氧化鋁焙燒爐煙氣節能環保協同治理的工程實踐

摘要：開式吸收熱泵比閉式吸收熱泵省去了蒸發器，應用于煙氣余熱回收領域，減少了熱量傳遞環節，提高了余熱回收效率?；陂_式吸收熱泵技術研發的一體化技術，回收余熱的同時，兼顧水平衡和煙氣排放，是避免二次污染的煙氣節能環保協同治理技術。采用一體化技術對氧化鋁焙燒爐煙氣進行節能環保綜合治理既符合國家余熱供暖的要求，也是實現氧化鋁行業碳減排的最經濟技術路線。

關鍵詞：開式吸收熱泵;余熱回收;焙燒爐煙氣;碳減排

1.引言

氫氧化鋁焙燒是氧化鋁生產中的最后一道工序，氫氧化鋁在氧化鋁氣態懸浮焙燒爐中脫除附著水、結晶水，晶型轉變生成氧化鋁產品。焙燒過程產生的煙氣余熱包括顯熱和潛熱兩部分，其中水蒸氣體積比約為37%，汽化潛熱占比高達90%，直接排放，浪費大量煙氣余熱，煙氣中的水分和氧化鋁粉末更加劇了有色煙羽的視覺污染。

傳統余熱回收技術在煙氣余熱回收領域存在多種弊端，如直接冷凝法受限于煙氣露點，無法同時兼顧余熱品質和余熱回收量，煙氣余熱回收率低。熱泵工藝中，因煙氣含有粉塵、SO2等物質，腐蝕性較強，熱泵不能與煙氣直接接觸，需通過中介水或間壁式換熱器間接將煙氣降溫冷凝，但降溫后排煙溫度降低，并凝結出酸性廢水產生二次污染。

針對傳統煙氣余熱回收技術的弊端，涌現了基于開式吸收熱泵技術的煙氣深度凈化及余熱回收一體化工藝（以下簡稱“一體化工藝”）。與傳統冷凝法和“閉式吸收熱泵+中介水”（以下簡稱“閉泵工藝”）余熱回收相比，一體化工藝利用強吸濕性溶液直接噴淋煙氣，吸收煙氣水分及氣溶膠，回收煙氣汽化潛熱，吸收后的煙氣為非飽和狀態，無過飽和凝水、掛冰等次生災害，回收的水分為二次蒸汽蒸餾水，無廢水產生，實現煙氣節能環保的協同治理。

2.開式吸收熱泵研究進展

公開發表的，較早研究開式吸收熱泵的文獻是，1992年R.M.Lazzarin等人[1]利用天然氣為驅動熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，吸收房間熱濕排風的潛熱和顯熱加熱新風，用于房間供暖。2012年瑞典學者L.Westerlund等人[2]發表了基于開式吸收式熱泵循環，利用溶液直接噴淋生物質鍋爐煙氣的研究，實驗結果表明溶液直接吸收煙氣后粉塵降低33%～44%，并提高濕燃料40%的產熱量。大連理工章秋平 [3]，中科院大學路源等人[4，5]，研究發現，提高溶液濃度、降低溶液溫度、提高液氣比可提高開式吸收器傳熱傳質性能。魏璠等人[6]對第二類開式吸收熱泵系統進行了設計和性能分析，研究表明，典型工況下系統COP為0.64。浙江大學葉碧翠等人[7]，設計了兩級開式吸收熱泵并建立熱力學模型以分析其性能，COP根據發生溫度的變化可達1.204～1.995，同條件下，閉式吸收熱泵COP最高僅為1.409。2014年昊姆節能徐敬玉等人[8]提出了基于開式吸收熱泵循環的一種鍋爐煙氣的處理裝置及處理方法，通過溶液對煙氣的直接噴淋，吸收煙氣中的水分、粉塵及SO2等氣溶膠，減輕有色煙羽視覺污染，降低煙氣污染物排放，改善了排煙效果，同時回收煙氣余熱。

3.開式吸收熱泵循環及一體化工藝

3.1開式吸收熱泵循環特點

根據吸收過程的熱力學特征不同，開式吸收熱泵分為絕熱吸收型和等溫（內冷）吸收型，根據吸收器的結構不同，分為降膜吸收和噴淋+填料吸收，根據發生方式的不同，分為開式發生和閉式發生。適用于煙氣、烘干廢氣等大體量，低能量密度工業熱濕廢氣的系統型式一般為“噴淋+填料絕熱吸收搭配閉式發生”的開式吸收熱泵循環[10]。

開式吸收熱泵利用溶液直接噴淋吸收被處理廢氣中的水蒸氣，從而形成以“溶液-廢氣中水蒸氣”為工質對的開式吸收循環。濃溶液在開式吸收器中吸收廢氣水蒸氣，吸水吸熱后濃度降低變為高溫稀溶液，釋放熱量給工藝水后，稀溶液進入發生器，被驅動蒸汽加熱濃縮為濃溶液，濃溶液繼續進入開式吸收器進行下一個吸收循環，發生器中濃縮產生的二次蒸汽在冷凝器中被工藝水冷凝為液態水，回收利用。與閉式吸收熱泵相比，開式吸收熱泵省去了蒸發器（如圖1），減少了有氣密性要求的設備數量，并能輸出全部的吸收熱和冷凝熱[11]。

3.2一體化工藝流程及優勢

煙氣、烘干排氣等工業熱濕廢氣除大體量，能量密度低以外，還具有含酸、含粉塵等特點。要實現開式吸收熱泵的規?；I應用，必須要充分考慮設備的防腐、耐磨等特性，同時要兼顧節能環保的協同治理。

基于開式吸收熱泵技術開發的一體化技術及成套設備，主要由吸收器、發生機組、換熱機組和沉淀處理機組四大件組成。工藝流程分為煙氣、驅動蒸汽、工藝水、溶液四個主要流程，如圖2：

1）煙氣流程，煙氣、烘干排氣等工業熱濕廢氣進入吸收塔，被濃溶液噴淋吸收后，脫除煙氣中水分及粉塵，變為潔凈非飽和干煙氣排出，同時煙氣中水蒸氣被溶液吸收發生相變，釋放出汽化潛熱。

2）驅動蒸汽流程，引低壓（>0.1MPa）蒸汽作為驅動熱源，在發生機組內加熱稀溶液，稀溶液濃縮為濃溶液，并產生二次蒸汽，驅動蒸汽放熱后凝結回到廠內除鹽水系統。

3）工藝水（供暖水）流程，50℃管網回水進入一體化系統，分別被吸收塔的換熱機組和發生機組的二次蒸汽兩級加熱后，升溫至90℃以上，供給熱網。

4）溶液循環：濃溶液在吸收塔內吸收煙氣水分后變為稀溶液，稀溶液首先進入沉淀處理機組，進行加堿以及多級固液分離，分離出溶液中的固體顆粒物后，再進入發生系統進行濃縮，濃縮產生的濃溶液重新進入吸收塔進行下一個溶液循環。

開式吸收熱泵和閉式吸收熱泵都有應用于煙氣余熱回收的應用，與一體化技術工藝路線不同，閉式吸收熱泵不與煙氣直接接觸，通過低溫中介水噴淋煙氣，使煙氣冷凝放熱將熱量傳遞給中介水，中介水攜帶熱量泵入閉式吸收熱泵蒸發器，從而實現煙氣的余熱提取。對于煙氣而言，閉泵工藝本質上還是利用了溫差作為傳熱傳質的推動力，沒有充分利用溶液和煙氣水蒸氣分壓力差的推動力。在余熱源（煙氣）和冷源（供暖水）之間增加了額外的換熱環節，降低了余熱回收效率。

為更全面的評價工藝的可行性，除余熱回收效率之外，需綜合評估不同工藝的關聯影響，如節能過程對水平衡以及對煙氣排放的影響。

水平衡方面，回收煙氣余熱必定產生一定量的水，閉泵工藝通過冷凝的方式，回收煙氣酸性水，需加堿處理后排放，否則打破廠內水平衡。一體化技術通過溶液濃縮的方式，以蒸餾水的形式回收煙氣水分，不產生污水，可直接作為供暖管網補水使用，減少軟水消耗。

煙氣排放方面，閉泵工藝冷卻后的煙氣為過飽和濕煙氣，煙氣溫度低，抬升力小，擴散能力弱，不利于煙氣的排放及擴散，造成煙囪附近污染物富集（如CO2）;煙氣中有大量生長中的微小霧滴，從除霧器中逃逸，加劇有色煙羽及煙囪掛冰的風險。一體化技術吸收后的煙氣為非飽和干煙氣，煙氣干球溫度比露點溫度高10～20℃，產生了煙氣再熱效果，提高煙氣抬升力及擴散能力，減輕有色煙羽現象，杜絕煙囪掛冰的風險。

兩種工藝路線回收余熱量相近，但閉泵工藝屬于單一節能技術，一體化技術節能的同時，兼顧水平衡和煙氣排放，屬于節能環保協同治理技術。一體化技術更適用于避免二次污染的煙氣余熱回收場景。

4.項目案例介紹

4.1項目基本情況

山西某鋁業公司氧化鋁生產線配置有6×1350t/d氧化鋁氣態懸浮焙燒爐，正常運行至少5臺，煙氣參數見表1。自備電廠配置8×220t/h循環流化床燃煤鍋爐，6臺運行，2臺備用，配備1×3.6MW、1×6MW高背壓發電機組（排氣5.8MPa）、4×25MW低背壓發電機組（排氣0.8MPa），2×25MW抽凝機組共8臺汽機。擬利用低背壓蒸汽作為驅動熱源，回收焙燒爐煙氣余熱，給市區供暖，替代燃煤供熱鍋爐，該地區供暖期150天。

4.2項目配置及運行情況

采用一體化工藝對氧化鋁焙燒爐煙氣進行節能環保協同治理，針對6臺焙燒爐，新建2套一體化技術成套設備，3爐1塔，其中焙燒爐煙氣余熱資源2用1備，以保證供暖余熱安全，設計輸出熱功率167.2MW，其中凈煙氣余熱79.2MW，驅動蒸汽88MW，驅動蒸汽從自備電廠A列外低壓蒸汽母管接出，蒸汽參數為0.7MPa、170℃。同時新建1座熱網首站，設計熱網循環水量3600m3/h，回水50℃，供水90℃，配置2×26MW熱網加熱器，作為備用，保證供暖安全。一體化項目設計參數見表2。

吸收塔采用碳鋼襯玻璃鱗片防腐，煙塔合一，設置導流葉片，填料層，噴淋層以及除霧器。低溫溶液管道（<80℃）采用碳鋼襯膠，高溫管道（80～140℃）采用碳鋼襯氟。發生機組為6×21t/h蒸發量的鈦合金發生分離器。沉淀處理機組采用兩級旋流搭配壓濾機，有效分離溶液中氫氧化鋁粉末。

本項目作為供暖基礎熱負荷，實施后年實際供暖166萬GJ，其中焙燒爐煙氣余熱79.8萬GJ，自備電廠驅動蒸汽86.2萬GJ，見表3。按照供暖熱價 35元/GJ計算，凈節能收益約為2793萬元。

通過回收煙氣余熱替代燃煤供暖鍋爐，供暖季平均COP1.93，年回收煙氣余熱79.8萬GJ，折合2.73萬噸標煤，碳減排7.14萬噸，供暖季回收煙氣中氫氧化鋁粉末100噸，回收水分30萬噸，有效減輕有色煙羽視覺污染，具有良好的經濟效益和社會效益。一體化技術在煙氣節能環保協同治理的應用，已通過生態環境部科技發展中心 “煙氣深度脫白及節能環境保護技術”評估。

一體化技術開創性的利用一套設備解決節能和環保兩大問題?！肮δ芏弦弧?，既將煙氣低品位熱能進行回收，加熱供暖水，降低企業一次能源消耗，增加企業競爭力，又能回收煙氣粉塵，水分，改善煙氣排放效果，不產生二次污染。一體化技術的成功應用，開創了可行的產生凈收益的濕煙氣有色煙羽治理新路線，改變了傳統有色煙羽治理能耗高，收益低的現狀，使北方的有色煙羽治理具備了經濟可行性。

5.結論

煙氣余熱回收領域，開式吸收熱泵比閉式吸收熱泵節省了一個熱量傳遞環節，提高了余熱回收效率，供暖季平均COP可達1.9以上。

基于開式吸收熱泵技術的一體化技術，回收余熱的同時，兼顧水平衡和煙氣排放，是避免二次污染的煙氣節能環保協同治理技術。

采用一體化技術對氧化鋁焙燒爐煙氣進行節能環保協同治理，具有良好的經濟效益和社會效益，既符合國家余熱供暖的要求，也是實現氧化鋁行業碳減排的最經濟技術路線。

參考文獻：

[1]Lazzarin R M，Longo G A，Piccininni F . An open cycle absorption heat pump[J]. Heat Recovery Systems & Chp，1992，12（5）：391–396.

[2]Westerlund L，Hermansson R，Fagerstroem J . Flue gas purification and heat recovery：A biomass fired boiler supplied with an open absorption system[J]. Applied Energy，2012，96：p.444-450.

[3]章秋平. 開式發生器及除濕器內傳熱傳質規律研究[D]. 大連理工大學，2005.

[4]路源，徐震，肖云漢. 開式吸收式熱泵降膜吸收器實驗研究[J]. 太陽能學報，2011，32（008）：1158-1162.

[5]路源，徐震，肖云漢. 開式吸收式熱泵內冷型吸收器的實驗研究[J]. 太陽能學報，2012（03）：368-373.

[6]魏璠，肖云漢，張士杰. 第二類開式吸收式熱泵系統設計和性能分析[J]. 太陽能學報，2013，34（003）：427-432.

[7]葉碧翠，陳光明，劉駿，等. 新型兩級開式吸收式熱泵系統性能[J]. 化工學報，2014，65（z2）.

[8]徐敬玉，白亮，馬元，等. 鍋爐煙氣的處理裝置及處理方法：，CN104251494B[P]. 2017.

[9]馮再濱. 煙氣余熱回收與除塵一體化吸收器實驗研究[D]. 中國科學院研究生院（工程熱物理研究所），2016.

[10]李勝章，白亮，趙懷超，等. 開放式吸收熱泵技術在煙氣處理中的應用[J]. 中國資源綜合利用，2018.

[11]賈紅書，付林，張世鋼. 開式吸收式熱泵及在煙氣余熱回收中的應用[J]. 化工進展，2013（12）：18-25.

作者簡介：白亮，男，1987年11月，山東濰坊，工學碩士，工程師，主要研究方向為，開式吸收熱泵技術研發及應用研究，煙氣環保節能技術開發及應用。