烟气净化和热回收：开放式吸收系统的生物质燃烧锅炉外文文献翻译、中英文翻译、外文翻译
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烟气净化和热回收：开放式吸收系统的生物质燃烧锅炉Lars Westerlunda,*，Roger Hermanssona, Jonathan Fagerstrmba瑞典吕勒奥大学能源工程部S-971 87 Luleab瑞典于默奥大学能源技术与热化学工艺部SE-901 87 Ume文章历史： 2011年8月30日收到2011年12月14日收到修改稿2012年2月29日收入2012年3月27日有效性入网摘要 能源回收新技术结合烟气中粒子分离已经在这个项目中进行了测试。传统的小锅炉燃烧生物质燃料，烟气中的微粒带走较多热量排放到环境中。如果烟气中的温度和水分含量可进一步降低能获得更高的效率，减少了对环境的影响。在热力生产单位中安装一个开放式吸收系统就能满足这些要求。试点单位已建成并在过去2年进行测试运行。结果表明与普通的系统相比烟气中的微粒减少了33-44%。与此同时当燃烧湿的生物燃料时单位体积的热产物增加40%。关键词 开放吸收系统 颗粒减少 热回收第一章 介绍现在的小型生物燃料锅炉（100千瓦）具有较高的效率，但在烟气中颗粒量仍然太高1,2。对于这样大小的锅炉3在市场上可用的烟气净化的费用太高。这次设计的廉价的开放式吸收系统可以有效的用在这些单位。在这时烟气中的颗粒物减少，主要的烟气中的余热在对流过程中被回收。热能供应系统的热量主要是由锅炉产生的，并且在循环系统中只需少量的电量。吸附技术具有的优点是和传统的热回收系统相比，水蒸气中的潜热能更好的被利用4。由于露点的限制，普通的热回收设备不适用于吸收系统的。参考4 还得出结论，吸附系统比冷凝锅炉系统有较好的经济效益和环境效益。据我们所知开放式吸收系统还没有被用于热回收和减少生物质锅炉烟气中的颗粒。假定使用湿除尘器的技术将得到相同的微粒去除效率并更有效的回收热量。开放式吸收系统主要由三部分组成：吸收器，发生器和冷凝器（见图1）。工作介质（水）是由外部系统所产生 （主要来自生物燃料）。烟气被带入吸收器中与吸收溶液接触。水蒸汽被溶液吸收，烟气进行干燥，冷却和洗涤颗粒。稀释后的溶液被泵入吸收了主热供给中分离出的水的吸收器。浓缩液在闭环系统中被输送回吸收器。水蒸汽在冷凝器中冷凝放出主要的潜热。压缩和冷却的水通过冷凝器之后被系统分离出来。第二章 测试设备吕勒奥大学技术部已经进行了很长时间的关于开放吸收系统的全面的研究工作。针对不同的应用开发的工厂已经建成，主要用于干燥的目的8,9。在实际情况下，实际的情况是由于微粒和化学物质反应可能毁掉溶液的稳定性，使吸收液变得更剧烈。该设施是连接到一个现有的锅炉，限制了设备的空间。但是吸收器和发生器之间的距离过长使实验过程中热损失过大。2.1系统说明 开放式吸收系统由不锈钢组成并集成在锅炉上如图2展示，其中吸收器和发生器被清楚的看到。第三个主要部件，冷凝器是热交换器（HEX4）。逆流吸收器由一个通道和填充填料组成，创造吸收液与烟气之间的良好接触。吸收器的名字是由烟气和溶液的流动方向决定的；当气体水平流动时该溶液垂直流过。该发生器包括若干垂直管热，烟气在管道内部流动。该管被吸收液所包围。热从烟气中传输到管内用于吸收的水蒸发。来自锅炉的热气体的一部分被用于给发发生器入热量，所有的气体在进入吸收器之前经过锅炉的对流部分。该旁路在正常的运行阶段穿过了吸收器。在烟气经过吸收器时吸收器中的吸收溶液吸收了烟气中的大量颗粒。在同一时间，烟道气被冷却和干燥。经过吸收器后烟气流向烟囱。由于吸收液中收集到的颗粒是通过一个小的流量连续通过过滤器分离的。垂直的流过吸收器时烟气中的热流体温度升高。在HEX1和2热量传递到集中供热系统。在发生器中产生的蒸汽被冷凝并冷却在HEX4放出热量到区域供热系统，冷凝物最终从系统中排出。区域供热系统是通过在锅炉对流区最后加热，从吸收器中吸收稀溶液到发生器在HEX3被预热。浓缩溶液的吸收剂在此热交换器中放出热量时被冷却。表1 字母的下标的命名命名符号下标Q热传递速率（KW）boiler锅炉传热效率（KW)V流体体积（m3/s)generator发生器的传递速率（KW）T温度extra根据增加的面积的热传递率（KW）TT温度变送器和温度conc吸收液浓度（质量分数）m流体质量流量（kg/s)frac abs流经吸收器的总烟气流的一部分 （质量分数）CP比热容（J/kgK）缩略语h焓值（KJ/kg)HEX换热器密度（kg/m3)TT温度变送器和温度()下标LT液位变送器absorber 1来自烟气的能量FM流量计absorber 2流体的能量CU控制单元ref参考值（0）CV控制阀conv传统锅炉的热传递率（KW）P泵图1开放吸收系统2.2 仪器仪表 系统状况的整体图，在温度为（TTS）和液体流流量为（FMS）时进行测量如图3展示。干湿计（干和湿球温度）被用来在吸收器后建立烟气流。测量的时间间隔是10s。为了控制系统，在发生器中的温度应保持在一个恒定的值。这是通过控制发生器中的流体流量和设备中的热烟气量来进行的。如果在发生器的温度高于设定值，稀释后的溶液通过增加控制阀（CV1）的开口使流至发生器的流量增加。如果它是完全开放的系统，而温度仍然过高，阻尼器（CV2）将减少热流体流向发生器。液面在发生器应该是恒定的，并且被页面传感器（LT1）和控制阀（CV5）控制。第3章 方法3.1 热量和质量平衡吸收器的热平衡由随烟气排出的热量和集中供热系统带走的热量组成，溶液流参照公式1。吸收液的质量流量，温度和比热是变化的但是保持一个总的平衡。 (1) 烟气中的焓（H）的计算与空气湿度有关。用于干燥烟气的热容量值是通过加入催化剂的比热容量的值乘以其质量分数来确定。估计烟气在吸收器和干湿计之前不能使用，因为温度高出了100。水的含量是直接通过软件Fluegas测量得知烟气中水的含量和烟气中氧气的含量。来自锅炉的干烟气的总质量流量，已经用Fluegas软件测量得知，还需要通过手动的方式测量气流的总体积。测量冷凝水的体积流量用流量计（FM2图2中）。吸收器中的浓缩吸收液的体积流量由图3中的阀5的登记的开放时间决定。在一个开放期间1.551升体积流动到吸收器。从吸收器稀释后的溶液的质量流量可随后通过添加缩合物的质量流量以及浓溶液的质量流量进行计算。 在HEX3和4之间也存在热平衡。在HEX3的表面水蒸气的潜热包含在平衡中。总传热速率用在区域供热系统的质量流量的计算和TT1和TT5之间的温度差的计算。根据下面的公式进行计算从烟气吸附水的质量和冷凝物的量。 (2)在恒定条件下运行设备时从烟气和冷凝液流从系统中所吸收的水应该是相等的。湿度比和其他变量根据前面的描述来确定。图 2开放吸收系统与锅炉组合图3控制设备和测试设备3.2 热回收通过比较传统的锅炉系统和水洗器得出下面的概念和计算。 传统的传热效率：不开放系统的锅炉传热速率是通过公式（3）计算的。发生器引起的大面积的温度降低，这种情况它只发生在锅炉的对流部分。它因此被撤回以获得高效的总的热传递速率。 (3) (4) 方程（4）中发电机热功率包括吸收溶液的加热，加热水（液体）和蒸汽过热。使用的焓值包括了水中的能量。燃料水分含量：燃料中水的含量（质量部分）。集中供热系统温度加热单元：在HEX 1 i.e., TT1之前测量。理论上可能的改进：计算可能从烟气中恢复的能量，如果能量通过锅炉后降低到烟气离开吸收器是的水平。这个值被除以常规的热传递速率。 (5)测量改进：在区域供热系统测量的总传热速率除以传统的热传递速率。 (6)通过修正热损失：总测量传热率加上理论计算的热损失，除以常规的热传递速率。改善水洗器：没有热损失的理想洗涤器的理论计算。该装置的工作温度相当于集中供热系统温度的加热单元（TT1）和烟气经过洗涤器之后温度相比差5度。经过涤气器后的再加热烟气不包括在计算中。 (7) 3.3 烟气通过旁路泄露对烟气系统中的阻尼器（CV3）来说是正常的。为了确定这种泄漏，测量时封闭阻尼器。在空气温度为204时再测量几种不同的体积流量进行分析。来自锅炉的大量烟气流经过吸收器后使用微压计和皮托管研究断面上的不同点的温度。 结果表明仅总体积流量的64通过吸收器，这取决于较高的压降。流动阻力正比于每个电路（吸收器/阀门-CV3）的体积流量的平方，并随后可确定为这些流动阻力的大小。即使温度变化，这个量几乎是恒定的，只要烟气可被视为理想气体。烟气进入和流出吸收器的状况是已知的。根据理想气体规则可能可以计算出流入和流出吸收器的特定量。部分通过吸收器的干烟气的质量流量可以在实验中确定。3.4 颗粒取样和分析 用Dekati（DLPI）系统的13级低压冲击进行颗粒收集。这些颗粒根据气体动力学原理直径进行分离，范围是在0.03到10m。进入和流出吸收器时两个撞击器在同时使用。气流通过冲击器被匀速带出。通过比较这些结果，烟气的净化系统可以建立。在一个附加的能量色散型X射线检测器（SEM-EDS）的电子扫描显微镜中，进行粒子的化学成分分析。第四章 结果 实验值的分析，基本上是基于热量和质量平衡的。从整个系统内流失到房间内的热损失为11.4 KW。这个值被用在所有实验的评估中。增加电输入的方法是使用由四个液体泵组成的开放式吸收系统或者增加引风机的压力。在实验装置中增加电输入估计为2.2 KW。该系统的小体积流量和系统不同部分之间的距离的瞬时值测量比较困难。锅炉产生烟气质量流量的65-66%通过吸收器。排除锅炉的烟气温度在所有的实验中都在150-180的范围之内。4.1 传热率集中供热的传热率在图4中表示。各热交换器（HEX1，2和4）和锅炉如图所示，总传热效率（总）与吸收器（绝对压力）的热传递效率也包括在内。吸收器的传热速率包括HEX1和2。图4 集中供暖的传热效率图5 集中供暖区域的温度等级和烟气离开系统图 6 烟气吸收水分和冷凝物的质量流量表 1系统中的不同含水量和不同温度下在区域供热系统的加热单元的热传递速率。 传统的热传递率（千瓦）燃料的水分含量（）集中供热系统温度加热单元（）理论上可能的改进（）测得改善（）通过整流改进热损失（）6550.946.45023447051.741.04629466152.144.44525457052.052.34124414248.035.15519478028.038.3261025表2比较开放吸收系统和水洗涤器的热改进效果燃料的水分含量（）通过整流改进热损失（）改善洗涤水（）50.9442351.7462752.1452552.0411948.0472928.025164.2 吸收溶液 烟气离开吸收器的相对湿度为38 - 45RH。这个值有点高于设计值是因为吸收率和吸收器中存在较高含量的CO2。二氧化碳的浓度被稳定在一个较低的水平，并从供热过程中发生器的吸收溶液中分离出来。实验结束后把经过发生器的吸收液和新的没有接触过烟气的吸收液的吸收能力进行比较。结果表明吸收能力只有很小的差别。4.3 烟气和集中系统之间的热传递 图5显示在进过热交换（HEX1）之前集中供暖系统(TT1)的温度，还有烟气离开吸收器的的干温度。烟气温度只比水温高1-2，甚至有两三度的下降。烟气的热量传递到吸收液，吸收液把热量传递给集中供暖系统中的水。热交换器（HEX1）具有大的传热面积。不仅是温度，而且还对烟气离开吸收器的相对湿度和传热率有关联。如果气体离开吸收器的相对湿度增加，热传输速率将会降低。图5表明在16小时之后会引起额外的垢腻。4.4 质量平衡 图 6 表明了估算吸收的来自吸收器中烟气中的水分与测量的在HEX4之后的冷凝物进行比较。这些变量的平均值对应良好。冷凝物在吸收器和发生器之间的时间差是很长的，因为大量的吸收液被用在吸收器和发生器，只有少量的水被吸收。因此瞬时值不能被使用。4.5 热回收的改进 六个实验的不同结果显示在表1和表2. 在表中使用的概念在3.2节中进行了说明。增加的电输入不包含在比较中。 表1和表2表明提高了燃料的水分含量可以提高热回收。在集中供热系统中的较低温度具有相同的影响。实验装置的热损失很大。在表1的最后一列对开放式吸收系统与传统的锅炉进行最准确的比较。这些值是一个理想的单元中求出的，因为一些热损失总是会出现。减少燃烧中的含水量完善减排机制。开放式吸收系统优于水洗器，因为烟气是使用吸收系统进行干燥的。湿气中的能量被用来提高和改善机器。烟气经过洗涤器后再加热，增加了烟气与系统的温度差。增加集中供暖的回水温度减少了热回收，对开放式吸收系统和水洗器来说是不重要的。图 7 不同颗粒质量的粒度分布 4.6 在烟道气中减少颗粒 在烟气中的颗粒是由吸收溶液中的吸收剂与烟气接触进行收集的。结果表明，在吸收器之前的烟气中的颗粒的粒径在0.1-0.3之间，见图7，生物燃料正常使用的大小1,10。根据11中所述湿式除尘器的颗粒除去效率在这个范围内是非常低的。小尺寸的颗粒是对人类有害的，应该尽可能减少。当吸收器均匀分布时粒径没有超过限额的百分比减小。格罗恩10报道说去除效率是在相同的范围内。对每个燃料采取两个样本，结果列于表3-6。颗粒的化学成分在通过吸收器中的流动过程中不发生变化。测量成分为钠，硅，磷，硫，氯，钾，锌。最后一个实验后进行检查过滤器的内部和使用过的过滤器。颗粒的数量是无法确定的，但累积高度可以观察到。吸收器中吸收液的颜色和在过滤器内部的颜色有很大不同。因此可以说是一个很好地过滤器。表3 烟气中粒子的测量结果，燃料：木屑。在吸收10%O2之前(mg/Nm3)在吸收10%O2之后(mg/Nm3)减少颗粒（）Run11811-35Run22316-31Run31812-34表4 烟气中粒子的测量结果，燃料：木材废料。在吸收10%O2之前(mg/Nm3)在吸收10%O2之后(mg/Nm3)减少颗粒（）Run15129-42Run23921-46表5 烟气中粒子的测量结果，燃料：木材和红色金丝雀草。在吸收10%O2之前(mg/Nm3)在吸收10%O2之后(mg/Nm3)减少颗粒（）Run1149-36Run2138-40表6 烟气中粒子的测量结果，燃料：木材废料和红色金丝雀草。在吸收10%O2之前(mg/Nm3)在吸收10%O2之后(mg/Nm3)减少颗粒（）Run14025-39Run22614-47第五章 结论烟气的净化效果令人满意，烟气中33-44%的颗粒被分离。使用过滤器的锅炉相对于其他焚化厂产生的颗粒量有明显减少。一个令人振奋的结果是有害小颗粒的分离是有效的。粒子可以简单地从系统中的过滤器中除去。但吸收液没有明显的破坏只可能建立在实验过程中。 当使用潮湿的燃料时烟气中的回收余热约40是生物质燃料增加产生的。增加电输入估计为2.2千瓦，不包括 在比较中。工业设备使用更少的电量。参考文献1 Messerer A, Schmatloch V, Pschl U, Niessner R. 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