开式吸收发生一体化热泵的运行影响因素

闫斌 昊姆（上海）节能科技有限公司

近年来燃煤锅炉的超低排放标准受到越来越严格的限制，同时其余热回收情况也备受重视，燃煤锅炉的节能与环保一体化治理逐渐提上日程。

有学者提出了基于开式吸收式热泵的烟气一体化处理系统的工业化应用研究，该系统通过吸湿性溶液与烟气进行直接接触式的喷淋，可以将湿饱和烟气中的硫、尘等脱除，同时利用溶液的吸水过程回收烟气中的汽化潜热，溶液中吸收的水分则通过驱动蒸汽等热源进行间壁式加热蒸馏出系统，溶液本身以及蒸馏产生的新蒸汽可通过换热设备将热量传递给工艺水。本技术可以很好的实现烟气的脱硫、除尘、节能协同治理，但无法直接在未进行湿法脱硫项目且缺少驱动热源的燃煤热水锅炉上应用，需针对应用环境进行一定的调整。然后，有学者就吸湿性溶液脱硫的能力做了论述，通过添加碱剂，可以对二氧化硫进行深度脱除。同时，考虑到未脱硫的烟气干球温度较高，可以作为溶液发生的驱动热源，且烟气中未被添加过水分，水露点较低，可以与溶液直接接触进行开式发生，而关于溶液的开式发生1961年就被提出了在空气调节中的工业化应用，发展至今已经有了较为成熟的理论体系。

基于上述背景与理论基础，本文介绍一种开式吸收、开式发生的热泵系统，用于未进行湿法脱硫的温度较高、含水率较低的燃煤锅炉烟气的环保与节能一体化治理，并探求其主要的影响因素。

1 开式吸收发生一体化热泵系统流程与特点

1.1 系统流程

首先，烟气经过双级吸收塔后排放。吸收塔分为上下两段，吸收塔下段为溶液发生段，上段为溶液吸收段，塔两段之间设置升气装置，使烟气可以从下往上通过，溶液从上往下无法落下。烟气在溶液发生段经过溶液喷淋，将热量传递给溶液，烟气温度下降，吸收溶液中水分，含湿量上升，此后经过溶液吸收段，将热量传递给溶液，烟气中水分被溶液吸收，含湿量下降，释放汽化潜热和显热，此后进入烟囱中排放。

其次，吸湿性溶液与烟气进行喷淋直接换热。在吸收段中，由于溶液具有吸湿性，且烟气水分含量相对较高，可吸收烟气中水分并吸收烟气中热量将溶液温度提高；在发生段中，溶液的温度升高，吸湿性降低，且烟气水分含量相对降低，因此溶液由吸水变为蒸发水分，两级塔中的溶液出塔后，分别回到两段塔对应的储液箱，此后分别经过换热器，将热量传递给冷源实现余热回收，换热后的溶液继续泵入双级塔喷淋烟气，形成闭环。两段储液箱之间设置有溶液交换系统，可以连续或间歇性运行，实现系统的物料平衡的同时，上下两段的溶液维持一定的浓度差，从而更有利于吸收与发生的过程。

最后，发生段溶液中蒸发出的水蒸气与烟气中的粉尘等结合形成气溶胶；SO2与气溶液一起被溶液中熟石灰吸收，生成亚硫酸钙，通过外置的氧化箱强制氧化为硫酸钙，通过旋流压滤系统从溶液中分离。开式吸收式发生一体化热泵系统流程如图1所示。

图1 开式吸收式发生一体化热泵系统流程图

1.2 系统特点

溶液在吸收段吸湿的过程中，捕获了烟气中的气溶胶，有利于吸收烟气中的烟尘等杂质，同时也更有利于二氧化硫的吸收，实现烟气的超低排放。溶液吸收水量与发生水量动态平衡，整体代替了湿法脱硫往烟气中添加水分、后续再从烟气中回收水分的过程，可以较为深度的回收高温烟气的热量。在环保方面，相比于增设湿法脱硫，系统可以实现湿电除尘的除尘效果，并且经过溶液喷淋后的烟气具有一定的过热度，有利于烟气排放；在节能方面，相比于增设烟气换热器，系统不存在酸露点腐蚀以及间壁式换热效率低的问题。

2 工程案例

河北某供热公司有2×168MW 循环流化床锅炉，型号为QXF168-1.6/130/70-M 型。系低温低压、单锅筒、强制循环热水锅炉，采用循环流化床燃烧方式、高温分离物料、固态排渣、干式输灰、平衡通风、露天布置，同步配置炉内脱硫装置，采用炉内喷钙干法脱硫技术，设计煤质收到基硫分为1.016%，校核煤质收到基硫分1.34%，入口SO2浓度按照 2760mg/m3（标态、干基、6%O2）考虑，脱硫效率90%，脱硫装置与锅炉同步投产运行。两台号锅炉各配备1台LTF2600-2×6长袋低压脉冲布袋除尘器，但其使用寿命已超过设计值，出口烟尘含量大于50mg/m3（标态、干基、6%O2）。两台锅炉的烟尘与硫含量均不能达到超低排放标准；同时由于地处北方，有供暖回水加热的余热回收需求。因此，采用吸收发生一体化热泵技术对其进行节能与环保的协同治理。详细技术参数见表1。

表1 反电晕指数量化定义

3 开式吸收发生一体化热泵系统影响因素与调节分析

3.1 系统影响因素

开式吸收发生一体化热泵系统在热平衡上的影响因素与常规开式热泵趋势相同，因此本文在此主要阐述水平衡的影响因素。烟气与溶液之间的传质，其根本影响因素在于水蒸气分压力之差。在发生段，溶液水蒸气分压力大于烟气越多，则发生量越大；在吸收段，溶液水蒸气分压力小于烟气越多，则吸收量越大。烟气的水蒸气分压力取决于烟气的含水率，而溶液的水蒸气分压力取决于溶液的温度与浓度，基于此可以对影响因素做出分类。

3.1.1 烟气品质影响

烟气的温度升高，在发生段的溶液会吸收更多的热量，溶液整体温度升高，溶液水蒸气分压力升高，将更有利于溶液的发生，使系统发生量大于吸水量。烟气的含水率升高，将导致发生段的溶液与烟气水蒸气分压力之差降低，不利于溶液的发生，吸收段烟气与溶液的水蒸气分压力之差升高，有利于溶液的吸收，使系统吸水量大于发生量。

3.1.2 冷源品质影响

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冷源的温度升高，将会使溶液的整体温度升高，溶液的水蒸气分压力升高，使系统整体的发生量大于吸水量。冷源的流量增加，将会使溶液整体温度降低，溶液的水蒸气分压力降低，使系统的吸水量大于发生量。

3.1.3 液气比的影响

烟气流量的增加，使得系统液气比降低，系统整体热交换能力增大，发生量、吸水量均会增加，但同体积溶液吸热量增加使整体溶液温度上升，系统的发生量大于吸水量。溶液流量的增加，使得系统液气比增加，考虑到冷源的限制，系统整体热交换能力并不会有明显改变，同体积的溶液吸热量减少使整体溶液温度降低，系统的吸水量大于发生量。

3.1.4 溶液浓度影响

溶液浓度升高，则水蒸气分压力增加，更有利于发生过程，不利于吸收过程，系统吸水量大于发生量。烟气温度、烟气流量及冷源温度增加，会导致溶液温度的上升，这将使系统发生水量大于吸水量；溶液浓度降低也会起到一样的效果。冷源流量、溶液流量增加，会导致溶液温度的降低，这将使系统吸水量大于发生水量；烟气含水率增加也会起到一样的效果。

3.2 系统调节分析

3.2.1 自我调节分析

3.2.2 主动调节分析

经过一系列分析，影响系统的介质主要是烟气、冷源、溶液，而烟气、冷源作为外部条件，一般不能用作调控手段，因此主动调节需要从溶液自身进行入手。溶液自身的主要参数有温度、流量、浓度3个，其中浓度是被动自我调节的关键因素，且由于储液箱的存在，系统溶液量较大，浓度的可操作性不强，因此不宜选定浓度作为调节参数进行调节。溶液的温度、流量均可以人为调节，为对比系统水平衡对于二者的敏感性，以上述工程系统参数为例，对系统分别进行进行变温度、变流量的单一变量校核计算分析，计算结果见表2。

表2 计算分析数据表

表2中净吸水量表示为吸收段水分吸收量与发生段发生量之差，稳定运行时，净吸水量为0，由于其为瞬时值，因此在系统参数改变时会瞬时发生变化，其变化的幅度可以反应系统水平衡的敏感程度。以系统净吸水量作为因变量，平均喷淋温度与喷淋流量作为自变量，系统喷淋平均温度与系统整体净吸水量呈近似线性的关系，温度每变化1℃，系统瞬时净吸水量变化1.4～1.5t/h；系统喷淋流量与系统整体净吸水量呈近似对数的关系，喷淋量在原来的基础上倍增或者减半，系统瞬时净吸水量变化5～7t/h。溶液变化4℃即相当于喷淋量的倍增或者减半。

由于喷淋量的增减会影响淋液密度以及泵的运行状态，因而喷淋量不适合大幅度改变。综合考虑变化幅度以及操作难度，系统对于溶液温度这一参数的敏感度较高，可操作性更强，系统的溶液温度更适合作为主动调节的参数手段。因此，开式吸收发生一体化热泵系统可以考虑新增小型溶液冷却设备如溶液-空气间壁式换热器，或新增小型溶液加热设备如溶液-烟气间壁式换热器，对溶液的喷淋温度进行适当调节，以增强对于系统的整体控制能力。

4 结语

针对未进行湿法脱硫的燃煤锅炉烟气，本文介绍了开式吸收发生一体化热泵，采用开式发生设计，由高温烟气与溶液进行直接接触换热来实现发生效果，系统具有一定自我被动调节能力。同时，分析出控制溶液温度是开式吸收发生一体化热泵系统最可行、最可靠的主动调控手段。这种方式相比于传统烟气处理的模式，能够实现节能环保协同治理，安全性更高，拓宽了开式吸收式热泵的应用领域与场景。