基于煙氣處理一體化的開式吸收熱泵技術及應用研究

徐敬玉

（昊姆（上海）節能科技有限公司，上海 200335）

0 引言

燃煤鍋爐煙氣脫硫以濕法為主，大多已滿足超低排放標準，但濕煙氣中含有大量水蒸氣和小液滴，直接排放浪費熱量，并加劇有色煙羽污染。傳統濕煙氣余熱回收有兩種方式：1）直接冷凝換熱，其受限于煙氣露點，無法同時兼顧余熱品質和余熱回收量，煙氣余熱回收率低；2）利用閉式吸收式熱泵技術，提升余熱品質，閉式吸收式熱泵技術突破溫度的限制，提高煙氣余熱回收率[1-3]。

閉式吸收熱泵通過中介水與煙氣換熱，吸濕性溶液不與煙氣直接接觸。對于煙氣而言，閉式吸收式熱泵技術本質上利用了溫差作為傳熱傳質的推動力，沒有充分利用溶液和煙氣水蒸氣分壓力差的推動力。在余熱源（煙氣）和冷源（供暖水）之間增加了額外的熱量傳遞環節，降低了余熱回收效率。閉式吸收式熱泵技術冷凝后的煙氣為過飽和濕煙氣，煙氣溫度低、抬升力小且擴散能力弱，不利于煙氣的排放及擴散，造成煙囪附近污染物富集（如CO2）。冷凝后的酸性液體，極易造成換熱器及煙囪腐蝕[4]。冷凝中生長的微小霧滴，從除霧器中逃逸，加劇有色煙羽污染和煙囪掛冰的風險。冷凝產生的煙氣酸性水，需增加水處理設施[5]。

針對閉式吸收熱泵回收煙氣余熱技術的弊端，出現了開式吸收熱泵技術用于煙氣余熱回收。開式吸收熱泵利用溶液直接噴淋吸收被處理廢氣中的水蒸氣，從而形成以“溶液-廢氣中水蒸氣”為工質對的開式吸收循環。濃溶液在開式吸收器中吸收廢氣水蒸氣，吸水吸熱后濃度降低變為高溫稀溶液，釋放熱量給工藝水后，稀溶液進入發生器，被驅動蒸氣加熱濃縮為濃溶液，濃溶液繼續進入開式吸收器進行下一個吸收循環，發生器中濃縮產生的二次蒸氣在冷凝器中被工藝水冷凝為液態水，回收利用。與閉式吸收熱泵相比，開式吸收熱泵省去了蒸發器，減少了有氣密性要求的設備數量，并能輸出全部的吸收熱和冷凝熱[6]。根據吸收過程的熱力學特征不同，開式吸收熱泵分為絕熱吸收型和定壓（內冷）吸收型，根據吸收器的結構不同，分為降膜吸收和噴淋+填料吸收，根據發生方式的不同，分為開式發生和閉式發生。適用于煙氣、烘干廢氣等大體量，低能量密度工業熱濕廢氣的系統型式一般為“噴淋+填料+絕熱吸收搭配閉式發生”的開式吸收熱泵循環[7]。

國內對開式吸收熱泵技術的研究大致分為三類。第一類是針對開式吸收熱泵熱力特性，特別是吸收器和發生器等設備的傳熱傳質機理和性能強化的研究。章秋平[8]研究討論了溶液濃度、溫度、流量、含濕量和填料類型等參數對吸收器、開式發生器性能的影響。路源等[9-10]研究了降膜吸收器和內冷型吸收器的傳熱傳質性能以及影響水回收率的因素。楊波等[11-13]提出一種新型全開式吸收式熱泵技術用于煙氣余熱回收，系統性能系數（Coefficirnt of Performance，COP）最高達到1.62，排煙露點最低達到36.2 ℃，相對濕度為62.4%。劉駿等[14]提出一種用于回收中低溫濕空氣潛熱的開式吸收熱泵系統，并分析了濕空氣入口溫度、氣液比、換熱器效率等參數對系統性能的影響。

第二類是將開式吸收熱泵與閉式吸收熱泵類比。對第二類熱泵、多級吸收、多級再生等循環展開的研究，魏璠等[15]對第二類開式吸收熱泵系統進行了設計和性能分析，研究表明，典型工況下系統COP為0.64。葉碧翠等[16]和吳勇平等[17]先后設計了第二類開式吸收熱泵和兩級開式吸收熱泵系統，第二類開式吸收熱泵以烘干機排氣余熱和太陽能熱水共同驅動，可以產生120 ℃的飽和蒸氣。針對兩級開式吸收熱泵建立熱力學模型以分析其性能，COP根據發生溫度的變化可達1.20～2.00，同等條件下，閉式吸收熱泵COP最高僅為1.41。ZHANG等[18]提出一種結合閃蒸的燃煤煙氣開式吸收循環系統，并設計了基于兩級再生和部分再生的優化系統，研究表明采用閃蒸技術可使系統COP提高了0.5%～2.2%。

第三類是針對開式吸收熱泵應用于煙氣節能環保協同治理的實驗研究及工程應用研究。徐敬玉等[19]提出了基于開式吸收熱泵循環的一種鍋爐煙氣的處理裝置及處理方法，通過溶液對煙氣的直接噴淋，吸收煙氣中的水分、粉塵及SO2等氣溶膠，進一步降低煙氣污染物排放，減輕白煙視覺污染，改善排煙效果；回收煙氣余熱，并成功實現工程應用。馮再濱[20]利用超重力旋轉填料床作為吸收器，研究發現，吸收器回收濕煙氣余熱的同時，對燃煤鍋爐粉塵具有良好的吸收效果，實驗條件下可將出口粉塵濃度降低至3.2 mg/m3，推薦超重因子在150左右，液氣比為1.0～1.6，既能有較好的余熱回收性能又能保證較高的煙塵脫除效率。

綜上所述，既有的開式吸收熱泵技術研究主要集中在開式吸收熱泵理論工況下熱力性能分析，缺少開式吸收熱泵應用于煙氣治理的工藝分析，和實際運行過程中的熱力性能分析以及溶液直接吸收后排煙狀態改變對環境影響的研究。

本文提出了一種基于煙氣處理一體化的開式吸收熱泵循環流程，分析該新型開式吸收熱泵工作特點和工藝先進性，通過工程項目評估該煙氣一體化處理技術對煙氣余熱回收、煙羽消白、脫硫及除塵的協同治理效果。

1 新型開式吸收熱泵工作原理

圖1所示為新型開式吸收熱泵工作原理及工藝流程。新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化工藝流程包括煙氣、驅動蒸氣、溶液和冷源4個工作過程。1）煙氣流程，煙氣進入吸收塔，被濃溶液噴淋吸收后，脫除煙氣中水分及粉塵，變為潔凈非飽和干煙氣排出，同時煙氣中水蒸氣被溶液吸收發生相變，釋放出汽化潛熱；2）驅動蒸氣流程，引低壓（高于0.1 MPa）蒸氣作為驅動熱源，在發生機組內加熱稀溶液，稀溶液濃縮為濃溶液，并產生二次蒸氣，驅動蒸氣放熱后凝結回到廠內除鹽水系統；3）冷源（供暖水）流程，50 ℃管網回水進入一體化系統，分別被吸收塔的換熱機組和發生機組的二次蒸氣兩級加熱后，升溫至90 ℃以上，供給熱網；4）溶液循環，濃溶液在吸收塔內吸收煙氣水分后變為稀溶液，稀溶液首先進入沉淀處理機組，進行加堿以及多級固液分離，分離出溶液中的固體顆粒物后，再進入發生系統濃縮，濃縮產生的濃溶液重新進入吸收塔進行下一個溶液循環。

圖1 新型開式吸收熱泵工作原理及工藝流程

2 新型開式吸收熱泵工藝特點

新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化工藝利用強吸濕性溶液直接噴淋煙氣，吸收煙氣水分及粉塵、SO2等氣溶膠，回收煙氣汽化潛熱，吸收后的煙氣為過熱狀態，無過飽和凝水、掛冰等次生災害，回收的水分為二次蒸氣蒸餾水，無廢水產生，可實現煙氣節能環保的協同治理。

吸收后的煙氣過熱度一般為10～20 ℃，利于煙氣排放。在溶液直接吸收和撞擊的捕集作用下，煙氣中水分、SO2和粉塵等組成的氣溶膠被吸收到溶液中，通過在溶液中添加堿劑，將生成的石膏沉淀、粉塵等固體物在沉淀處理機組中分離出來，維持溶液處于適中的含固率范圍。

新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化工藝以蒸餾水的方式回收水分，不產生污水，可直接作為供暖管網補水使用，減少軟水消耗。

與傳統閉式吸收熱泵工藝相比，雖然兩種工藝從煙氣中回收的余熱量相近，但傳統閉式吸收熱泵工藝屬于單一節能技術，新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化工藝在節能的同時，兼顧煙氣排放和水平衡，屬于節能環保協同治理技術。

3 工程應用效果

3.1 工程應用

浙江某電廠有三臺90 t/h和一臺75 t/h的燃煤循環流化床蒸氣鍋爐。脫硫工藝采用濕法脫硫，除塵采用電袋復合式除塵器+濕式電除塵器，排煙二氧化硫的含量小于35 mg/m3，粉塵的含量小于5 mg/m3。采用新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化工藝，對脫硫后濕煙氣進行節能環保協同治理：節能方面，回收余熱加熱除鹽水；環保方面，替代濕式電除塵，降低煙塵含量，進一步吸收二氧化硫含量，保證排煙中二氧化硫含量小于10 mg/m3，煙塵含量小于5 mg/m3，并且達到視覺消白效果。項目典型工況運行數據見表1。

表1 運行數據表

本項目采用昊姆（上海）節能科技有限公司自研復合吸收溶液，下文分析以同條件下氯化鈣溶液物性代替。項目投入運行后，穩定可靠，回收凈煙氣余熱11.1 MW，實測COP為1.85，高于同條件閉式吸收熱泵的額定COP。

3.2 煙氣消白理論分析

3.2.1 消白理論公式

除煙氣中殘留的粉塵、SO2、NOX和石膏雨等污染物外，有色煙羽主要是過飽和濕煙氣與環境空氣接觸后凝結的小液滴所造成的視覺現象，根據文獻[21]中混合過程線與飽和空氣線相切的白霧判定方法分析可知，同樣的環境條件下，煙氣的過熱度越高，與環境空氣混合后，越不容易產生白煙，所以提高煙氣過熱度可以有效消白。提高煙氣過熱度有兩個方向，降低露點溫度和提高干球溫度，相應工程上的措施即“冷凝+再熱”，但會產生煙氣先降溫后升溫的能量浪費。開式吸收一體化技術通過溶液除濕的方式可直接提高煙氣過熱度。下文首先分析溶液濃度和冷熱源條件對排煙過熱度的影響，然后根據不同季節消除視覺白煙的排煙過熱條件，獲得實際工程應用中，消除視覺白煙的溶液濃度和冷熱源關系。

3.2.2 溶液濃度對排煙過熱度的影響

根據表1的設計數據，在除鹽水溫度為20 ℃時，測算隨溶液濃度變化，吸收后煙氣的溫度、露點和過熱度（煙氣干球溫度減露點溫度）的變化如圖2所示。隨著溶液濃度提高，吸收后煙氣的干球溫度升高，露點溫度降低，過熱度增加，當溶液濃度低于30%時，煙氣過熱度低于3.5 ℃，干濕分離效果差，溶液濃度超過40%后，可保持煙氣過熱度在10 ℃以上。

圖2 煙氣出口參數隨吸收濃度的變化

3.2.3 冷熱源對排煙過熱度的影響

工程項目中，設備參數確定，除鹽水溫度和進口煙氣溫度是項目的變工況參數，隨季節和負荷變化而波動，要研究冷熱源對排煙過熱度的影響，只能通過調整溶液濃度的方法來實現?？蓪⑿滦烷_式吸收熱泵處理煙氣一體化工藝系統模型簡化為“黑匣子”，此“黑匣子”的傳熱推動力是進口煙氣和除鹽水的溫差，考慮吸收過程熱量與質量耦合傳遞，以進口煙氣和除鹽水的焓差為變量，分析出口煙氣過熱度的變化規律，其中煙氣和除鹽水的焓差表征不同冷熱源的組合。運行工況如表1，分別測算變濃度時，煙氣過熱度（圖3）和凈回收余熱量（圖4）的關系。

圖3 煙氣過熱度隨不同冷熱源組合和溶液濃度的變化

圖4 凈回收余熱隨不同冷熱源組合和溶液濃度的變化

冷熱源的焓差越大，排煙過熱度越低，但可吸收更多的余熱，排煙過熱度的提高是犧牲余熱為代價的。固定冷熱源組合下，提高溶液濃度，排煙過熱度和凈余熱回收量都會增大，對于已建成項目，濃度調節是可行的主動運行調整措施。當以消白為目的時，適當增加溶液濃度，余熱回收量可同時增大。運行工況如表1，提高5%濃度，余熱回收量增加13.9%，煙氣過熱度增加4.69 ℃；降低5%濃度，余熱回收量減少11.0%，煙氣過熱度減少4.4 ℃。

新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化技術在煙氣余熱回收的同時附帶的煙羽消白能力與余熱回收量為負相關，吸收產生的煙氣過熱度應作為消白的基礎過熱度，在環境惡劣時，適當增加煙氣再熱，達到視覺消白的目的。

3.3 消白協同治理效果

該項目典型運行工況如圖5所示，各工況的參數如表2所示。工況1和工況2環境溫濕度相似，但溶液濃度不同，導致排煙過熱度和消白效果有差異。工況3為冬季寒冷天氣，排煙過熱度高，但因為環境溫度低，需增加煙氣再熱作為輔助消白措施。

表2 各工況參數表

圖5 3種工況實景照片

工況1和工況2環境條件與排煙露點溫度基本相同，按照文獻[15]進行計算，工況1應實現視覺消白，但實際效果如工況1有明顯白煙，工況2工況，過熱度提高5.5 ℃至10.5 ℃后方能視覺消白，通過類似工況的收集分析，上述消白理論計算的煙氣消白溫度條件比實際低3～6 ℃。

工況3的環境溫度為0 ℃，相對濕度為65%，理論計算消白的煙氣溫度高于59 ℃，但實際工況下，通過增設再熱設備加熱煙氣至63 ℃（再熱量1.5 MW），方能消白。如采用純耗能的“冷凝+再熱”消白工藝，需將煙氣從34 ℃加熱至63 ℃，兩者對比，新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化技術吸收煙氣產生的14 ℃過熱度，可減少48%的煙氣再熱量。

3.4 脫硫、除塵協同治理效果

該項目投運后，濕式電除塵停運，煙氣進入新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化工藝系統的設計參數為SO2的含量低于35 mg/(N·m3)，煙塵的含量低于30 mg/(N·m3)。該項目出口煙氣自動監控系統實測排放SO2的含量為0.56～2.05 mg/(N·m3)，煙塵的含量為1.34～2.20 mg/(N·m3)，溶液在吸收塔內直接噴淋煙氣，降低SO2及粉塵的排放濃度效果顯著。該項目進口SO2在線檢測顯示SO2的含量為20.8～32.5 mg/(N·m3)，計算該項目小時平均深度脫硫效率為95.10%，如圖6所示。

圖6 新型開式吸收熱泵深度脫硫效率

新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化技術，直接吸收煙氣產生的過熱度，附帶了消白功能，但消白是以減少節能量為代價，在惡劣天氣，應適當補熱，達到節能與消白的雙重目的。在實測的區間內，消白需要的煙氣溫度比理論計算高3～6 ℃，需進一步研究。該項目中，在環境溫度不低于0 ℃時，新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化技術對比“冷凝+再熱”工藝，可節省48%～100%的消白再熱量。

4 結論

針對傳統煙氣處理技術問題，本文提出了一種基于開式吸收熱泵循環的煙氣處理一體化系統，通過對系統進行理論建模，分析了溶液濃度、冷熱源焓差等對煙氣過熱度和消白效果的影響，并通過工程項目實驗數據評估了該系統的工作性能，得出如下結論：

1）新型開式吸收熱泵比傳統閉式吸收熱泵節省了熱量傳遞環節，提高了余熱回收效率，實測COP不低于1.85；

2）新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化技術，回收余熱的同時，并能進一步降低SO2、粉塵的排放，對超低排放后SO2深度脫除效率為95.10%，是煙氣節能環保協同治理技術；

3）新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化技術在對煙氣進行節能環保一體化協同治理的同時，從煙氣中回收的水分為蒸餾水品質，不會產生污水，節約了水處理費用；

4）新型開式吸收熱泵處理煙氣一體化技術，具有良好的消白效果，隨著溶液濃度的提高，煙氣過熱度提高，有利于煙氣的排放，同一溶液濃度時，煙氣過熱度和余熱回收量為負相關，該項目中，在環境溫度不低于0 ℃時，該技術比“冷凝+再熱”工藝，節省48%～100%的消白再熱量。