节能减排理念下燃煤烟气中潜热的回收及利用路径研究

＊张波 吴松

（贵州红星发展股份有限公司 贵州 561201）

引言

以我国目前的能源结构来看，未来的走向则是富煤、贫油、少气的结构体系，可以看出，煤炭是我国目前主要的能源，燃煤企业作为煤炭与水资源消耗的大户，在实现生产目标的同时也背负着节能减排的任务。燃煤烟气经湿法脱硫后会变为饱和湿烟气，聚集大量的水蒸气与热能，如果可以应用技术手段回收燃煤湿烟气中的水蒸气与潜热，并合理的应用烟气内的潜热，对于提升燃煤机组的热效率，降低湿法脱硫系统的水能消耗有着十分重要的意义，还能够实现节能减排的环保理念。

1.节能减排的理念背景

节能减排具有着广义与狭义的定论划分，对于广义而言，节能减排就是对物质资源的一种节约，降低废弃物的排放；而狭义层面而言，节能减排是指节约能源与减少环境的有害物质排放。节能减排也就是所谓的节约资源，有效降低能源的消耗，降低污染物的排放量，节能减排又涵盖着节能与减排这两个技术领域，两者之间相互关联又存在区别，减排项目一直都在强调节能技术的应用，避免因为单方面的追求减排效果而形成一种能源消耗的反向增长，还要时刻保障社会的效能。

2.燃煤烟气中应用环节及潜热的回收技术

(1)加装燃油节能器

经燃油节能器的处理，碳氢化合物会在分子上呈现出结构变化，细小的分子增加，分析间距就会变大，燃料的粘度就会持续下降，想要将燃煤烟气中的潜热进行回收就需要对循环流化床炉的节能技术进行改造，燃油节能器的安装能够充分的在燃烧室内进行燃烧，避免烟道内的热量消散，由于这样能够提高燃烧的效率，也就能够节约油4.87%-6.10%。燃烧的设备燃油经过节能器处理之后，彻底消除了污染的黑烟，还能够良好的回收潜热，也大大降低了燃烧设备排放废气对空气的污染。

(2)安装冷凝型燃气锅炉节能器

燃气锅炉内的排烟能够达到18%的水蒸气，这之中包含着大量的潜热未被应用，排烟的温度高，显热的损失就会变大。在燃烧后继续排放化合物，少量的二氧化碳等污染物也会被释放。因此，安装冷凝型的燃气锅炉节能设备，降低燃料消耗才是节能降低成本的最佳方式，而且回收高温烟气中的能力，能够降低燃料的过度消耗，对节能与经济效益有着十分明显的作用。

(3)采用直接接触的冷凝法

直接接触的冷凝法也被称作是喷淋冷凝法（如图1所示），主要是利用烟道内部增添喷淋换热器和水处理的设备来实现的，冷媒水在喷淋管道内以喷嘴逆流的方式喷到热烟气气流中，两种在接触换热之后，烟气就会呈现饱和的状态，随后分离系统，冷媒水也就会被加热而离开系统。

图1 直接接触的冷凝法示意图

直接接触冷凝法的研究主要是针对热工计算的方法与热换性能，因为具有较高的热换系数，此方法会与热泵技术相互融合应用，由于热泵系统能够为烟气降温提供冷量来源，对于回收烟气当中的水也能够同步的实现潜热的提质与利用。与间接性冷凝法相比较，直接接触冷凝法的优点在于不存在传热面所引发的污垢热阻现象，也没有换热后的表面腐蚀现象，热传与传质的整个环节能够同时进行，小温差状态下能够有较高的传热效率。而缺点就在于会与烟气直接接触换热，冷媒水就会被其污染，出现酸性、粉尘、石膏等物质，对管道和热利用设备产生一定的腐蚀现象。

3.计入潜热的烟气回热循环系统及热力学分析

(1)烟气回热循环系统

烟气回热的循环系统中包括锅炉烟气余热，主要是以预热空气、加热凝结水、干燥煤等不同的方式而融合到热力的循环系统内部。当前，对于烟气回热系统循环的研究都是以烟气显热的有效回收与利用相关，烟气内所含的水分并没有发生变化，会依然以气态的形式出现，而回收利用的也仅仅是通过烟气温度降低所释放出来的烟气显热。

另外，空气预热器会采用省煤器的出口烟气显热来不断加热，不可或缺的就是空气条件，这样就进一步降低排烟的温度，提升锅炉的效率。空气当中的预热器出口烟气温度按照常规来说，都会控制在120℃左右，而实际的排烟温度会远远高于最初的设计值，伴随着不断严格的节能减排标准，省煤器诞生。

(2)计入潜热烟气回热效益计算分析

计入潜热烟气回热效益是采用锅炉热效率作为主要的定义来分析计入潜热状态下的烟气回热效益，是一种操作依据。在锅炉热效率确定的标准中，存在两种方法，一种是正平衡法，一种则是反平衡法。而反平衡法是当前锅炉设计及热效率实验中最常用的一种方法，主要是采用反平衡法引入低位发热量的锅炉热效率，并引出高位发热量下的锅炉热效率，并以此为基础进行潜热烟气回热效益的计算。

在与烟气显热回收系统的对照下，烟气当中的潜热回收系统大大的增加了烟气热湿的转换过程，也是烟气绝热的增湿环节与烟气降温冷凝的环节。面向烟气绝热增加湿度的同时，烟气显热的转换也能够为烟气含湿量带来汽化潜热的效果，烟气的温度虽然降低，但是烟气中所包含的热量却没有变化，因此在这样的过程中，锅炉内部的热效率依旧保持不变。

(3)燃煤锅炉烟气余热回收技术分析

在锅炉的烟气热量中存在着显热与潜热这两种形式，在不同的锅炉烟气中所含的水蒸气含量皆有不同，燃气锅炉和燃油锅炉在回收的过程中不单单需要回收潜热，也需要回收水蒸气冷凝时的潜热，不过对于燃煤锅炉回收的潜热技术加以分析下，主要会以加装换热器、冷凝锅炉和热管技术为主。

常规而言，在燃煤锅炉中都会安装一个省煤器，省煤器种类很多，像是板片式、肋管式、翅片式，但是这种装置也会存在着一些不足之处，主要就是热交换率极低，潜热也无法很有效的得到回收利用，加装换热器的方式相对而言具有一个提升潜热回收利用的良好效果，不过也仅仅适合用在一些中小型的燃煤锅炉中。

热管技术作为一种高效能的传热设备，主要就是以汽化潜热传递能量。其液体会在工质汽化状态下吸收烟气的废热，本身就会释放大量的热能，热管的应用就会促使传热效率升高，不需要增大外围动力，节能效果也很好，不过现如今的热管技术仍然会受到一些基本条件的限制，就比如工质材料的标准过高，在价格方面也是不尽如人意。

烟气中会含有大量的水蒸气，水蒸气含有大量的潜热，常规中对于烟气的回收并没有达到一个潜热的层面，也只是单一的回收潜热，所产生的锅炉热效益也并不高，所以冷凝锅炉技术的应用就是能够很好的改善这样一个现象，将水蒸气中的显热与潜热加以良好的回收与利用，也能达到节能减排的目的。

4.节能减排理念下燃煤烟气中潜热的回收及利用

(1)闪蒸闪凝的烟气中潜热回收及热泵提质的利用方法

烟气潜热回收中所应用的闪蒸闪凝热泵技术是一种较为新兴的技术，闪蒸装置在连接热泵蒸发器后，就会自然而然的形成闪蒸闪凝系统，闪蒸闪凝系统不但能够为烟气冷凝带来稳定性的冷源，还可以有效提取纯净烟气冷凝水，热泵系统会将回收的潜热展开分解提取，以此提高整体的能量与品质，全面拓展并延伸烟气当中潜热的利用形式。现有的直接接触型的冷凝器具有很大的换热系数，换热端的差值很小，甚至不存在换热面会被腐蚀，在借鉴湿法脱硫塔内和脱硫浆液逆流下，接触型的换热会与直接接触的冷凝塔内烟气与冷却水直接进行热形式的转换。而通过闪蒸的方法会有效获取到低温浆液与高纯度的闪蒸汽，经过热泵的合理回收潜热，在进行提质利用，两者相互结合最后形成烟气潜热的回收机制，也就是浆液闪蒸闪凝热泵的烟气潜热回收系统。

(2)燃煤锅炉烟气潜热回收技术的应用

以最为常见的小型燃煤锅炉为例，对燃煤锅炉烟气的潜热回收展开分析，能够发现，在内部虽然安装了省煤器，不过所产生的烟气温度就会升高，如果是将烟气直接排放而不回收，就会产生极大的资源浪费与污染。要知道烟气中的水分含量并不多，如果单一的只采用冷凝技术回收水蒸气资源，效果往往不足。其回收改造的设备成本相对很高，随着水蒸气含量的减少，能够利用的价值极低，也就会呈现出事倍功半的效果。

关于燃煤锅炉安装换热器设计时，就是在原有的省煤器上加装无压换热器。这样促使烟气经过省煤器、无压换热器，之后才会进入到除尘器或者是烟囱中。这之间的供水流程也产生了一定的变化，水发生软化以后，一般就会先流入无压换热器，再流入到省煤器内，最后是锅筒。无压换热器的安装方法主要是应用横水管交错排列的形式（如图2所示）。

图2 锅炉潜热回收流程示意图

如果无压换热器安装在温度极低的地方，会在长时间的低温状态下影响其换热器的运行能力，会遭到腐蚀，这也对换热器的标准与质量提出了更高的要求，材质方面不仅要耐得住低温、腐蚀性、对于受热面也要进行改良，加大钢管的整体粗度和厚度，并且还要保障换热器的低端温度能够比烟气的露点温度高，这样才会更好的保障潜热回收技术的应用。

(3)烟气中潜热用于送粉回热系统的性能

在对空气分级预热方式的应用下，能够实现烟气中潜热的合理利用，热泵提质下的烟气潜热会用在加热的低温空气内，采用原本就用于加热低温空气的部分对烟气余热进行加热凝结水，大大的增强了排挤抽汽量的功能，烟气中的潜热能够转换出更高能级的烟气余热物质，会用在加热锅炉给水环节中，以烟气余热的整体数量与质量方面，同步的增加节能的效果。不过，因为空气在升温状态下的吸热量往往是有一定局限性的，也只有很少的一部分烟气当中的潜热会用在加热低温的空气中，绝大多数的烟气潜热仍然得不到良好的回收与利用。因此，为了热力系统内部探寻出适合烟气潜热更具优势的利用方式，需要有效结合燃料化学能转变为热能的工序环节，以烟气中潜热热泵提质的送粉回热系统为主要的方式，利用系统工艺中低阶煤低温的干燥装置，有效建设烟气内潜热的提质送粉回热系统热力学模式，通过该模式，能够探寻出更多烟气中潜热的应用途径，并深度了解到热泵提质送粉回热系统对于燃煤企业热力性能参数的影响。另外，烟气内潜热的提质送粉回热系统热力学模式在性能上包含着原煤干燥过程的热能消耗计算、热经济性的计算。

对常规的蒸汽回热干燥系统与烟气中潜热的热泵提质送粉回热系统机组展开热力性的计算与前期进行对比，需要作出一定的假设，也就是机组需要运用两种干燥系统的原煤输入率及过量空气系统，这些都将作为机组原煤输入率与过量空气的参考依据，两种干燥系统的煤粉在结果是以干燥相同的程度显现，而在入炉之间的煤粉含水量平均在10%左右。

(4)烟气中潜热回收和有机胺碳的捕获集成系统参数优化

燃煤烟气是温室气体CO2最主要的排放源头，我国目前大约有50%的CO2排放都源于燃煤烟气中，采用有机胺溶液吸收烟气当中的CO2也是当前最为常用的碳捕获工艺。不过，因为捕获集成系统的再生环节必须要从汽轮机内抽取大量的蒸汽展开解吸，较高的能源消耗也限制了技术的推广。因此，要在常规的有机胺碳捕获集成系统的基础上，采用烟气中潜热来降低碳捕获抽汽，并以此角度提出应用潜热回收和有机胺碳的捕获集成系统，其中涵盖一级烟气降温冷凝的集成系统与两级烟气降温冷凝的集成系统。有效的运用Aspen Plus软件对常规下的碳捕获集成系统与集成系统展开系统程序模拟，在与消耗能源进行对比，并对两级烟气降温的冷凝集成系统内部的参数进行优化，最终就会得到集成系统的优质运行参数，在吸收到再生环节内，整个过程实现稳定同步的碳捕集能消耗，也为燃煤电厂的碳捕获工程的节能减排工作实践带来了一定的参考。

5.结束语

综上所述，因为受到烟气低温腐蚀与积灰的影响，燃煤锅炉的排烟温度就会降低到80-95℃，这也证明仍然有大量的烟气显热没有得到有效的回收与利用，并且烟气当中的煤中水分蒸发与氢燃烧后形成的水蒸气仍然会以气态的形式存留，并且这当中所夹带的汽化潜热也没有得到有效的回收与利用，以至于高位发热值的锅炉热效率持续降低，烟气在以湿法脱硫后，脱硫浆液当中的水分就会吸收烟气显热，随即蒸发，以至于烟气温度降低，湿度增长，最终形成湿烟气。对此，为了当前节能减排的理念能够顺利施行并提升节能减排的效率，对于燃煤烟气中潜热的回收及利用需要了解送风回热系统与送粉回热系统的热经济性与技术经济型，最大程度上的提高回收效率，实现节能减排的环保理念。