濕法脫硫漿液閃蒸余能回收關鍵參數模擬研究

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(哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

我國進入經濟“新常態”以來，各行業轉型處境艱難，老舊能源方式無法滿足熱需求。現有能源配比，化石燃料權重最高，熱利用效率極低，但基于目前大形勢，其作用無法完全取代，新技術改進迫在眉睫[1-2]。熱源電耗將達50～60億kWh,多數能損以熱耗散形勢浪費，其中較多為溫度較低的形式，60%的熱損為低溫熱損[3-4]。低溫余熱的范圍廣基數大，如若方法合理，低溫余熱回收可以應用。一般在同級熱利用和升級熱利用兩個方面改造：同級即原本須高溫熱源改為低溫傳輸，升級即通過外功使低溫熱源升級[5-7]。有些學者支持升級熱利用，但這種方式無形中造成用效能能損增大。熱電連產方式較好將能源回收，我國工業余熱應用范圍廣闊，限于技術未能避免余能損耗，其能量占整個體系的7.3%，市場寬廣，前景無限[8-10]。面對這一現象國外采用：添加低溫煙氣換熱器、煙氣循環器、省煤器前置等，國內采用：強化冷凝、控制排煙溫度、加熱汽輪機尾部蒸汽等。

國內在節能方面注重在低溫換熱器的優化，國外投放添加外部設備，在低溫區進行減壓升溫的方式回收余熱。針對余熱回收問題，本文研究工業鍋爐脫硫塔中漿液在真空條件的余熱回收工藝仿真”，應用ASPEN PLUS進行模擬研究。脫硫過程后其漿液內有大量的水，漿液溫度50～60℃，pH值在5～7之間，部分結晶[11-13]。通過閃蒸技術使得低溫水在低壓狀態變成水蒸氣，可實現余熱余質的回收利用，利于貧水地區的節水及鍋爐的效率提升。為此，需在低壓真空條件下使得液固分離，應用低溫吸熱物質為載體實現低溫余能回收。真空條件模擬換熱工質與換熱設備的磨損[14-17]。重點研究三種脫硫方式的蒸汽特性，以實際工業參數為依據，保證模擬可靠。主要研究：不同組分和溫度的漿液在真空條件下的蒸發特性、不凝結性氣體對整體流量的影響，探究規律，指導工程實踐。

1 仿真流程

1.1 仿真模型

以4×70 MW的燃煤電站為模型的基礎，建立其脫硫塔中漿液吸收煙氣熱量的回收。分析閃蒸過程中的換熱規律，進行能耗分析。

閃蒸罐的閃蒸模型選取FLASH2模型，閃蒸后氣體進入換熱器，使得閃蒸氣體冷凝放熱。閃蒸罐下部的漿液由于吸收電廠低溫熱源的熱量，應進行二次閃蒸，然后將兩次的熱量混合。模塊選取詳見表1。

表1各模塊選取及簡介

模塊所選用戶模型功能參數SEPARATORFlash2閃蒸尾部壓力10 kPaMIXERSMixer混合無延期HEAT EXCHANGERSHeater Heat X換熱效率100%PRESSURE CHANGERSPump計算功耗180 W

Aspen Plus流程模擬中，對于循環回流和設計規定的流程必須迭代收斂，物料的濃度會發生變化，本文采用Wegstein收斂方法建立模型。求解方程組需X=g(X)的Wegstein迭代公式為

X(k+1)=qg(X(k))+(1-q)X(k)

(1)

(2)

式中X——算法函數；

q——錯誤率。

1.2 模型方式及物性方法規定

模型應用涉及三種脫硫方式，使得相同能耗下有不同的余熱回收能力。三種方式分別為：雙堿法系統的化學反應模型、鎂法系統的化學反應模型、石灰石-石膏法系統的化學反應模型。本文采用70 MW工業鍋爐為參數源，其漿液組分如表2。

表2各工藝組分配比圖

工藝方法物質組成石灰石-石膏法H2OCaSO4CaSO3CaCO3NaClNH4HSO480%7%6%5%2%200 mg/L雙堿法H2ONa2SO3Na2CO3NaOHNaClNH4HSO480%9%4%5%2%200 mg/L鎂法H2OMgSO4MgSO3MgONaClNH4HSO480%7%6%5%2%200 mg/L

2 結果與分析

2.1 溫度對流量影響分析

在氣密性良好的條件下，不凝結氣體對真空泵維持恒定的真空度影響很大。其中不凝結氣體的溶解度和泵的抽氣速率都會受到壓力的影響，實際的生成中壓力會在一定范圍內波動。在閃蒸過程中壓力在短時間內突變，勢必造成氣體不同程度的溢出。脫硫漿液有不同成分的鹽類組成，其中的不凝結氣體多為：SO2，CO2，N2，O2，NOx等，由亨利定律可知

Pi=XikLi

(3)

式中Pi——穩定狀態氣相分壓；

Xi——氣相組分在改溶液中的溶解度；

kXi——亨利常數，與組分有關。

參數選取見表3。

表3參數選取表

參數數據煙氣進口溫度/℃140漿液溫度/℃55閃蒸罐初壓力/kPa101.3閃蒸罐初溫/℃55煙氣流量/Nm3·h-11 070 659脫硫漿液的循環量/t·h-15 000N2摩爾分數0.7H2O摩爾分數0.17O2摩爾分數0.058SO2摩爾分數0.002CO2摩爾分數0.07

圖2顯示不凝結氣體的溶解度小，熱量的存儲小。絕大多數的熱量集中在水的氣化潛熱與漿液顯熱上，剩余的熱量在漿液的多組分鹽中。當漿液溫度在25℃時漿液與水的流量分別為4.8×105kg/h，3.9×105kg/h。漿液溫度在25～80℃時H2O和漿液流量緩慢下降，但是在80～120℃區間內急速下降。實際煙氣溫度在140℃內，故漿液溫度一定小于140℃。

2.2 溫度對氣體溶解影響分析

圖3顯示氣體的溶解度隨溫度的升高而降低，其中O2和N2的溶解很低，在100℃時趨于平緩，溶解度接近為0。CO2和SO2比O2和N2更易溶于漿液，石灰石-石膏法工藝中的CO2和SO2的溶解度在低溫25℃時溶解度分別為680 kg/h和499 kg/h，O2和N2分別為：19 kg/h和47 kg/h。CO2和SO2的溶解度在25～100℃快速下降，曲線為凹,可知下降速率不斷減小，在98℃下CO2和SO2分別平穩維持在8.9 kg/h和9.1 kg/h。O2和N2溶解度在25～100℃緩慢下降，在105℃下趨于平穩，分別維持在7 kg/h和9 kg/h。鎂法工藝中的CO2和SO2的溶解度在低溫25℃時溶解度分別為301 kg/h和392 kg/h，O2和N2分別為18.7 kg/h和48 kg/h。CO2和SO2的溶解度在25～95℃快速下降，SO2曲線為凹,可知下降速率不斷減小，而CO2曲線為凸可知下降速率不斷增加。99℃以后SO2維持在6.9 kg/h，101℃以后CO2維持在32 kg/h。O2和N2溶解度在25～97℃緩慢下降，在107℃下趨于平穩，分別維持在7.1 kg/h和8.8 kg/h。雙堿法工藝中的CO2和SO2的溶解度在低溫25℃時溶解度分別為221 kg/h和232 kg/h，O2和N2分別為8.7 kg/h和28 kg/h。CO2和SO2的溶解度在25～97℃快速下降，SO2曲線為凹可知下降速率不斷減小，而CO2曲線為凸可知下降速率不斷增加。97℃以后SO2維持在5.9 kg/h，101℃以后CO2維持在42 kg/h。O2和N2溶解度在25～97℃緩慢下降，在107℃下趨于平穩，分別維持在5.1 kg/h和4.8 kg/h。溫度的氣體影響很大，石灰石-石膏法、鎂法、雙堿法含O2和N2量溫變前后差異不大，由于O2和N2是空氣提供的，但是CO2和SO2在低溫段不相同，這是由于不同工業的鹽的組分不同氣體的飽和溶解度不同，當溫度高于100℃時即使鹽分不同，但兩種氣體飽和度趨近臨界值。

2.3 壓力對氣體溶解影響分析

此次的模擬適用于氣體的分壓比重不大，閃蒸過程中處于常壓的低壓過程，氣體假設為理想氣體。

壓力從100 kPa降自25 kPa時漿液和H2O的流量平緩下降，25 kPa降自20 kPa漿液和H2O的流量開始加速下降，20 kPa到0 kPa這個壓力段流量隨真空度的提高快速下降。這是三種工藝的大致趨勢，其中石灰石法工藝在20～10 kPa壓力段出現凹陷，說明壓降過程中流量減少的幅度放緩。三種工藝在常壓下，漿液和水的流量分別為5 000 t/h，3 800 t/h，在閃蒸過程后石灰石法工藝關于漿液和水的流量維持在1 000 t/h，200 t/h，鎂法工藝關于漿液和水的流量維持在1 800 t/h，300 t/h，雙堿法工藝關于漿液和水的流量維持在1 850 t/h，360 t/h。氣體溶解度低，并且在閃蒸壓降過程中氣體量變化略有下降，這是由于雖然壓力降低引起溫度的上升，但是溫升和壓力的下降共同作用使得氣體的溶解度發生變化。為了更清晰描述氣體的變化規律進行細化如圖3和圖4。

上兩圖皆顯示：水蒸氣和不凝結氣體含量與環境壓力成正比，為使得閃蒸過程的余熱回收能力增強，必須減小工質壓力，需要添加真空泵。三種工藝的SO2、CO2的含量各不相同，但是N2、O2的含量大致相同，在10 kPa N2的含量大于O2的含量，但是都不超過33 kg/h。石灰石法工藝的在100 kPa時的SO2、CO2的含量分別為：209 kg/h，276 kg/h。鎂法工藝的在100 kPa時的SO2、CO2的含量分別為：161 kg/h，189 kg/h。雙堿法工藝的在100 kPa時的SO2、CO2的含量分別為：92 kg/h，173 kg/h。

2.4 泵功耗對壓力與溫度影響分析

閃蒸余質回收過程中由于流體需要降壓及輸送，流體輸送過程的能損包括壓縮機、閥門、泵、管道和管線，進項合理的簡化刨除閥門的能損，單獨分析管線長度和壓力對不同工藝泵功耗影響。因石灰石-石膏是電解質，故采用電解質模型，通過設置真空泵的壓力，在給出定壓泵的驅動機效率和水力學效率條件下，計算所需的驅動機功率和軸功率比得出出口流體狀態。設定驅動機功率為0.9，軸功率設定為0.7，循環泵由返回到脫硫塔的返料泵閃和蒸進料泵，為此建立能耗分析模型。

設定循環泵流量為5×103t/h，粗糙度為0.03 mm,揚程20 m，管長40 m,管直徑500 mm，泵的出口壓力為400 kPa，降低壓力為10 kPa，氣體進入分離器，去除水分。選用等熵壓縮真空泵，改變功率使得排出壓力變化。通過靈敏度分析，改變真空壓力脫硫和漿液進料量觀察真空泵的功耗。

圖6(a)可清晰看出隨著漿液中的余熱回收的過程，漿液的溫度降低，泵的功率也隨之減小，溫度在60～50℃是緩慢減小，成線性趨勢。在50～10℃時非線性分布，圖線為凹線，趨勢總體快速減小，但是減小速率逐漸減小。石灰石-石膏工藝功率一直高于其他兩種工藝，在60～44℃是雙堿法功率高于鎂法功率，在44～10℃鎂法功率高于雙堿法功率。圖6(b)顯示功率與壓力的關系，隨著真空度的提高壓力的下降，功率隨之提高，成非線性變化。石灰石-石膏工藝功率一直高于其他兩種工藝，壓力在1～12.6 kPa范圍時鎂法功率高于雙堿法功率，12.6～20 kPa時雙堿法功率高于鎂法功率。三種工藝都是雙凹線，中間有拐點。石灰石-石膏工藝在10～14 kPa功率隨壓力變化率隨壓力減小而增大，在14 kPa處變化率驟減，然后變化率仍然隨壓力減小而增大。鎂法與雙堿法工藝的變化趨勢與石灰石-石膏工藝類似，拐點分別為13.1 kPa與12.3 kPa。

3 結論

本文以脫硫漿液中的余熱回收為基礎，應用ASPEN PLUS軟件搭建了真空閃蒸冷凝模型。探究石灰石-石膏法，鎂法，雙堿法三種工業的相關因數對功率、流量的影響，溫度壓力對泵功、氣體溶解度、氣液兩相的影響。得出如下的結論：

(1)氣體溶解度小，蓄熱能力弱，漿液能量集中在水的氣化潛熱與溫漿顯熱上，其余熱量在各種鹽分中。漿液溫度在25～80℃時H2O和漿液流量緩慢下降，但是在80～120℃區間內急速下降。氣體溶解度隨溫度升高而降低，符合亨利定律。O2和N2是空氣提供的，三種工藝的溶解度大致相同范圍分別為19～3.1 kg/h，42～3.8 kg/h。SO2和CO2的溶解度與工藝有關，石灰石-石膏法工藝最高分別為499 kg/h，688 kg/h，雙堿法最低分別為232 kg/h和221 kg/h。

(2)壓力對氣液兩相的溶解的影響大，三種工藝的趨勢大致相同，壓力越高溶解度越高，可見為提高閃蒸效率可通過提高泵的真空度來實現。三種工藝中氣體溶解度SO2>CO2>N2>O2。石灰石-石膏法中SO2、CO2、N2、O2最高溶解度分別為：278 kg/h,210 kg/h,28 kg/h,11 kg/h；鎂法中SO2、CO2、N2、O2最高溶解度分別為：179 kg/h,151 kg/h,29 kg/h,12 kg/h；雙堿法SO2、CO2、N2、O2最高溶解度分別為：172 kg/h，92 kg/h，15 kg/h，7 kg/h。

(3)泵機功率為0.9，軸功率設定為0.7，功率的提高使得壓力降低，使得閃蒸回收的熱量增多。壓力與功率關系成非線性，三種工藝壓力與功率的關系：壓力在10 kPa,拐點功率變化率隨壓力減小而增大，在拐點處變化率驟減，然后變化率仍然隨壓力減小而增大。石灰石-石膏、鎂法、雙堿法工藝拐點分別為：14 kPa、13.1 kPa、12.3 kPa。