喷淋换热在低温余热回收中的应用

刘 晨

[斯普瑞喷雾系统(上海)有限公司，上海 201611]

节能与余热回收

喷淋换热在低温余热回收中的应用

刘 晨

[斯普瑞喷雾系统(上海)有限公司，上海 201611]

介绍了一种喷淋换热器的原理及功能，其主要优势是投资省，能去除饱和水蒸气节水和回收低温余热。详述了该喷淋换热器的应用案例，如用于热电厂130，220 t锅炉湿法脱硫后烟气全热回收、210 m2烧结机尾烟气除尘、烧结原料除尘、92 m2烧结机头烟气除尘及10 m2竖炉脱硫烟气除尘。其他主要潜在应用还包括只要在大气平均温度以上的各种烟气，特别是饱和湿烟气、含易黏结成分的烟气，都可以选择直接喷淋换热技术回收余热。

喷淋换热 烟气 除尘 低温 余热回收

低温烟气通常是指200 ℃以下的烟气，由于烟气量大、含一定量的水分和潜热，回收低温烟气余热成为当前节能减排的重点领域。现有多种回收低温余热的技术，比如低温省煤器、氟塑料换热器、高效换热器等, 但通常都只能回收到80 ℃，若深度回收到30 ℃，技术上可行但较难兼顾经济性。

笔者介绍一种喷淋换热器原理，分享其在热电锅炉烟气余热深度回收和净化系统的应用案例，探讨在钢铁和煤焦化等一些领域应用的可行性。

1 原理及功能

直接喷换热器如图1所示，包括烟气进口管、冲击洗涤蓄水池或水箱、循环水泵及过滤器、除湿脱白、放散烟囱等部分组成，烟气进口管内安装细雾喷淋和水喷淋2级直接喷淋换热系统，主要功能除了直接全热换热外，还有精除尘、脱硫脱酸、除二口恶英、除重金属、除湿脱白等，属于一种投资省、成本低的低温全热回收、除尘和多污染物协同净化设备，与湿式电除尘器等精除尘设备相比，最主要的优势是投资省，能去除饱和水蒸气节水和回收低温余热。

直接喷淋换热器的换热原理是进口含尘、饱和温度以上的烟气首先通过细雾洗涤，气体雾化喷嘴或高压细雾喷嘴产生的平均颗粒度在80～100 μm的细水雾与烟气接触后，瞬间蒸发为水蒸气，使烟气达到饱和。每吨水变成水蒸气时，其体积膨胀超过1 200倍，对烟气中的细颗粒粉尘产生挤压、碰撞、凝聚长大作用，便于分离，可以实现10 mg/m3以下的除尘水平。烟气饱和后，所含的二氧化硫等酸性成分会被液化和高温氧化，有利于深度脱硫除酸。

图1 直接喷淋换热器原理示意

紧接着通过大水量喷淋洗涤使烟气过饱和，喷水量是烟气中饱和水量的5～8倍，烟气中的水蒸气冷凝收缩、粉尘颗粒进一步润湿，同时引射烟气，干烟气、水蒸气、粉尘颗粒、其他污染物与喷水的混合物一起，以烟道出口速度下的混合动能，冲击进入下面的蓄水池或水箱，烟气的温度被冷却到与水温接近的温度，从而使烟气中的大部分水蒸气冷凝，连同烟气中的细颗粒粉尘被蓄水吸收，理论上只有不溶于水的干烟气能离开蓄水池。

与高效动力波洗涤器不同，增加细雾蒸发洗涤、喷淋洗涤喷嘴采用顺喷，因此气液比很低，只有动力波洗涤器的1/5，阻损约200 Pa，也只有动力波洗涤器的1/10，在达到相同、甚至更高效的换热、除尘、净化效率下，具有显著的节能效果。与烟气出口直接插入液面下的冲击式洗涤器比较，在效率相同、甚至更高的情况下，阻损小得多。洗涤水采用现场自循环方式，循环洗涤到水中的粉尘和其他污染物定期排除。

实践证明：这种高效喷淋换热洗涤器可以在约200 Pa的阻损、气液比为2 L/m3的操作条件下确保出口烟气粉尘质量浓度降低到10 mg/m3以下。

2 案例

2.1 应用案例之一：热电厂130，220 t锅炉湿法脱硫后烟气全热回收

作为直接喷淋直接换热的成功示范案例，在热力蒸汽锅炉上进行了湿法脱硫后湿烟气直接喷淋余热回收、深度净化示范项目的建设，项目在2台130 t和1台220 t锅炉的湿法脱硫系统进行。在2台130 t锅炉共用的湿法脱硫塔后、烟囱之间增加1套立式直接喷淋换热深度洗涤系统；在1台220 t锅炉脱硫塔后、烟囱之间增加1台卧式直接喷淋换热深度洗涤系统，深度净化后的烟气通过共用的烟囱排放。示范项目的主要数据和结果如下：处理烟气量达1.2×106m3/h；入口烟气温度约50 ℃；出口烟气温度约40 ℃；入口烟气湿度为114 g/m3；出口烟气湿度为63 g/m3；除湿量和冷凝水回收量达45%；循环水温方面：供水水温小于或等于30 ℃、排水水温约40 ℃；出口粉尘质量浓度小于或等于10 mg/m3；出口SO2质量浓度为17 mg/m3；出口NOx质量浓度达55 mg/m3。

运行结果表明：通过烟气直接喷淋冷凝除湿低成本实现了烟气的超低排放，同时通过回收烟气全热和冷凝水，企业增加供热能力15%，提高锅炉燃煤综合效率7%，一个采暖季净增效益760万元，投资回收期不超过4年。企业还对循环水冷却的余热进行了回收利用，均采用特殊设计的高温热泵回收循环水的余热，外供80～130 ℃热水直接用于供热，烟气的低温余热则通过直接喷淋换热转移到循环水中。这是中国节能协会在大力推广的技术。

2.2 应用案例之二：210 m2烧结机尾烟气除尘

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烧结机尾烟气除尘多采用干式静电除尘，由于原设计标准低，要达到新的20 mg/m3以下排放标准必须进行改造，通常选择电改袋、或增加电场改造，投资多、改造施工时间长。山东某烧结用户共有2台210 m2烧结机，决定其中的2台采用直接喷淋换热洗涤器改造，改造方案是在原电除尘器后引风机与烟囱之间，拆除消音器，新安装高效直接喷淋换热洗涤器，包括进风管、弯管、细雾喷雾、喷射管、洗涤池、过滤器、洗涤喷雾、出口管道等部分组成。入口烟气粉尘质量浓度为80～150 mg/m3时，系统在线烟气检测仪显示和取样检测粉尘质量浓度平均值分别为5.1 mg/m3和9.1 mg/m3。

该方案与传统的布袋除尘器或电袋复合除尘器比较的优点主要有：①电除尘器、风机、烟囱等设备可保留利用，因而投资少，只有其他方案的50%；②运行成本低，高效喷淋洗涤器系统阻损不超过1 kPa，比原消音器阻损还低，系统总阻损不仅没有增加，还有所降低，风机运行电费少；③改造时间短，新设备可以在烧结机生产期间施工安装，只有前后管道对接需要停产，仅需2 d；④岗位卫生状况好，由于系统阻损有所降低，在风机转速不变的情况下，车间内吸风口的负压增大；⑤泥浆可回收利用，由于已经通过电除尘器净化，烟气中的粉尘量极少，每天只需输出少量沉淀过滤产生的泥浆回原料，不需要循环水处理，没有二次污染。该系统处理烟气量达5.0×105m3/h(工况)；入口烟气粉尘质量浓度为100～150 mg/m3；出口烟气粉尘质量浓度小于或等于20 mg/m3；系统阻损为0.8 kPa；外排泥浆为10 t/d，送原料系统利用。

2.3 应用案例之三：烧结原料除尘

唐山某烧结用户烧结矿返矿上料系统，原设计在50 m高的厂房顶采用布袋除尘器除尘，运行一定时间后布袋黏灰堵塞，没有除尘作用，又没有及时更换，导致作业现场粉尘污染严重，有时还会冒出厂房，导致产生环保问题。为此在布袋除尘器进口烟道处，通过旁通方式， 将含尘烟气引到接近地面， 通过高效喷淋洗涤器，同时增加湿式除尘风机提高动力，并进一步精除尘，经洗涤除尘后的烟气含尘量可低于5 mg/m3。设备的相关参数为：①风量为2.1×104m3/h；②配套风机功率达30 kW，循环泵功率为7.5 kW，两者之和只有布袋风机功率的50%；③循环水供水量为20～30 m3/h，实际耗量最大值达0.2 m3/h；④除尘系统入口烟尘质量浓度为21 g/m3，环保检测出口烟尘质量浓度低于5 mg/m3；⑤设备占地2 m×4 m×5 m。高效喷洗涤器用于原料除尘见图2。

图2 高效喷洗涤器用于原料除尘

2.4 应用案例之四：92 m2烧结机头烟气除尘

唐山烧结用户92 m2烧结机机头湿法脱硫烟气粉尘浓度需要达到低于20 mg/m3的地方标准，经综合比较湿电、管束式除尘后，确定采用在脱硫塔出口增加高效喷淋洗涤器。脱硫塔进口段增加细雾喷淋洗涤，烟气经蒸发洗涤使未饱和烟气饱和，烟气降温，相变凝聚使细颗粒粉尘长大，进入脱硫塔脱硫、除尘、除酸、收集重金属，捕集微细粉尘，烟气初步冷凝降温。脱硫后烟气进入高效喷淋洗涤器，经过深度洗涤后捕集吸收水蒸气，通过喷雾、降温、除尘、除酸、除重金属、除雾后，烟气慢速通过除雾器、烟囱直接排放，从而解决“拖尾”现象，使烟气排放达标。增加喷淋洗涤前后主要参数为：风机风量为4.8×105m3/h；脱硫塔入口烟气含尘质量浓度小于或等于20 mg/m3；脱硫后烟气温度约60 ℃；脱硫后烟气湿度为198 g/m3；高效喷淋洗涤器出口烟气温度约40 ℃；高效喷淋洗涤器出口烟气湿度为63 g/m3；新烟囱出口烟气含尘质量浓度小于或等于20 mg/m3；设备阻力小于或等于150 Pa。

唐山烧结用户10 m2竖炉湿法脱硫后烟气粉尘质量浓度要求达到20 mg/m3，经过综合比较湿式电除尘器、管束式除尘器后，确定采用在脱硫塔出口增加高效喷淋洗涤器。增加喷淋洗涤前后主要参数为：风机风量为2.5×105m3/h；脱硫塔入口烟气含尘质量浓度小于或等于120 mg/m3；脱硫后烟气温度约58 ℃；脱硫后烟气湿度为198 g/m3；高效喷淋洗涤器出口烟气温度约40 ℃；高效喷淋洗涤器出口烟气湿度为63 g/m3；新烟囱出口烟气含尘质量浓度小于或等于20 mg/m3；设备阻力小于或等于150 Pa。

3 其他主要潜在应用

事实上，只要在大气平均温度以上的各种烟气，特别是饱和湿烟气、含易黏结成分的烟气，都可以选择直接喷淋换热技术回收余热。钢铁行业的主要潜在应用包括以下几个方面：①高炉水冲渣尾气；②烧结球团湿法脱硫系统出口烟气；③转炉湿法除尘烟气；④连铸二冷蒸汽；⑤湿熄焦蒸汽；⑥循环水冷却塔排汽；⑦冷轧酸再生排放烟气等，这些湿烟气排放的水分平均达1.5 t/t。

4 问题与升级提高

直接喷淋换热洗涤器的精除尘脱硫、脱硝、二口恶英、氟化物、重金属等其他污染成分的协同净化和节水、回收低温余热功能已经得到初步验证，还有些问题和升级提高内容分别探讨如下：

1)烟气冷却和余热回收方式。目前80 ℃以上采用间接换热是经济的，80 ℃到水饱和温度约50 ℃、甚至低到35 ℃，采用间接+直接混合换热方式更经济，以减少制冷系统能耗。35 ℃以下通常只能采用直接喷淋换热。即烟气低温余热回收的极限温度是大气温度，但如何更经济回收有待确定。

2)循环水净化。市场上虽然有各种污水源热泵和换热设备，但可以说循环水还是充分进行净化后再直接喷淋循环更经济。循环水净化首先是去悬浮物，采用低压超滤膜可以一起净化到澄清的水平，最好在考虑经济可行除盐系统将循环水中的溶解盐去除，并进行提处，对系统的经济性和可靠性有利。

3)余热的用途。低温余热的热量巨大，在采暖季回升余热产生热水供居民采暖的余热暖民工程非常有意义。在非采暖季，应以工艺本身需要为主，比如焦炉预热焦煤、烧结预热烧结矿等，余热的回收利用路径短效率高，最后才考虑低温余热制冷供空调和工艺使用，余热发电也是一个选项，尽管发电效率不高，但比放散好。

4)节电。直接喷淋换热洗涤器的进口烟气目前是接自除尘风机后、脱硫塔后，下一步计划接自风机前、甚至布袋除尘器前，后面增加湿式风机，由于烟气温度、湿度降低，工况烟气量减少，系统阻损降低，还有脱硫要求的气液比降低，整个烟气除尘净化系统总电耗预计可以减少50%，具有显著的节能减碳经济效益。

5)除湿脱白与余热回收：烧结机头、球团等烟气量大，并含水蒸气，所含的低温余热量也大。在大烟道内采用热管余热锅炉回收蒸汽发电是一个选项，问题是会出现低温结露风险，通过采用高效喷淋换热洗涤，采用混合式或直接喷淋冷凝降低排放烟气的水分，再进行适当过热，可以适当节能性除湿脱白，也有条件从循环水系统回收余热。

Application of spray heat exchange in low-temperatureexhaust heat recovery

LIUChen

(Spraying Systems Shanghai Co.，Ltd.，Shanghai，201611，China)

A spray heat exchanger’s principle and function are introduced, whose main advantage is low invest and ability of removing water-saving in vapour and recovering low temperature exhaust heat. Application cases of the spray heat exchanger are described, such as exhaust heat recovery of flue gas by wet desulphurization in 130 t and 220 t boilers of thermal power station, flue gas dust removal in 210 m2sintering machine, sintered material dust removal, flue gas removal in 92 m2sintering machine and desulphurized flue gas dust removal in 10 m2shaft furnace. Other application included all kinds of flue gas whose temperature were over atmosphere’s average temperature, especial saturated wet flue gas and flue gas with adhesive components, and the direct spray heat exchanging technology was used to recover exhaust heat.

spray heat exchange；flue gas；dust removal；low temperature；exhaust heat recovery

2017-03-02。

刘晨，男，斯普瑞喷雾系统(上海)有限公司总工艺师，主要从事环保、节能和二次资源回收利用技术研发工作。电话：13901743543；E-mail：Morris@spray.com.cn。

TQ111.16;X706

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1002-1507(2017)07-0020-04