徐敬玉
（昊姆（上海）节能科技有限公司，上海 200335）
燃煤锅炉烟气脱硫以湿法为主，大多已满足超低排放标准，但湿烟气中含有大量水蒸气和小液滴，直接排放浪费热量，并加剧有色烟羽污染。传统湿烟气余热回收有两种方式：1）直接冷凝换热，其受限于烟气露点，无法同时兼顾余热品质和余热回收量，烟气余热回收率低；
2）利用闭式吸收式热泵技术，提升余热品质，闭式吸收式热泵技术突破温度的限制，提高烟气余热回收率[1-3]。
闭式吸收热泵通过中介水与烟气换热，吸湿性溶液不与烟气直接接触。对于烟气而言，闭式吸收式热泵技术本质上利用了温差作为传热传质的推动力，没有充分利用溶液和烟气水蒸气分压力差的推动力。在余热源（烟气）和冷源（供暖水）之间增加了额外的热量传递环节，降低了余热回收效率。闭式吸收式热泵技术冷凝后的烟气为过饱和湿烟气，烟气温度低、抬升力小且扩散能力弱，不利于烟气的排放及扩散，造成烟囱附近污染物富集（如CO2）。冷凝后的酸性液体，极易造成换热器及烟囱腐蚀[4]。冷凝中生长的微小雾滴，从除雾器中逃逸，加剧有色烟羽污染和烟囱挂冰的风险。冷凝产生的烟气酸性水，需增加水处理设施[5]。
针对闭式吸收热泵回收烟气余热技术的弊端，出现了开式吸收热泵技术用于烟气余热回收。开式吸收热泵利用溶液直接喷淋吸收被处理废气中的水蒸气，从而形成以“溶液-废气中水蒸气”为工质对的开式吸收循环。浓溶液在开式吸收器中吸收废气水蒸气，吸水吸热后浓度降低变为高温稀溶液，释放热量给工艺水后，稀溶液进入发生器，被驱动蒸气加热浓缩为浓溶液，浓溶液继续进入开式吸收器进行下一个吸收循环，发生器中浓缩产生的二次蒸气在冷凝器中被工艺水冷凝为液态水，回收利用。与闭式吸收热泵相比，开式吸收热泵省去了蒸发器，减少了有气密性要求的设备数量，并能输出全部的吸收热和冷凝热[6]。根据吸收过程的热力学特征不同，开式吸收热泵分为绝热吸收型和定压（内冷）吸收型，根据吸收器的结构不同，分为降膜吸收和喷淋+填料吸收，根据发生方式的不同，分为开式发生和闭式发生。适用于烟气、烘干废气等大体量，低能量密度工业热湿废气的系统型式一般为“喷淋+填料+绝热吸收搭配闭式发生”的开式吸收热泵循环[7]。
国内对开式吸收热泵技术的研究大致分为三类。第一类是针对开式吸收热泵热力特性，特别是吸收器和发生器等设备的传热传质机理和性能强化的研究。章秋平[8]研究讨论了溶液浓度、温度、流量、含湿量和填料类型等参数对吸收器、开式发生器性能的影响。路源等[9-10]研究了降膜吸收器和内冷型吸收器的传热传质性能以及影响水回收率的因素。杨波等[11-13]提出一种新型全开式吸收式热泵技术用于烟气余热回收，系统性能系数（Coefficirnt of Performance，COP）最高达到1.62，排烟露点最低达到36.2 ℃，相对湿度为62.4%。刘骏等[14]提出一种用于回收中低温湿空气潜热的开式吸收热泵系统，并分析了湿空气入口温度、气液比、换热器效率等参数对系统性能的影响。
第二类是将开式吸收热泵与闭式吸收热泵类比。对第二类热泵、多级吸收、多级再生等循环展开的研究，魏璠等[15]对第二类开式吸收热泵系统进行了设计和性能分析，研究表明，典型工况下系统COP为0.64。叶碧翠等[16]和吴勇平等[17]先后设计了第二类开式吸收热泵和两级开式吸收热泵系统，第二类开式吸收热泵以烘干机排气余热和太阳能热水共同驱动，可以产生120 ℃的饱和蒸气。针对两级开式吸收热泵建立热力学模型以分析其性能，COP根据发生温度的变化可达1.20～2.00，同等条件下，闭式吸收热泵COP最高仅为1.41。ZHANG等[18]提出一种结合闪蒸的燃煤烟气开式吸收循环系统，并设计了基于两级再生和部分再生的优化系统，研究表明采用闪蒸技术可使系统COP提高了0.5%～2.2%。
第三类是针对开式吸收热泵应用于烟气节能环保协同治理的实验研究及工程应用研究。徐敬玉等[19]提出了基于开式吸收热泵循环的一种锅炉烟气的处理装置及处理方法，通过溶液对烟气的直接喷淋，吸收烟气中的水分、粉尘及SO2等气溶胶，进一步降低烟气污染物排放，减轻白烟视觉污染，改善排烟效果；
回收烟气余热，并成功实现工程应用。冯再滨[20]利用超重力旋转填料床作为吸收器，研究发现，吸收器回收湿烟气余热的同时，对燃煤锅炉粉尘具有良好的吸收效果，实验条件下可将出口粉尘浓度降低至3.2 mg/m3，推荐超重因子在150左右，液气比为1.0～1.6，既能有较好的余热回收性能又能保证较高的烟尘脱除效率。
综上所述，既有的开式吸收热泵技术研究主要集中在开式吸收热泵理论工况下热力性能分析，缺少开式吸收热泵应用于烟气治理的工艺分析，和实际运行过程中的热力性能分析以及溶液直接吸收后排烟状态改变对环境影响的研究。
本文提出了一种基于烟气处理一体化的开式吸收热泵循环流程，分析该新型开式吸收热泵工作特点和工艺先进性，通过工程项目评估该烟气一体化处理技术对烟气余热回收、烟羽消白、脱硫及除尘的协同治理效果。
图1所示为新型开式吸收热泵工作原理及工艺流程。新型开式吸收热泵处理烟气一体化工艺流程包括烟气、驱动蒸气、溶液和冷源4个工作过程。1）烟气流程，烟气进入吸收塔，被浓溶液喷淋吸收后，脱除烟气中水分及粉尘，变为洁净非饱和干烟气排出，同时烟气中水蒸气被溶液吸收发生相变，释放出汽化潜热；
2）驱动蒸气流程，引低压（高于0.1 MPa）蒸气作为驱动热源，在发生机组内加热稀溶液，稀溶液浓缩为浓溶液，并产生二次蒸气，驱动蒸气放热后凝结回到厂内除盐水系统；
3）冷源（供暖水）流程，50 ℃管网回水进入一体化系统，分别被吸收塔的换热机组和发生机组的二次蒸气两级加热后，升温至90 ℃以上，供给热网；
4）溶液循环，浓溶液在吸收塔内吸收烟气水分后变为稀溶液，稀溶液首先进入沉淀处理机组，进行加碱以及多级固液分离，分离出溶液中的固体颗粒物后，再进入发生系统浓缩，浓缩产生的浓溶液重新进入吸收塔进行下一个溶液循环。
图1 新型开式吸收热泵工作原理及工艺流程
新型开式吸收热泵处理烟气一体化工艺利用强吸湿性溶液直接喷淋烟气，吸收烟气水分及粉尘、SO2等气溶胶，回收烟气汽化潜热，吸收后的烟气为过热状态，无过饱和凝水、挂冰等次生灾害，回收的水分为二次蒸气蒸馏水，无废水产生，可实现烟气节能环保的协同治理。
吸收后的烟气过热度一般为10～20 ℃，利于烟气排放。在溶液直接吸收和撞击的捕集作用下，烟气中水分、SO2和粉尘等组成的气溶胶被吸收到溶液中，通过在溶液中添加碱剂，将生成的石膏沉淀、粉尘等固体物在沉淀处理机组中分离出来，维持溶液处于适中的含固率范围。
新型开式吸收热泵处理烟气一体化工艺以蒸馏水的方式回收水分，不产生污水，可直接作为供暖管网补水使用，减少软水消耗。
与传统闭式吸收热泵工艺相比，虽然两种工艺从烟气中回收的余热量相近，但传统闭式吸收热泵工艺属于单一节能技术，新型开式吸收热泵处理烟气一体化工艺在节能的同时，兼顾烟气排放和水平衡，属于节能环保协同治理技术。
3.1 工程应用
浙江某电厂有三台90 t/h和一台75 t/h的燃煤循环流化床蒸气锅炉。脱硫工艺采用湿法脱硫，除尘采用电袋复合式除尘器+湿式电除尘器，排烟二氧化硫的含量小于35 mg/m3，粉尘的含量小于5 mg/m3。采用新型开式吸收热泵处理烟气一体化工艺，对脱硫后湿烟气进行节能环保协同治理：节能方面，回收余热加热除盐水；
环保方面，替代湿式电除尘，降低烟尘含量，进一步吸收二氧化硫含量，保证排烟中二氧化硫含量小于10 mg/m3，烟尘含量小于5 mg/m3，并且达到视觉消白效果。项目典型工况运行数据见表1。
表1 运行数据表
本项目采用昊姆（上海）节能科技有限公司自研复合吸收溶液，下文分析以同条件下氯化钙溶液物性代替。项目投入运行后，稳定可靠，回收净烟气余热11.1 MW，实测COP为1.85，高于同条件闭式吸收热泵的额定COP。
3.2 烟气消白理论分析
3.2.1 消白理论公式
除烟气中残留的粉尘、SO2、NOX和石膏雨等污染物外，有色烟羽主要是过饱和湿烟气与环境空气接触后凝结的小液滴所造成的视觉现象，根据文献[21]中混合过程线与饱和空气线相切的白雾判定方法分析可知，同样的环境条件下，烟气的过热度越高，与环境空气混合后，越不容易产生白烟，所以提高烟气过热度可以有效消白。提高烟气过热度有两个方向，降低露点温度和提高干球温度，相应工程上的措施即“冷凝+再热”，但会产生烟气先降温后升温的能量浪费。开式吸收一体化技术通过溶液除湿的方式可直接提高烟气过热度。下文首先分析溶液浓度和冷热源条件对排烟过热度的影响，然后根据不同季节消除视觉白烟的排烟过热条件，获得实际工程应用中，消除视觉白烟的溶液浓度和冷热源关系。
3.2.2 溶液浓度对排烟过热度的影响
根据表1的设计数据，在除盐水温度为20 ℃时，测算随溶液浓度变化，吸收后烟气的温度、露点和过热度（烟气干球温度减露点温度）的变化如图2所示。随着溶液浓度提高，吸收后烟气的干球温度升高，露点温度降低，过热度增加，当溶液浓度低于30%时，烟气过热度低于3.5 ℃，干湿分离效果差，溶液浓度超过40%后，可保持烟气过热度在10 ℃以上。
图2 烟气出口参数随吸收浓度的变化
3.2.3 冷热源对排烟过热度的影响
工程项目中，设备参数确定，除盐水温度和进口烟气温度是项目的变工况参数，随季节和负荷变化而波动，要研究冷热源对排烟过热度的影响，只能通过调整溶液浓度的方法来实现。可将新型开式吸收热泵处理烟气一体化工艺系统模型简化为“黑匣子”，此“黑匣子”的传热推动力是进口烟气和除盐水的温差，考虑吸收过程热量与质量耦合传递，以进口烟气和除盐水的焓差为变量，分析出口烟气过热度的变化规律，其中烟气和除盐水的焓差表征不同冷热源的组合。运行工况如表1，分别测算变浓度时，烟气过热度（图3）和净回收余热量（图4）的关系。
图3 烟气过热度随不同冷热源组合和溶液浓度的变化
图4 净回收余热随不同冷热源组合和溶液浓度的变化
冷热源的焓差越大，排烟过热度越低，但可吸收更多的余热，排烟过热度的提高是牺牲余热为代价的。固定冷热源组合下，提高溶液浓度，排烟过热度和净余热回收量都会增大，对于已建成项目，浓度调节是可行的主动运行调整措施。当以消白为目的时，适当增加溶液浓度，余热回收量可同时增大。运行工况如表1，提高5%浓度，余热回收量增加13.9%，烟气过热度增加4.69 ℃；
降低5%浓度，余热回收量减少11.0%，烟气过热度减少4.4 ℃。
新型开式吸收热泵处理烟气一体化技术在烟气余热回收的同时附带的烟羽消白能力与余热回收量为负相关，吸收产生的烟气过热度应作为消白的基础过热度，在环境恶劣时，适当增加烟气再热，达到视觉消白的目的。
3.3 消白协同治理效果
该项目典型运行工况如图5所示，各工况的参数如表2所示。工况1和工况2环境温湿度相似，但溶液浓度不同，导致排烟过热度和消白效果有差异。工况3为冬季寒冷天气，排烟过热度高，但因为环境温度低，需增加烟气再热作为辅助消白措施。
表2 各工况参数表
图5 3种工况实景照片
工况1和工况2环境条件与排烟露点温度基本相同，按照文献[15]进行计算，工况1应实现视觉消白，但实际效果如工况1有明显白烟，工况2工况，过热度提高5.5 ℃至10.5 ℃后方能视觉消白，通过类似工况的收集分析，上述消白理论计算的烟气消白温度条件比实际低3～6 ℃。
工况3的环境温度为0 ℃，相对湿度为65%，理论计算消白的烟气温度高于59 ℃，但实际工况下，通过增设再热设备加热烟气至63 ℃（再热量1.5 MW），方能消白。如采用纯耗能的“冷凝+再热”消白工艺，需将烟气从34 ℃加热至63 ℃，两者对比，新型开式吸收热泵处理烟气一体化技术吸收烟气产生的14 ℃过热度，可减少48%的烟气再热量。
3.4 脱硫、除尘协同治理效果
该项目投运后，湿式电除尘停运，烟气进入新型开式吸收热泵处理烟气一体化工艺系统的设计参数为SO2的含量低于35 mg/(N·m3)，烟尘的含量低于30 mg/(N·m3)。该项目出口烟气自动监控系统实测排放SO2的含量为0.56～2.05 mg/(N·m3)，烟尘的含量为1.34～2.20 mg/(N·m3)，溶液在吸收塔内直接喷淋烟气，降低SO2及粉尘的排放浓度效果显著。该项目进口SO2在线检测显示SO2的含量为20.8～32.5 mg/(N·m3)，计算该项目小时平均深度脱硫效率为95.10%，如图6所示。
图6 新型开式吸收热泵深度脱硫效率
新型开式吸收热泵处理烟气一体化技术，直接吸收烟气产生的过热度，附带了消白功能，但消白是以减少节能量为代价，在恶劣天气，应适当补热，达到节能与消白的双重目的。在实测的区间内，消白需要的烟气温度比理论计算高3～6 ℃，需进一步研究。该项目中，在环境温度不低于0 ℃时，新型开式吸收热泵处理烟气一体化技术对比“冷凝+再热”工艺，可节省48%～100%的消白再热量。
针对传统烟气处理技术问题，本文提出了一种基于开式吸收热泵循环的烟气处理一体化系统，通过对系统进行理论建模，分析了溶液浓度、冷热源焓差等对烟气过热度和消白效果的影响，并通过工程项目实验数据评估了该系统的工作性能，得出如下结论：
1）新型开式吸收热泵比传统闭式吸收热泵节省了热量传递环节，提高了余热回收效率，实测COP不低于1.85；
2）新型开式吸收热泵处理烟气一体化技术，回收余热的同时，并能进一步降低SO2、粉尘的排放，对超低排放后SO2深度脱除效率为95.10%，是烟气节能环保协同治理技术；
3）新型开式吸收热泵处理烟气一体化技术在对烟气进行节能环保一体化协同治理的同时，从烟气中回收的水分为蒸馏水品质，不会产生污水，节约了水处理费用；
4）新型开式吸收热泵处理烟气一体化技术，具有良好的消白效果，随着溶液浓度的提高，烟气过热度提高，有利于烟气的排放，同一溶液浓度时，烟气过热度和余热回收量为负相关，该项目中，在环境温度不低于0 ℃时，该技术比“冷凝+再热”工艺，节省48%～100%的消白再热量。
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