基于喷淋换热的烟气余热回收技术在余热供热领域中的应用

安航

摘  要：基于喷淋换热的烟气余热回收技术是通过“基于喷淋换热的烟气余热回收与减排一体化技术”结合“空塔喷淋”与“吸收式换热”，从而实现余热的深度回收利用，其在节能技术和余热供热领域中将发挥越来越重要的作用。文章介绍了基于喷淋换热的烟气余热回收技术原理、关键设备及其应用案例，为在不同工况下的余热回收利用提供参考。

关键词：喷淋换热;烟气余热回收;吸收式热泵;接触式换热器

中图分类号：X773 文献标志码：A 文章编号：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

能源是国民经济发展的物质基础，随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，我国对能源的需求量日益增大，经济和社会快速发展面临的能源约束矛盾。而在化工、冶金、制药、纺织、采油、电力等行业生产工艺过程中，随着生产的进行，往往有大量废蒸汽、废热水、废烟气等废热排放，这些废热排放不但浪费能源，还对环境造成热污染。所以若能通过一定的技术对其进行回收处理利用，将是一项有利国家、造福于民的工程。

基于喷淋换热的烟气余热回收技术通过“基于喷淋换热的烟气余热回收与减排一體化技术”结合“空塔喷淋”与“吸收式换热”，实现余热深度回收利用，其在节能技术和余热供热领域中将发挥越来越重要的作用。

1 基于喷淋换热的烟气余热回收技术介绍

1.1 基于喷淋换热的烟气余热回收技术原理

燃煤电厂产生的烟气在经过脱硫塔后，进入烟囱排放，最终排烟温度在 50℃～60℃之间，烟气蕴含大量的潜热，占燃料低位热值的7%左右，直接排放不仅带来了能源的浪费，而且由于湿度较高，会形成烟囱冒“白烟”现象。

一般热力站一次网回水温度为55℃左右，在电厂加热后送往热力站。若能够将烟气的余热用于加热热网回水，则能够显著提高锅炉本身的热效率。传统的燃煤烟气余热回收技术主要分为低压省煤器和空气预热器两类，这两类技术都是通过间壁式换热的方式，将锅炉省煤器出口至脱硫设备之间的烟气与锅炉给水或冷空气进行换热，回收部分烟气热量，但回水温度与烟气的温度品位相当，烟气余热并未得到有效回收;与此同时，由于燃煤烟气硫含量高、酸露点高的特点，这类技术面临比较严重的腐蚀问题，导致无法实现烟气的深度降温，因此需要采用更为科学的方式实现热回收。

湿法脱硫工艺的广泛应用为低品位的烟气余热回收技术带来了条件。经过湿法脱硫处理后，高温干烟气转变为低温饱和烟气，同时硫化物含量大大降低，腐蚀问题得以缓解。针对湿法脱硫工艺特点（低温、高湿），利用“基于喷淋换热的烟气余热回收与减排一体化技术”，结合“空塔喷淋技术（直接接触式换热）”及“吸收式换热技术”，实现低温烟气的深度余热回收利用。

燃煤烟气余热回收技术的基本流程如图1所示，在脱硫塔后新设一个直接接触式喷淋换热器，喷淋换热器可以直接替代部分烟道，也可以在主烟道上通过设置旁通阀的形式，与主烟道并联。烟气进入喷淋换热器之后，与其中的低温中介水直接接触换热，温度降低至露点以下，回收烟气中的潜热。降温后的烟气返回原烟道通过烟囱排放，而升温之后的中介水进入蓄水池，进行多层沉降，沉降后的清水一部分在循环泵的作用下进入吸收式热泵蒸发器作为低温热源，另一部分进入脱硫塔补水系统，作为补水返回脱硫塔，能够有效缓解湿法脱硫工艺为电厂带来的补水压力，而沉降产生的污水则进入原有的污水处理设施。吸收式热泵机组以高温热源驱动，从中介水中提取热量，提供给热用户，在热泵机组中降温的中介水再返回喷淋换热器，完成一整套循环。

在喷淋换热器中，由于烟气与低温中介水直接接触换热，在降温的同时，通过中介水对烟气的洗涤作用，还能够有效的降低烟气中 SO2、NOX以及粉尘浓度，减少最终排烟中污染物的排放。

采用上述余热回收技术，能够将湿烟气温度由脱硫塔出口的50℃～60℃降低至30℃左右，充分回收烟气中的热量，回收的热量用于加热热网回水;同时回收烟气中的冷凝水，作为脱硫塔补水利用，减少湿法脱硫的失水量，而且通过对排烟进行再次洗涤处理，减少约55%以上的SO2，8%以上的NOX排放，并显著降低排烟粉尘含量，从而同时达到节能、节水、减排的多重目的。

1.2 基于喷淋换热的烟气余热回收技术优势

基于喷淋换热的烟气余热回收技术的优势为：

（1）回收余热的同时减少污染物排放浓度，回收水分，实现节能、节水、减排三重功效。

（2）自动对中间循环水进行水处理，有效避免对设备产生腐蚀。

（3）烟气余热用于加热热网水，增加了锅炉热效率，减少了锅炉燃煤消耗，提高经济效益。

（4）冷凝水经水处理后可以回收利用，减少了排烟中水蒸气的含量，避免了冒“白烟”现象。

（5）可以在原热网回水管路上安装流量调

节阀，将热网回水引入余热回收机组。通过调节阀门，实现原始运行模式与余热回收模式之间的自由切换，对原供热系统并无影响。

（6）采用直接接触式换热器可以完美替代

间壁式换热器，解决间壁式换热器在应用过程中出现的诸多问题。

1.3 基于喷淋换热的烟气余热回收技术关键设备

1.3.1 关键设备一：溴化锂吸收式热泵

（1）溴化锂吸收式热泵原理

目前，溴化锂吸收式热泵余热回收技术以其高效节能和具有显著经济效益的特点，尤为引人注目。吸收式热泵以溴化锂溶液作为工质，对环境没有污染，不破坏大气臭氧层，而且具有高效节能的特点。溴化锂吸收式热泵可以回收利用各种低品位的余热或废热，达到节能减排的目的。吸收式热泵以高温热源驱动，把低温热源的热量传递给到需要的中温热源，从而提高系统能源的利用效率。

图2即为溴化锂吸收式热泵的工作原理图：热泵由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液热交换器、节流装置、溶液泵、冷剂泵等组成;为了提高机组的热力系数设有溶液热交换器;为了使装置能连续工作，使工质在各设备中进行循环，还装有屏蔽泵（溶液泵、冷剂泵）以及相应的连接管道、阀门等。

溴化锂吸收式热泵各部件主要功能如下：

发生器：高温热源在发生器内加热溴化锂溶液，溴化锂稀溶液被加热蒸发出水蒸气，水蒸气进入冷凝器，浓缩的溴化锂浓溶液流入吸收器。

冷凝器：水蒸气在冷凝器内冷凝放热，将热量传递给热网水，冷凝水通过压差流入蒸发器。

蒸发器：冷凝水在蒸发器内蒸发，吸收低温余热的热量变为水蒸气，水蒸气流入吸收器。

吸收器：从蒸发器流入吸收器的水蒸气被发生器流入吸收器的溴化锂浓溶液吸收，变为溴化锂稀溶液，吸收过程是放热过程，热量传递给热网水。

如图3所示，以蒸汽为驱动能源 QH，产生制冷效应，回收与锅炉烟气换热后的中介水热量 QL，加热热网回水。得到的有用热量（热网加热量）为消耗的高温热水热量和回收的余热量之和 QH+QL。

（2）本公司溴化锂吸收式热泵特性（见表1）

1.3.2 关键设备二：直接接触式换热器

（1）直接接触式换热器的研发背景

众所周知，燃煤锅炉排烟热损失是锅炉损失中的主要部分，烟气在经过脱硫塔后，进入烟囱排放，最终排烟温度在50℃～60℃之间，烟气蕴含大量的潜热。

但燃煤烟气含硫量高，腐蚀性强，采用常规换热技术必然带来严重的腐蚀问题。同时，燃煤烟气成分复杂，即使经过脱硫除尘后，烟气中仍含有部分粉尘，采用常规换热器也会存在换热面的污垢堆积问题，造成换热器堵塞，进而影响换热效果。基于上述问题，常规的换热技术无法适用于燃煤烟气的深度余热回收。为深度回收燃煤锅炉低温烟气，换热器的选择就成为重中之重。为此，我公司研发了直接接触式换热器，在深度回收烟气余热的同时，克服了燃煤烟气腐蚀性强、换热面污垢堆积等弊端。

（2）直接接触式换热器的特点及优势（见表2）

（3）直接接触式换热器除雾特性

a.除雾器采用屋脊式布置，能够增大流通截面积，降低迎面风速，减小液滴动能，强化除雾效果（布置图及模拟图见图4）。

b.除雾器挡叶片采用多次遮挡方式，高效除雾。

c.换热器经CFD流场计算，根据压力场、速度场、液滴分布场，确定除雾器的最佳布置方式，即有效除雾又能降低阻力。

d.换热器内采用降低烟气流速设计，流速低于3m/s，提高除雾效率。

e.除雾器经过严格实验测定，除雾效率能够达到99.2%以上。

2 典型案例

2.1 燃煤电厂项目

北郊热电厂有3台130t/h煤粉炉以及1台220t/h CFB锅炉，煤粉炉共用一座湿法脱硫塔，CFB锅炉单独一座湿法脱硫塔，经过湿法脱硫后两部分烟气汇合进入烟囱排放，总烟气量约为1150km3/h。在经过了现场考察和详细设计之后，对脱硫塔之后的部分烟道进行改造，新增两台喷淋换热器和一台热泵机组，项目改造投运后实现了系统烟气温度由45℃降低至38℃，回收烟气余热16MW。

2.2 燃气锅炉项目

2.2.1 北京永安热力燃气烟气余热回收项目

永安热力南环锅炉房锅炉容量为4台65t燃气热水型锅炉，采暖季承担周边小区的供暖任务。项目改造后，供热系统新增2台直燃型烟气余热回收机组，单台余热回收量4MW（供热量为10.4MW），热泵自带喷淋塔，每台锅炉烟道出口处又分别安装了单独的喷淋塔，热泵与锅炉烟气（热泵喷淋塔与热泵采用一体化设计）独立回收，互不干扰，便于调节与控制，实现了“一炉一塔一设计”的配置方式。

该项目投运后效果如下：

（1）排烟温度从65℃降至25℃，基本消除烟囱冒白烟现象。

（2）燃气利用热效率提高10.1%。

（3）二氧化硫排放降低55%，氮氧化物排放降低8%。

2.2.2 北京燕山石化星城锅炉房烟气余热回收项目

星城锅炉房装机容量为5台20t燃气热水锅炉，3用2备，采暖季承担燕化星城小区共97万平米供暖任务。本项目改造后，系统安装1台3MW烟气余热回收专用机组（含热泵本体，1台直接接触式喷淋换热器），原锅炉烟道分别安装5台锅炉烟气直接喷淋塔，吸收锅炉烟气中的余热。

该项目投运后效果如下：

（1）排烟温度从65℃降至30℃以下，基本消除烟囱冒白烟现象。

（2）燃气利用热效率提高10%以上。

（3）二氧化硫排放降低55%，氮氧化物排放降低8%。

2.3 大型燃气电厂项目

北京京能未来热电燃气烟气余热回收项目装机容量为250MW，其中燃气轮机为德国西门子“9E”型机组，额定容量166MW，额定排烟量为200万m3/h。在烟气余热回收项目改造中安装了4台余热回收量为12MW/台蒸汽型烟气余热回收机组及1台直接接触式喷淋换热器，项目改造投运后实现了回收烟氣余热量48MW，总供热量112MW。

3 结束语

余热回收项目的实施及采暖季的稳定运行，验证了系统流程设计的科学性、防腐方式的可行性及系统运行的稳定性、安全性;同时余热回收系统的应用也带来了巨大节能、节水、减排收益，体现余热回收技术的经济效益及社会效益。余热回收技术具备较高的实际应用价值，希望能推广使用，造福于民。

参考文献：

[1]戴永庆，郑玉清.溴化锂吸收式制冷机[M].北京：国防工业出版社，1980.

[2]戴永庆.溴化锂吸收式制冷技术及应用[M].北京：机械工业出版社，1996.

[3]戴永庆.燃气空调技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4]付林，李辉.天然气热电冷联供技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[5]江亿，付林.提高热电联产系统能效的途径[M].北京：高等教育出版社，2009.