節(jié)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(fā)展股份有限公司 貴州 561201）

引言

以我國(guó)目前的能源結(jié)構(gòu)來(lái)看，未來(lái)的走向則是富煤、貧油、少氣的結(jié)構(gòu)體系，可以看出，煤炭是我國(guó)目前主要的能源，燃煤企業(yè)作為煤炭與水資源消耗的大戶，在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)的同時(shí)也背負(fù)著節(jié)能減排的任務(wù)。燃煤煙氣經(jīng)濕法脫硫后會(huì)變?yōu)轱柡蜐駸煔?，聚集大量的水蒸氣與熱能，如果可以應(yīng)用技術(shù)手段回收燃煤濕煙氣中的水蒸氣與潛熱，并合理的應(yīng)用煙氣內(nèi)的潛熱，對(duì)于提升燃煤機(jī)組的熱效率，降低濕法脫硫系統(tǒng)的水能消耗有著十分重要的意義，還能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排的環(huán)保理念。

1.節(jié)能減排的理念背景

節(jié)能減排具有著廣義與狹義的定論劃分，對(duì)于廣義而言，節(jié)能減排就是對(duì)物質(zhì)資源的一種節(jié)約，降低廢棄物的排放；而狹義層面而言，節(jié)能減排是指節(jié)約能源與減少環(huán)境的有害物質(zhì)排放。節(jié)能減排也就是所謂的節(jié)約資源，有效降低能源的消耗，降低污染物的排放量，節(jié)能減排又涵蓋著節(jié)能與減排這兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，兩者之間相互關(guān)聯(lián)又存在區(qū)別，減排項(xiàng)目一直都在強(qiáng)調(diào)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，避免因?yàn)閱畏矫娴淖非鬁p排效果而形成一種能源消耗的反向增長(zhǎng)，還要時(shí)刻保障社會(huì)的效能。

2.燃煤煙氣中應(yīng)用環(huán)節(jié)及潛熱的回收技術(shù)

(1)加裝燃油節(jié)能器

經(jīng)燃油節(jié)能器的處理，碳?xì)浠衔飼?huì)在分子上呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)變化，細(xì)小的分子增加，分析間距就會(huì)變大，燃料的粘度就會(huì)持續(xù)下降，想要將燃煤煙氣中的潛熱進(jìn)行回收就需要對(duì)循環(huán)流化床爐的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行改造，燃油節(jié)能器的安裝能夠充分的在燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒，避免煙道內(nèi)的熱量消散，由于這樣能夠提高燃燒的效率，也就能夠節(jié)約油4.87%-6.10%。燃燒的設(shè)備燃油經(jīng)過(guò)節(jié)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(shè)備排放廢氣對(duì)空氣的污染。

(2)安裝冷凝型燃?xì)忮仩t節(jié)能器

燃?xì)忮仩t內(nèi)的排煙能夠達(dá)到18%的水蒸氣，這之中包含著大量的潛熱未被應(yīng)用，排煙的溫度高，顯熱的損失就會(huì)變大。在燃燒后繼續(xù)排放化合物，少量的二氧化碳等污染物也會(huì)被釋放。因此，安裝冷凝型的燃?xì)忮仩t節(jié)能設(shè)備，降低燃料消耗才是節(jié)能降低成本的最佳方式，而且回收高溫?zé)煔庵械哪芰?，能夠降低燃料的過(guò)度消耗，對(duì)節(jié)能與經(jīng)濟(jì)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(nèi)部增添噴淋換熱器和水處理的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的，冷媒水在噴淋管道內(nèi)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(huì)呈現(xiàn)飽和的狀態(tài)，隨后分離系統(tǒng)，冷媒水也就會(huì)被加熱而離開(kāi)系統(tǒng)。

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(duì)熱工計(jì)算的方法與熱換性能，因?yàn)榫哂休^高的熱換系數(shù)，此方法會(huì)與熱泵技術(shù)相互融合應(yīng)用，由于熱泵系統(tǒng)能夠?yàn)闊煔饨禍靥峁├淞縼?lái)源，對(duì)于回收煙氣當(dāng)中的水也能夠同步的實(shí)現(xiàn)潛熱的提質(zhì)與利用。與間接性冷凝法相比較，直接接觸冷凝法的優(yōu)點(diǎn)在于不存在傳熱面所引發(fā)的污垢熱阻現(xiàn)象，也沒(méi)有換熱后的表面腐蝕現(xiàn)象，熱傳與傳質(zhì)的整個(gè)環(huán)節(jié)能夠同時(shí)進(jìn)行，小溫差狀態(tài)下能夠有較高的傳熱效率。而缺點(diǎn)就在于會(huì)與煙氣直接接觸換熱，冷媒水就會(huì)被其污染，出現(xiàn)酸性、粉塵、石膏等物質(zhì)，對(duì)管道和熱利用設(shè)備產(chǎn)生一定的腐蝕現(xiàn)象。

3.計(jì)入潛熱的煙氣回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)及熱力學(xué)分析

(1)煙氣回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)

煙氣回?zé)岬难h(huán)系統(tǒng)中包括鍋爐煙氣余熱，主要是以預(yù)熱空氣、加熱凝結(jié)水、干燥煤等不同的方式而融合到熱力的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部。當(dāng)前，對(duì)于煙氣回?zé)嵯到y(tǒng)循環(huán)的研究都是以煙氣顯熱的有效回收與利用相關(guān)，煙氣內(nèi)所含的水分并沒(méi)有發(fā)生變化，會(huì)依然以氣態(tài)的形式出現(xiàn)，而回收利用的也僅僅是通過(guò)煙氣溫度降低所釋放出來(lái)的煙氣顯熱。

另外，空氣預(yù)熱器會(huì)采用省煤器的出口煙氣顯熱來(lái)不斷加熱，不可或缺的就是空氣條件，這樣就進(jìn)一步降低排煙的溫度，提升鍋爐的效率?？諝猱?dāng)中的預(yù)熱器出口煙氣溫度按照常規(guī)來(lái)說(shuō)，都會(huì)控制在120℃左右，而實(shí)際的排煙溫度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最初的設(shè)計(jì)值，伴隨著不斷嚴(yán)格的節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)，省煤器誕生。

(2)計(jì)入潛熱煙氣回?zé)嵝б嬗?jì)算分析

計(jì)入潛熱煙氣回?zé)嵝б媸遣捎缅仩t熱效率作為主要的定義來(lái)分析計(jì)入潛熱狀態(tài)下的煙氣回?zé)嵝б?，是一種操作依據(jù)。在鍋爐熱效率確定的標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)前鍋爐設(shè)計(jì)及熱效率實(shí)驗(yàn)中最常用的一種方法，主要是采用反平衡法引入低位發(fā)熱量的鍋爐熱效率，并引出高位發(fā)熱量下的鍋爐熱效率，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行潛熱煙氣回?zé)嵝б娴挠?jì)算。

在與煙氣顯熱回收系統(tǒng)的對(duì)照下，煙氣當(dāng)中的潛熱回收系統(tǒng)大大的增加了煙氣熱濕的轉(zhuǎn)換過(guò)程，也是煙氣絕熱的增濕環(huán)節(jié)與煙氣降溫冷凝的環(huán)節(jié)。面向煙氣絕熱增加濕度的同時(shí)，煙氣顯熱的轉(zhuǎn)換也能夠?yàn)闊煔夂瑵窳繋?lái)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(méi)有變化，因此在這樣的過(guò)程中，鍋爐內(nèi)部的熱效率依舊保持不變。

(3)燃煤鍋爐煙氣余熱回收技術(shù)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?xì)忮仩t和燃油鍋爐在回收的過(guò)程中不單單需要回收潛熱，也需要回收水蒸氣冷凝時(shí)的潛熱，不過(guò)對(duì)于燃煤鍋爐回收的潛熱技術(shù)加以分析下，主要會(huì)以加裝換熱器、冷凝鍋爐和熱管技術(shù)為主。

常規(guī)而言，在燃煤鍋爐中都會(huì)安裝一個(gè)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(huì)存在著一些不足之處，主要就是熱交換率極低，潛熱也無(wú)法很有效的得到回收利用，加裝換熱器的方式相對(duì)而言具有一個(gè)提升潛熱回收利用的良好效果，不過(guò)也僅僅適合用在一些中小型的燃煤鍋爐中。

熱管技術(shù)作為一種高效能的傳熱設(shè)備，主要就是以汽化潛熱傳遞能量。其液體會(huì)在工質(zhì)汽化狀態(tài)下吸收煙氣的廢熱，本身就會(huì)釋放大量的熱能，熱管的應(yīng)用就會(huì)促使傳熱效率升高，不需要增大外圍動(dòng)力，節(jié)能效果也很好，不過(guò)現(xiàn)如今的熱管技術(shù)仍然會(huì)受到一些基本條件的限制，就比如工質(zhì)材料的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)高，在價(jià)格方面也是不盡如人意。

煙氣中會(huì)含有大量的水蒸氣，水蒸氣含有大量的潛熱，常規(guī)中對(duì)于煙氣的回收并沒(méi)有達(dá)到一個(gè)潛熱的層面，也只是單一的回收潛熱，所產(chǎn)生的鍋爐熱效益也并不高，所以冷凝鍋爐技術(shù)的應(yīng)用就是能夠很好的改善這樣一個(gè)現(xiàn)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(dá)到節(jié)能減排的目的。

4.節(jié)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(zhì)的利用方法

煙氣潛熱回收中所應(yīng)用的閃蒸閃凝熱泵技術(shù)是一種較為新興的技術(shù)，閃蒸裝置在連接熱泵蒸發(fā)器后，就會(huì)自然而然的形成閃蒸閃凝系統(tǒng)，閃蒸閃凝系統(tǒng)不但能夠?yàn)闊煔饫淠龓?lái)穩(wěn)定性的冷源，還可以有效提取純凈煙氣冷凝水，熱泵系統(tǒng)會(huì)將回收的潛熱展開(kāi)分解提取，以此提高整體的能量與品質(zhì)，全面拓展并延伸煙氣當(dāng)中潛熱的利用形式?，F(xiàn)有的直接接觸型的冷凝器具有很大的換熱系數(shù)，換熱端的差值很小，甚至不存在換熱面會(huì)被腐蝕，在借鑒濕法脫硫塔內(nèi)和脫硫漿液逆流下，接觸型的換熱會(huì)與直接接觸的冷凝塔內(nèi)煙氣與冷卻水直接進(jìn)行熱形式的轉(zhuǎn)換。而通過(guò)閃蒸的方法會(huì)有效獲取到低溫漿液與高純度的閃蒸汽，經(jīng)過(guò)熱泵的合理回收潛熱，在進(jìn)行提質(zhì)利用，兩者相互結(jié)合最后形成煙氣潛熱的回收機(jī)制，也就是漿液閃蒸閃凝熱泵的煙氣潛熱回收系統(tǒng)。

(2)燃煤鍋爐煙氣潛熱回收技術(shù)的應(yīng)用

以最為常見(jiàn)的小型燃煤鍋爐為例，對(duì)燃煤鍋爐煙氣的潛熱回收展開(kāi)分析，能夠發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)部雖然安裝了省煤器，不過(guò)所產(chǎn)生的煙氣溫度就會(huì)升高，如果是將煙氣直接排放而不回收，就會(huì)產(chǎn)生極大的資源浪費(fèi)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(shù)回收水蒸氣資源，效果往往不足。其回收改造的設(shè)備成本相對(duì)很高，隨著水蒸氣含量的減少，能夠利用的價(jià)值極低，也就會(huì)呈現(xiàn)出事倍功半的效果。

關(guān)于燃煤鍋爐安裝換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，就是在原有的省煤器上加裝無(wú)壓換熱器。這樣促使煙氣經(jīng)過(guò)省煤器、無(wú)壓換熱器，之后才會(huì)進(jìn)入到除塵器或者是煙囪中。這之間的供水流程也產(chǎn)生了一定的變化，水發(fā)生軟化以后，一般就會(huì)先流入無(wú)壓換熱器，再流入到省煤器內(nèi)，最后是鍋筒。無(wú)壓換熱器的安裝方法主要是應(yīng)用橫水管交錯(cuò)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(wú)壓換熱器安裝在溫度極低的地方，會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間的低溫狀態(tài)下影響其換熱器的運(yùn)行能力，會(huì)遭到腐蝕，這也對(duì)換熱器的標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量提出了更高的要求，材質(zhì)方面不僅要耐得住低溫、腐蝕性、對(duì)于受熱面也要進(jìn)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(diǎn)溫度高，這樣才會(huì)更好的保障潛熱回收技術(shù)的應(yīng)用。

(3)煙氣中潛熱用于送粉回?zé)嵯到y(tǒng)的性能

在對(duì)空氣分級(jí)預(yù)熱方式的應(yīng)用下，能夠?qū)崿F(xiàn)煙氣中潛熱的合理利用，熱泵提質(zhì)下的煙氣潛熱會(huì)用在加熱的低溫空氣內(nèi)，采用原本就用于加熱低溫空氣的部分對(duì)煙氣余熱進(jìn)行加熱凝結(jié)水，大大的增強(qiáng)了排擠抽汽量的功能，煙氣中的潛熱能夠轉(zhuǎn)換出更高能級(jí)的煙氣余熱物質(zhì)，會(huì)用在加熱鍋爐給水環(huán)節(jié)中，以煙氣余熱的整體數(shù)量與質(zhì)量方面，同步的增加節(jié)能的效果。不過(guò)，因?yàn)榭諝庠谏郎貭顟B(tài)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(dāng)中的潛熱會(huì)用在加熱低溫的空氣中，絕大多數(shù)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(tǒng)內(nèi)部探尋出適合煙氣潛熱更具優(yōu)勢(shì)的利用方式，需要有效結(jié)合燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿墓ば颦h(huán)節(jié)，以煙氣中潛熱熱泵提質(zhì)的送粉回?zé)嵯到y(tǒng)為主要的方式，利用系統(tǒng)工藝中低階煤低溫的干燥裝置，有效建設(shè)煙氣內(nèi)潛熱的提質(zhì)送粉回?zé)嵯到y(tǒng)熱力學(xué)模式，通過(guò)該模式，能夠探尋出更多煙氣中潛熱的應(yīng)用途徑，并深度了解到熱泵提質(zhì)送粉回?zé)嵯到y(tǒng)對(duì)于燃煤企業(yè)熱力性能參數(shù)的影響。另外，煙氣內(nèi)潛熱的提質(zhì)送粉回?zé)嵯到y(tǒng)熱力學(xué)模式在性能上包含著原煤干燥過(guò)程的熱能消耗計(jì)算、熱經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算。

對(duì)常規(guī)的蒸汽回?zé)岣稍锵到y(tǒng)與煙氣中潛熱的熱泵提質(zhì)送粉回?zé)嵯到y(tǒng)機(jī)組展開(kāi)熱力性的計(jì)算與前期進(jìn)行對(duì)比，需要作出一定的假設(shè)，也就是機(jī)組需要運(yùn)用兩種干燥系統(tǒng)的原煤輸入率及過(guò)量空氣系統(tǒng)，這些都將作為機(jī)組原煤輸入率與過(guò)量空氣的參考依據(jù)，兩種干燥系統(tǒng)的煤粉在結(jié)果是以干燥相同的程度顯現(xiàn)，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(jī)胺碳的捕獲集成系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

燃煤煙氣是溫室氣體CO2最主要的排放源頭，我國(guó)目前大約有50%的CO2排放都源于燃煤煙氣中，采用有機(jī)胺溶液吸收煙氣當(dāng)中的CO2也是當(dāng)前最為常用的碳捕獲工藝。不過(guò)，因?yàn)椴东@集成系統(tǒng)的再生環(huán)節(jié)必須要從汽輪機(jī)內(nèi)抽取大量的蒸汽展開(kāi)解吸，較高的能源消耗也限制了技術(shù)的推廣。因此，要在常規(guī)的有機(jī)胺碳捕獲集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用煙氣中潛熱來(lái)降低碳捕獲抽汽，并以此角度提出應(yīng)用潛熱回收和有機(jī)胺碳的捕獲集成系統(tǒng)，其中涵蓋一級(jí)煙氣降溫冷凝的集成系統(tǒng)與兩級(jí)煙氣降溫冷凝的集成系統(tǒng)。有效的運(yùn)用Aspen Plus軟件對(duì)常規(guī)下的碳捕獲集成系統(tǒng)與集成系統(tǒng)展開(kāi)系統(tǒng)程序模擬，在與消耗能源進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)兩級(jí)煙氣降溫的冷凝集成系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終就會(huì)得到集成系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)運(yùn)行參數(shù)，在吸收到再生環(huán)節(jié)內(nèi)，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定同步的碳捕集能消耗，也為燃煤電廠的碳捕獲工程的節(jié)能減排工作實(shí)踐帶來(lái)了一定的參考。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，因?yàn)槭艿綗煔獾蜏馗g與積灰的影響，燃煤鍋爐的排煙溫度就會(huì)降低到80-95℃，這也證明仍然有大量的煙氣顯熱沒(méi)有得到有效的回收與利用，并且煙氣當(dāng)中的煤中水分蒸發(fā)與氫燃燒后形成的水蒸氣仍然會(huì)以氣態(tài)的形式存留，并且這當(dāng)中所夾帶的汽化潛熱也沒(méi)有得到有效的回收與利用，以至于高位發(fā)熱值的鍋爐熱效率持續(xù)降低，煙氣在以濕法脫硫后，脫硫漿液當(dāng)中的水分就會(huì)吸收煙氣顯熱，隨即蒸發(fā)，以至于煙氣溫度降低，濕度增長(zhǎng)，最終形成濕煙氣。對(duì)此，為了當(dāng)前節(jié)能減排的理念能夠順利施行并提升節(jié)能減排的效率，對(duì)于燃煤煙氣中潛熱的回收及利用需要了解送風(fēng)回?zé)嵯到y(tǒng)與送粉回?zé)嵯到y(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)經(jīng)濟(jì)型，最大程度上的提高回收效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的環(huán)保理念。