湿烟气除湿技术的研究现状

张宁，孙文哲

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

当前我国湿法脱硫，富氧燃烧[1]，天然气锅炉烟气余热回收等领域都涉及了烟气除湿。湿烟气除湿技术的发展无疑对节约能源和环境保护带来重要作用。烟气除湿技术主要有冷凝除湿、溶液除湿、膜除湿、旋流板除湿[2]、增压除湿、联合除湿。本文讨论了上述除湿技术在烟气除湿领域的研究和应用进展。

1 烟气冷凝除湿

1.1 直接接触式烟气冷凝除湿

刘华等[3]基于直接喷淋冷凝喷淋换热，采用实验的方式研究了对于烟气冷凝效率的影响因素，结果表明，喷淋高度、液滴直径水气比是影响烟气冷凝的主要因素。

何静等[4]通过数值模拟和实验的方式研究了降膜直接接触式烟气冷凝装置，该装置在空喷淋塔内布置多块竖直降膜板，烟气与液膜进行逆流热质交换，结果表明，在喷淋水量为500 L/h，喷淋水温度为14 ℃，模拟湿烟气温度为60～75 ℃情况下与空塔喷淋相比提高了20.0%～23.3%的烟气冷凝率。

赵策等[5]依托煤燃烧国家重点实验室35 MV碳捕获实验平台，运用FLUENT进行流体计算模拟，研究了直接接触式烟气冷凝除湿装置的冷却水的初始温度、喷淋流量、喷淋角度以及冷凝器腔室的尺寸等因素对于处理富氧燃烧过程的烟气水蒸气冷凝的影响，结果表明，冷凝器直径在3 m和高度大于11 m以及直径3.5 m和高度大于12 m时出口水蒸气体积浓度从17%降低到低于5%。

随着天然气锅炉在国内的普及，针对于天然气锅炉烟气的冷凝除湿很多学者做出了研究。

付林等[6]提出通过吸收式热泵处理天燃气锅炉烟气这一技术，将天然气锅炉产生的烟气作为吸收式热泵的低温热源，并通过直接接触的方式与低温冷却水进行传质传热,烟气冷凝除湿效果显著。李峰等[7]在此基础上实施了工程案例，对29 MW 的天燃气锅炉进行供热改造并进行工程实测，结果表明，当该装置满负荷运行时，烟气温度从44～77 ℃被冷凝到18～37 ℃，凝结水量可达3.11 t/h。

Kuck J等[8]提出一种针对于天然气锅炉的直接接触式的空气加湿型烟气冷凝技术，该装置以加湿后的助燃空气作为低温介质与高温烟气通过直接接触的方式冷凝烟气，与传统烟气冷凝方式相比，在冷却介质的温度相同情况下可增加更多的烟气水蒸气的冷凝量。

直接接触式冷凝除湿技术较小的传热效率和较高传热效率，但是冷凝设备会面临酸性液体的腐蚀问题，冷凝介质也会面临烟气带来的污染问题。因此设备的防腐蚀以及冷却介质的净化问题不能忽视。

1.2 间接接触式烟气冷凝除湿

与直接接触相比，间接接触技术不存在传质过程，张亮等[9]指出相较于直接接触式冷凝除湿，间接接触技术的换热效率较低，并且对换热器的耐腐蚀性防堵性的要求较高，但是对部分需要保证冷却水稳流的情况来讲，该技术有着较大优势。

Levy E等[10]通过实验证明了烟气冷凝效率与冷却水温及流量、烟气流量和其含湿量、换热器尺寸结构有重要关系。

陈林等[11]结合1 000 MW发电机组对比分析了两种不同结构的间壁式塑料冷凝换热器的换热性能，实验结果表明，两种结构的换热器均可以使烟气温度从123 ℃降低至80 ℃，烟气流量4 362 784 m3/h情况下凝结水流量为941.2 t/h。

王随林等[12-13]自述研发了耐腐蚀、高效、低阻烟气冷凝装置，该技术基于间壁式换热器进行烟气冷凝除湿，在对北京29 MW燃气热水供热锅炉改造时，在额定负荷的87%状态下，烟气从56 ℃下降到30 ℃，烟气冷凝水65.8 t/d，系统烟气除水除雾率为66.4%，在对乌鲁木齐2台70 MW燃气热水锅炉进行改造实验，额定工况下 172.2 ℃的烟气可以降低到39.7 ℃，冷凝水量为157 t/d，同时指出间壁式烟气冷凝技术的关键在于提高换热器的防腐蚀能力以及控制低温热源温度。

2 烟气溶液除湿

由于除湿溶液与烟气的水蒸气分压不同，因此便形成了传质动力，在溶液被稀释的过程中，水蒸气释放潜热，烟气温度下降，含湿量下降。稀释溶液经过加热浓缩后可循环使用。

Folkedahl等[14]研究了CaCl2溶液在喷淋过程中对烟气的除湿能力，结果表明，其除湿能力出色，且溶液pH对处理烟气中的酸性物质有密切影响。

魏璠等[15]采取实验对比分析了CaCl2溶液除湿和直接接触式冷却水喷淋除湿的烟气除湿性能，结果表明，CaCl2溶液除湿所需要的循环量是相同除湿效果下直接接触式用水量的1/5。

路源等[16]通过燃气轮机实验，研究证明了CaCl2溶液在烟气除湿方面的能力远强于喷淋水直接接触冷凝，通过模拟烟气的方法研究了CaCl2溶液浓度等对烟气除湿能力的影响，结果表明，在合适范围内提高CaCl2溶液浓度，可以增强吸收效果，烟气温度和含湿量的增加会降低除湿效果，同时应注意溶液产生结晶等问题。

吕扬等[17-18]通过对比实验，研究了CaCl2溶液在绝热型管内降膜进行烟气除湿的性能，结果表明，CaCl2溶液的除湿效率在48%～69%，同情况下冷却水冷凝的除湿效率只有21%～48%。溶液除湿技术主要应用在处理煤燃烧后湿法脱硫后的烟气除湿处理，其它领域的烟气除湿处理应用溶液除湿技术较少，且除湿目的主要是消除白色烟羽，在天然气锅炉烟气冷凝回收余热方面的研究尚不深入。

3 烟气膜除湿

烟气膜除湿是一种不需要额外冷却介质的一种除湿方式，随着膜材料的发展与膜技术的逐步发展，膜除湿技术也在逐步完善。膜冷凝除湿技术主要利用具有疏水性的无孔膜或微孔膜的高选择透过特性，以膜两侧的水蒸气分压差为动力，实现烟气除湿。

Sijbesma等[19]使用聚醚嵌段酰胺和聚醚酮制备了复合微滤中空纤维膜，并实验研究了对烟气除湿性能，结果表明，在5 300 h的真实烟气实验中，烟气除湿速度为0.2～0.46 kg/(m2·h)，同时发现烟气中的杂质会降低膜的烟气除湿速度，在150 h的模拟烟气测试中，烟气除湿速度为0.6～1 kg/(m2·h)。

Zhao等[20]研究了新型管状陶瓷膜冷凝器从烟气中回收冷凝水，研究了烟气和冷却水水流速、温度、烟气含湿量等因素对膜除湿的影响，研究表明，烟气流速增加会降低膜的除湿能力，烟气含湿量的增加可以显著提高冷凝除湿递速率以及整体热传递系数，但对水和热回收的影响很小。

张群力等[21]发明了一种基于膜分离技术的烟气冷凝余热回收与净化系统。该系统利用真空亲水性膜组件将湿烟气中的水蒸气单独进行分离，分立后的水蒸气对热网回水进行预热，达到对水蒸气的全热利用，除湿后的干烟气通过疏水膜处理氮氧化物，在烟气除湿的同时实现了烟气的净化并且充分利用水蒸气热量。

目前膜除湿技术尚未在实际工程中广泛应用，对烟气膜除湿技术的研究主要是通过实验研究不同的膜材料，膜结构对烟气除湿的影响。洪珊等[22]指出烟气膜除湿技术与其它烟气除湿技术进行耦合是烟气膜除湿技术的研究方向。

4 烟气旋流板除湿

烟气旋流板除湿技术是利用烟气通过安装在烟道内的旋流板产生离心力，烟气内的小液滴与其它气体的密度不同，小液滴被从烟气中甩出，达到了烟气除湿的目的。

王福珍等[23]通过CFD方法分析了旋流板对烟气除湿特征的影响，对某电站烟道加装旋流板前后的烟气流场进行分析对比，比较了不同旋流板设计对除湿能力的影响，结果表明，旋流板叶片45°，安装高度30 m的单机旋流板除湿效率最高。

虽然旋流板技术不需要额外供能，结构简单，但是不能对烟气中的气态水进行处理，对于烟气的除湿能力比较一般，不能回收利用水蒸气潜热。因此旋流板除湿应与其他除湿技术配合使用。

5 烟气加压除湿

烟气瞬间加压凝结除湿技术利用流场结构瞬间提高水蒸气分压，使水蒸气液化分离，并释放大量潜热[24]。程胜明等[25]发现，利用烟道结构对烟气加压，当烟气压力从1.5倍大气压恢复正常压力时，烟气含湿量降低22 g/kg。水蒸气释放出的潜热全部用来提高烟气出口温度，达到消除白色烟羽的目的，对于该热量的其它用途目前并未有效开发。除此之外瞬间加压技术对烟气正常流动的影响，尚未有学者进行研究。

6 烟气联合除湿

烟气联合除湿技术是耦合多种除湿技术，提升烟气除湿效率，此类技术可以综合不同除湿技术的优势，降低除湿成本，是未来发展的主要方向。

刘建民等[26]提出凝变除湿复合烟气净化技术，并在630 MW的燃煤机组上进行实验，该技术联合利用了凝变除湿技术和旋流板除湿技术，先利用凝变器使湿烟气中的水蒸气以细微粉尘颗粒为核形成细小液滴，再通过旋流板降液态水从烟气中去除，实验表明，该技术的冷凝水量大于4 mL/(kg·℃)。烟气温度每降低1.5～5.3 ℃，便可冷凝烟气中5%～20%的水分。

刘晨等[27]对某垃圾焚烧企业的3台400 t/d垃圾焚烧炉排炉进行改造，联合利用间壁式烟气冷凝器和直接喷淋冷凝除湿器，结果表明，按照每年8 000 h运行时间计算，每年3座炉合计冷凝20万t水。

姜树伟等[28]发明了降温除湿组合式烟气脱白装置，该技术联合利用风冷热管烟气冷凝器和旋流板除雾器对烟气中的水蒸气两次脱除，提高了烟气除湿效果。

程胜明等[29]提出联合使用烟气直接接触冷凝和溶液除湿，湿烟气先通过喷淋冷凝，再进入溶液除湿设备二次除湿，研究表明，采用新技术后相同工况下烟气除湿水量从0.379 t/h提高到0.714 t/h。

7 结论与展望

介绍了冷凝除湿、溶液除湿、膜除湿、旋流板除湿、加压除湿、联合除湿在烟气除湿领域的研究现状。

随着烟气除湿技术的不断发展，烟气除湿领域逐渐从传统的处理湿法脱硫后的烟气扩大到天然气锅炉烟气，垃圾焚烧烟气，富氧燃烧烟气等，未来烟气除湿领域一定会进一步扩大。

烟气除湿的手段众多，但冷凝除湿最为成熟，也只有冷凝除湿大量应用于工业生产过程之中，其它手段目前主要停留在实验阶段。但加压除湿，联合除湿在除湿功耗、除湿效率等方面更具优势，在未来具有巨大发展潜力，因此应该更加重视此类新技术的发展。