比較，直接接觸冷凝法的優點在于不存在傳熱面所引發的污垢熱阻現象，也沒有換熱后的表面腐蝕現象，熱傳與傳質的整個環節能夠同時進行，小溫差狀態下能夠有較高的傳熱效率。而缺點就在于會與煙氣直接接觸換熱，冷媒水就會被其污染，出現酸性、粉塵、石膏等物質，對管道和熱利用設備產生一定的腐蝕現象。

3.計入潛熱的煙氣回熱循環系統及熱力學分析

(1)煙氣回熱循環系統

煙氣回熱的循環系統中包括鍋爐煙氣余熱，主要是以預熱空氣、加熱凝結水、干燥煤等不同的方式而融合到熱力的循環系統內部。當前，對于煙氣回熱系統循環的研究都是以煙氣顯熱的有效回收與利用相關，煙氣內所含的水分并沒有發生變化，會依然以氣態的形式出現，而回收利用的也僅僅是通過煙氣溫度降低所釋放出來的煙氣顯熱。

另外，空氣預熱器會采用省煤器的出口煙氣顯熱來不斷加熱，不可或缺的就是空氣條件，這樣就進一步降低排煙的溫度，提升鍋爐的效率。空氣當中的預熱器出口煙氣溫度按照常規來說，都會控制在120℃左右，而實際的排煙溫度會遠遠高于最初的設計值，伴隨著不斷嚴格的節能減排標準，省煤器誕生。

(2)計入潛熱煙氣回熱效益計算分析

計入潛熱煙氣回熱效益是采用鍋爐熱效率作為主要的定義來分析計入潛熱狀態下的煙氣回熱效益，是一種操作依據。在鍋爐熱效率確定的標準中，存在兩種方法，一種是正平衡法，一種則是反平衡法。而反平衡法是當前鍋爐設計及熱效率實驗中最常用的一種方法，主要是采用反平衡法引入低位發熱量的鍋爐熱效率，并引出高位發熱量下的鍋爐熱效率，并以此為基礎進行潛熱煙氣回熱效益的計算。

在與煙氣顯熱回收系統的對照下，煙氣當中的潛熱回收系統大大的增加了煙氣熱濕的轉換過程，也是煙氣絕熱的增濕環節與煙氣降溫冷凝的環節。面向煙氣絕熱增加濕度的同時，煙氣顯熱的轉換也能夠為煙氣含濕量帶來汽化潛熱的效果，煙氣的溫度雖然降低，但是煙氣中所包含的熱量卻沒有變化，因此在這樣的過程中，鍋爐內部的熱效率依舊保持不變。

(3)燃煤鍋爐煙氣余熱回收技術分析

在鍋爐的煙氣熱量中存在著顯熱與潛熱這兩種形式，在不同的鍋爐煙氣中所含的水蒸氣含量皆有不同，燃氣鍋爐和燃油鍋爐在回收的過程中不單單需要回收潛熱，也需要回收水蒸氣冷凝時的潛熱，不過對于燃煤鍋爐回收的潛熱技術加以分析下，主要會以加裝換熱器、冷凝鍋爐和熱管技術為主。

常規而言，在燃煤鍋爐中都會安裝一個省煤器，省煤器種類很多，像是板片式、肋管式、翅片式，但是這種裝置也會存在著一些不足之處，主要就是熱交換率極低，潛熱也無法很有效的得到回收利用，加裝換熱器的方式相對而言具有一個提升潛熱回收利用的良好效果，不過也僅僅適合用在一些中小型的燃煤鍋爐中。

熱管技術作為一種高效能的傳熱設備，主要就是以汽化潛熱傳遞能量。其液體會在工質汽化狀態下吸收煙氣的廢熱，本身就會釋放大量的熱能，熱管的應用就會促使傳熱效率升高，不需要增大外圍動力，節能效果也很好，不過現如今的熱管技術仍然會受到一些基本條件的限制，就比如工質材料的標準過高，在價格方面也是不盡如人意。

煙氣中會含有大量的水蒸氣，水蒸氣含有大量的潛熱，常規中對于煙氣的回收并沒有達到一個潛熱的層面，也只是單一的回收潛熱，所產生的鍋爐熱效益也并不高，所以冷凝鍋爐技術的應用就是能夠很好的改善這樣一個現象，將水蒸氣中的顯熱與潛熱加以良好的回收與利用，也能達到節能減排的目的。

4.節能減排理念下燃煤煙氣中潛熱的回收及利用

(1)閃蒸閃凝的煙氣中潛熱回收及熱泵提質的利用方法

煙氣潛熱回收中所應用的閃蒸閃凝熱泵技術是一種較為新興的技術，閃蒸裝置在連接熱泵蒸發器后，就會自然而然的形成閃蒸閃凝系統，閃蒸閃凝系統不但能夠為煙氣冷凝帶來穩定性的冷源，還可以有效提取純凈煙氣冷凝水，熱泵系統會將回收的潛熱展開分解提取，以此提高整體的能量與品質，全面拓展并延伸煙氣當中潛熱的利用形式。現有的直接接觸型的冷凝器具有很大的換熱系數，換熱端的差值很小，甚至不存在換熱面會被腐蝕，在借鑒濕法脫硫塔內和脫硫漿液逆流下，接觸型的換熱會與直接接觸的冷凝塔內煙氣與冷卻水直接進行熱形式的轉換。而通過閃蒸的方法會有效獲取到低溫漿液與高純度的閃蒸汽，經過熱泵的合理回收潛熱，在進行提質利用，兩者相互結合最后形成煙氣潛熱的回收機制，也就是漿液閃蒸閃凝熱泵的煙氣潛熱回收系統。

(2)燃煤鍋爐煙氣潛熱回收技術的應用

以最為常見的小型燃煤鍋爐為例，對燃煤鍋爐煙氣的潛熱回收展開分析，能夠發現，在內部雖然安裝了省煤器，不過所產生的煙氣溫度就會升高，如果是將煙氣直接排放而不回收，就會產生極大的資源浪費與污染。要知道煙氣中的水分含量并不多，如果單一的只采用冷凝技術回收水蒸氣資源，效果往往不足。其回收改造的設備成本相對很高，隨著水蒸氣含量的減少，能夠利用的價值極低，也就會呈現出事倍功半的效果。

關于燃煤鍋爐安裝換熱器設計時，就是在原有的省煤器上加裝無壓換熱器。這樣促使煙氣經過省煤器、無壓換熱器，之后才會進入到除塵器或者是煙囪中。這之間的供水流程也產生了一定的變化，水發生軟化以后，一般就會先流入無壓換熱器，再流入到省煤器內，最后是鍋筒。無壓換熱器的安裝方法主要是應用橫水管交錯排列的形式（如圖2所示）。

圖2 鍋爐潛熱回收流程示意圖

如果無壓換熱器安裝在溫度極低的地方，會在長時間的低溫狀態下影響其換熱器的運行能力，會遭到腐蝕，這也對換熱器的標準與質量提出了更高的要求，材質方面不僅要耐得住低溫、腐蝕性、對于受熱面也要進行改良，加大鋼管的整體粗度和厚度，并且還要保障換熱器的低端溫度能夠比煙氣的露點溫度高，這樣才會更好的保障潛熱回收技術的應用。

(3)煙氣中潛熱用于送粉回熱系統的性能

在對空氣分級預熱方式的應用下，能夠實現煙氣中潛熱的合理利用，熱泵提質下的煙氣潛熱會用在加熱的低溫空氣內，采用原本就用于加熱低溫空氣的部分對煙氣余熱進行加熱凝結水，大大的增強了排擠抽汽量的功能，煙氣中的潛熱能夠轉換出更高能級的煙氣余熱物質，會用在加熱鍋爐給水環節中，以煙氣余熱的整體數量與質量方面，同步的增加節能的效果。不過，因為空氣在升溫狀態下的吸熱量往往是有一定局限性的，也只有很少的一部分煙氣當中的潛熱會用在加熱低溫的空氣中，絕大多數的煙氣潛熱仍然得不到良好的回收與利用。因此，為了熱力系統內部探尋出適合煙氣潛熱更具優勢的利用方式，需要有效結合燃料化學能轉變為熱能的工序環節，以煙氣中潛熱熱泵提質的送粉回熱系統為主要的方式，利用系統工藝中低階煤低溫的干燥裝置，有效建設煙氣內潛熱的提質送粉回熱系統熱力學模式，通過該模式，能夠探尋出更多煙氣中潛熱的應用途徑，并深度了解到熱泵提質送粉回熱系統對于燃煤企業熱力性能參數的影響。另外，煙氣內潛熱的提質送粉回熱系統熱力學模式在性能上包含著原煤干燥過程的熱能消耗計算、熱經濟性的計算。

對常規的蒸汽回熱干燥系統與煙氣中潛熱的熱泵提質送粉回熱系統機組展開熱力性的計算與前期進行對比，需要作出一定的假設，也就是機組需要運用兩種干燥系統的原煤輸入率及過量空氣系統，這些都將作為機組原煤輸入率與過量空氣的參考依據，兩種干燥系統的煤粉在結果是以干燥相同的程度顯現，而在入爐之間的煤粉含水量平均在10%左右。

(4)煙氣中潛熱回收和有機胺碳的捕獲集成系統參數優化

燃煤煙氣是溫室氣體CO2最主要的排放源頭，我國目前大約有50%的CO2排放都源于燃煤煙氣中，采用有機胺溶液吸收煙氣當中的CO2也是當前最為常用的碳捕獲工藝。不過，因為捕獲集成系統的再生環節必須要從汽輪機內抽取大量的蒸汽展開解吸，較高的能源消耗也限制了技術的推廣。因此，要在常規的有機胺碳捕獲集成系統的基礎上，采用煙氣中潛熱來降低碳捕獲抽汽，并以此角度提出應用潛熱回收和有機胺碳的捕獲集成系統，其中涵蓋一級煙氣降溫冷凝的集成系統與兩級煙氣降溫冷凝的集成系統。有效的運用Aspen Plus軟件對常規下的碳捕獲集成系統與集成系統展開系統程序模擬，在與消耗能源進行對比，并對兩級煙氣降溫的冷凝集成系統內部的參數進行優化，最終就會得到集成系統的優質運行參數，在吸收到再生環節內，整個過程實現穩定同步的碳捕集能消耗，也為燃煤電廠的碳捕獲工程的節能減排工作實踐帶來了一定的參考。

5.結束語

綜上所述，因為受到煙氣低溫腐蝕與積灰的影響，燃煤鍋爐的排煙溫度就會降低到80-95℃，這也證明仍然有大量的煙氣顯熱沒有得到有效的回收與利用，并且煙氣當中的煤中水分蒸發與氫燃燒后形成的水蒸氣仍然會以氣態的形式存留，并且這當中所夾帶的汽化潛熱也沒有得到有效的回收與利用，以至于高位發熱值的鍋爐熱效率持續降低，煙氣在以濕法脫硫后，脫硫漿液當中的水分就會吸收煙氣顯熱，隨即蒸發，以至于煙氣溫度降低，濕度增長，最終形成濕煙氣。對此，為了當前節能減排的理念能夠順利施行并提升節能減排的效率，對于燃煤煙氣中潛熱的回收及利用需要了解送風回熱系統與送粉回熱系統的熱經濟性與技術經濟型，最大程度上的提高回收效率，實現節能減排的環保理念。