基于夾點技術的煙氣處理系統的優化與評價

劉中良，王遠亞，張克舫，2，李艷霞

（1北京工業大學環境與能源工程學院，教育部傳熱強化與過程節能重點實驗室，北京 100124；2中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580）

應用技術

基于夾點技術的煙氣處理系統的優化與評價

劉中良1，王遠亞1，張克舫1，2，李艷霞1

（1北京工業大學環境與能源工程學院，教育部傳熱強化與過程節能重點實驗室，北京 100124；2中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580）

二氧化碳捕集系統節能技術受到了人們的廣泛關注，但基本上集中在系統本身，鮮見有關煙氣余熱回收利用方面的研究報道，缺少具體的應用方案。然而，要進一步提高二氧化碳捕集系統的效率，就必須對煙氣余熱進行有效利用。為此，本文以某發電廠與660MW熱電聯產裝置相配套的煙氣處理系統為研究對象，首先采用問題表法確定了換熱網絡的夾點溫度，然后通過冷、熱物流間的“新”匹配對原換熱網絡進行改造，得出3種改造方案：煙氣余熱回收一級換熱網絡是高溫煙氣與胺補液之間進行匹配；煙氣余熱直接回收二級換熱網絡是高溫煙氣依次與富液、胺補液之間進行匹配；而煙氣余熱間接回收二級換熱網絡包括高溫煙氣與富液之間的間接換熱。通過對以上3種改造方案投資費用的比較，發現煙氣余熱回收一級換熱網絡的投資成本最低，是最優改造方案。

煙道氣；二氧化碳捕集；夾點技術；優化；回收；投資成本

在遭受“能源危機”、推崇“節能減排”的當今時代，對高耗能的過程工業進行系統的綜合優化是非常關鍵而必要的。在眾多的過程優化方法[1-3]中，夾點技術的應用尤為矚目。夾點分析技術[4]是在20世紀70年代由蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）和英國利茲（Leeds）大學開發的，最初被英國ICI公司用于原油精餾系統的擴產改造[5]。

從夾點技術得到普遍認可和關注至今，很多行業紛紛采用該技術對生產系統進行節能改造，當然也包括電廠煙氣處理這一領域[6-15]。例如，Harkin等[7-8]結合夾點技術和線性編程優化方法得出通過有效的熱集成可降低50%能耗的結論。Abbas等[10]將二氧化碳捕集單元與電廠耦合，利用夾點分析討論了系統的換熱網絡，總結出能量優化可以使能量損耗率降低12.3%。Tan等[11-13]提出一種將夾點理論應用于CCS產能部分初步改造計劃的方法。王成運等[14-15]對小產量CO2捕集系統進行夾點分析，僅考慮了CO2捕集局部單元。電廠煙氣的處理包括脫硝、脫硫和脫碳3個環節，CO2的捕集只是其子系統，王照亮等也沒有考慮煙氣熱量的回收利用，最終只給出一個新的換熱網絡，沒有對不同的綜合換熱網絡進行對比分析。本文采用某發電廠與660MW熱電聯產裝置相配套的煙氣處理系統和相應數據來進行研究分析，不僅著眼于捕集CO2環節，還考慮了煙氣脫硫單元，首先通過問題表法確定換熱網絡的夾點溫度，然后利用夾點技術對系統網絡進行優化，回收高溫煙氣的余熱，得出3種新的換熱網絡，并對這些新換熱網絡進行節能率和投資成本的比較，得出最優換熱網絡。

1 煙氣處理系統的過程描述及物流數據的提取

1.1 煙氣處理系統的過程描述

從鍋爐排出的高溫煙氣經過布袋除塵和電除塵之后依次進入脫硝、脫硫和脫碳系統。鍋爐煙氣最常用的脫硝技術是選擇性催化還原法（SCR），由于濕法脫硫工藝的脫硫效率高達95%以上，因此這種脫硫技術得到了廣泛應用[16]。如圖1所示，吸收SO2的過程為：煙氣依次通過煙氣擋板、增壓風機之后進入煙氣換熱器，其溫度被降低之后進入吸收塔；在吸收塔內煙氣經過噴淋層和除霧器，脫除了煙氣中的SO2；最后煙氣通過煙氣換熱器升溫至其露點以上。捕集CO2的過程主要包括吸收和解吸兩個環節。在吸收塔內，煙氣中的CO2與進入吸收塔的醇胺溶液（吸收劑）發生反應。富含CO2的醇胺溶液從吸收塔底部流出而被泵入熱交換器，同時參與反應后的煙氣從吸收塔頂部排入大氣。富含CO2的醇胺溶液通過熱交換器獲得能量之后進入解吸塔，100～140℃的溫度下，CO2被解吸出來并從解吸塔頂部流出而進入下一個處理環節，同時貧液從解吸塔流出通過熱交換器降溫之后被泵入吸收塔以重新吸收CO2。大部分的加熱任務由電廠所抽取蒸汽來完成。

圖1 煙氣處理系統流程

1.2 煙氣處理系統物流數據的提取

采用某發電廠與660MW熱電聯產裝置相配套的煙氣處理系統和相應數據來進行研究，對該系統進行熱力學分析所需的各物流的相關信息均為已知。依據物流平衡數據，將6股物流的參數都列于表1中。

表1 6股物流問題數據表

2 夾點位置的確定

2.1 劃分溫區

各物流的虛擬溫度見式（1）～式（4）。

（3）分為8個溫區。

2.2 6股物流問題的溫度間隔和熱負荷

圖2中用垂直的溫度刻度對6股物流進行了示意性描述，被各溫區分成了不同的層次。例如，在第4溫區，物流1、物流2被冷卻，而物流6被加熱。這樣，在每個溫區中，可以依據焓平衡確定熱能的凈盈值或凈虧值。對于任何間隔i的焓平衡計算式為式（5）。

計算結果見表2。

2.3 確定夾點溫度

溫區（i）內所獲得的一切熱能都可以給溫區（i+1）內所有負荷供熱。因此，有可能建立起圖3所示的熱能“級聯”。如圖3(a)所示，假設沒有熱能從熱公用工程供給最熱的溫度間隔①，那么所缺少的0.31MW熱量傳到溫度間隔②；在溫度間隔②中，它合并溫度間隔本身不足的0.69MW熱量，于是就有1.00MW的熱量不足流入溫度間隔③；溫度間隔③具有17.45MW的多余熱量，所以就把16.45MW的多余熱量傳給溫度間隔④；然后依次在溫度間隔⑤、⑥、⑦和⑧中，熱量得到累加，最后，有107.44MW的熱量傳給冷公用工程。很明顯溫度間隔①、②、③之間傳遞的負能流按熱力學是不可行的。為了使它們剛好可行，就必須從熱公用工程加入1.00MW的熱量，如圖3(b)所示，確定夾點溫度是107℃。

圖2 各物流和溫度間隔

表2 6股物流問題的溫度間隔和熱負荷

3 煙氣處理系統換熱網絡的優化

3.1 換熱網絡中物流間的新匹配

現對換熱網絡（圖4）進行改造。以夾點位置為分界線，分別對夾點以上和夾點以下的冷、熱物流間進行匹配。夾點以上，必須滿足的準則是CPhot≤CPcold，因此沒有可匹配的物流；夾點以下（圖5），為避免物流6進行跨越夾點的換熱，對物流1和物流6進行匹配，即添加一個換熱單元，使物流1、物流6之間進行換熱。將夾點以上、以下的設計集成，即可得到如圖6所示的煙氣余熱回收一級換熱網絡（即新換熱網絡1）。

在改造后的網絡中，對于物流1和物流6間的新匹配，被回收的熱量為式（6）。

物流6需要的熱公用工程量為式（7）。

總熱公用工程量為式（8）。

圖4 現有網絡

圖5 夾點以下物流的新匹配

圖6 改造后的換熱網絡

再根據現有網絡，強制使物流1、物流4之間進行換熱，重用換熱器1。然后，物流1、物流6之間進行匹配，這樣就形成煙氣余熱回收二級換熱網絡，如圖7所示。在改造后的網絡中，對物流1和物流6間的新匹配，被回收的熱量為式（9）。

物流6需要的熱公用工程量為式（10）。

總熱公用工程量為式（11）。

對于現有換熱網絡，物流1、物流4之間又存在兩種換熱方式：第一種是煙氣與富液直接換熱，形成煙氣余熱直接回收二級換熱網絡（即新換熱網絡2A）；第二種是物流1、物流6之間的熱量通過循環水間接傳遞，形成煙氣余熱間接回收二級換熱網絡（即新換熱網絡2B）。

圖7 煙氣余熱回收二級換熱網絡

3.2 新換熱網絡的評價

[4]，綜合比較各設計方案的投資費用。已知網絡設備費用的計算如式（12）。

式中，Cd為設備費用，元/a；n為換熱器個數；α為單位換熱器面積費用，元/（a·m2），對于板式換熱器，α取為1000，對于管殼式換熱器α取為1500；A為換熱面積，m2。

網絡操作費用的計算如式（13）。

式中，Co為操作費用，元/a；a為熱公用工程的單位費用，元/（a·kW），取值為914；Qhu，min為熱公用工程負荷，kW；b為冷公用工程的單位費用，元/（a·kW），取值為123；Qcu，min為冷公用工程負荷，kW。

以上3種新換熱網絡的結果比較如表3所示。由表3可見：新換熱網絡1是最優設計。雖然新換熱網絡1的面積較新換熱網絡2A大，但費用降低。由于熱公用工程量減小，相應地，操作費用降低，從而降低了總費用。

4 結 論

（1）本文考慮了煙氣熱量的回收利用，對與660MW熱電聯產裝置相配套的煙氣處理系統進行了夾點分析，夾點分析結果表明系統換熱網絡的夾點溫度為107℃。

（2）根據夾點分析結果，對原換熱網絡進行改造，得出3種改造方案：煙氣余熱回收一級換熱網絡（即新換熱網絡1）是高溫煙氣與胺補液之間進行匹配，煙氣余熱回收二級換熱網絡還包括高溫煙氣與富液之間進行匹配，這又可分為將高溫煙氣與富液進行直接換熱的煙氣余熱直接回收二級換熱網絡（即新換熱網絡2A）和將高溫煙氣的熱量通過水傳遞給富液的煙氣余熱間接回收二級換熱網絡（即新換熱網絡2B）。

表3 3個新換熱網絡的結果比較

（3）對3種改造方案的投資費用進行比較，煙氣余熱回收一級換熱網絡的投資成本最低，只需要新增一個殼程，對系統的改造也最為簡單，因此煙氣余熱回收一級換熱網絡是最優改造方案。

參 考 文 獻

[1]Romeo L M，Usón S，Valero A，et al. Exergy analysis as a tool for the integration of very complex energy systems：The case of carbonation/ calcinations CO2systems in existing coal power plants[J].Greenhouse Gas Control，2010，4：647-654.

[2]Liszka M，Malik T. Energy and exergy analysis of hydrogen-oriented coal gasification with CO2capture[J].Energy，2012，45：142-150.

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[5]伊恩C·肯普. 能量的有效利用——夾點分析與過程集成[M]. 北京：化學工業出版社，2010.

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Optimization and evaluation of flue gas processing systems based on pinch technology

LIU Zhongliang1，WANG Yuanya1，ZHANG Kefang1，2，LI Yanxia1

（1Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation，Ministry of Education，College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，Shandong，China）

Energy saving technologies for CO2capture systems are receiving extensive attentions from both academic researchers and industries. However，most of these researches focused on the CO2capture systems，instead of the waste heat utilization of the flue gas and practical recovery schemes. However，in order to improve the energy efficiency of the CO2capture systems，it was very important to recover the thermal energy from the flue gas. This paper took the flue gas processing system coupled with a 660MW coal-fired power plant as an example，the temperature of pinch point was determined by use of “problem table” method. The initial heat exchanger network （HEN）was optimized by matching hot flows and cold flows. And three new retrofit schemes were obtained：The one-stage HEN for energy recovery of the flue gas was to use the flue gas to heat the makeup mono ethanol amine (MEA) solvent；the two-stage HEN could be further divided into two networks - the first one recovered the heat of the flue gas directly by letting the flue gas heat the rich solvent and the makeup MEA solvent sequentially，the second one recovered the heat of flue gas indirectly，letting the flue gas heat waterfirst and then the heated water was sent to heat both the rich and the makeup MEA solvent. The three new HENs were compared in terms of investment cost，and it was found that the most cost effective method was one-stage HEN.

flue gas；CO2capture；pinch technology；optimization；recovery；investment cost

TQ 025

A

1000-6613（2014）10-2801-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.047

2014-03-12；修改稿日期：2014-04-14。

國家科技支撐計劃項目（2012BAC24B01）。

及聯系人：劉中良（1958—），男，博士，教授，研究方向為環境能源技術的研究與開發、強化傳熱理論與技術、先進節能與可再生能源利用技術及流動與傳熱的數值模擬技術與優化等。E-mail liuzhl@bjut.edu.cn。