含硫煙氣余熱智能相變回收系統性能實驗研究

麻宏強 梁諾 劉葉敏 宋興鵬 王麗 張春娥

1.蘭州理工大學土木工程學院 2.華東交通大學土木建筑學院

目前，化工廠或燃煤電廠燃燒鍋爐產生的含硫煙氣首先會進入高溫空氣預熱器而加熱助燃空氣，然后再進入脫硫塔進行脫硫，最后排至大氣。但脫硫塔前的排煙溫度都較高，可達到120～180 ℃，從而造成鍋爐效率低、能源浪費及脫硫塔后耗水量增大等問題[1-2]，所以有必要安裝煙氣余熱回收系統來回收脫硫塔前的煙氣余熱。國內外對余熱回收系統展開了大量研究[3-8]，目前使用的煙氣回收系統主要包括：有機朗肯循環系統[9]、低溫省煤器系統[10-11]、低溫空氣預熱器系統、旁路煙氣系統及高效循環系統等[12-15]。

上述系統雖然可以回收煙氣余熱，但不能夠解決動態酸露點下的換熱設備酸露點腐蝕問題[16]，所以本研究提出了一種基于智能相變的含硫煙氣余熱回收工藝，該工藝系統可以動態調控煙氣的出口溫度，使其高于酸露點溫度，但因該工藝為新系統，運行特性還不明確，所以通過搭建系統實驗臺，研究影響系統的運行參數，分析得到不同運行工況下的系統性能變化規律，并從系統熱回收系數、系統火用效率[17]，以及溶液進出換熱器溫度差角度評價系統性能。

1 實驗臺搭建及測試方法

1.1 實驗原理

該含硫煙氣余熱智能相變回收系統性能測試實驗臺主要由兩組相變換熱器、壁溫智能調控器、冷凝水箱、電動調節閥、循環泵、液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器及相關附件組成(見圖1)。

在相變下段換熱器中利用稀釋的LiBr溶液回收煙氣中的余熱，并將LiBr溶液汽化，轉化為含有LiBr濃溶液和水蒸氣混合的兩相流。然后，該兩相流進入壁溫智能調控器進行氣液分離，分離出的水蒸氣進入相變上段，與助燃空氣進行換熱，助燃空氣溫度升高，蒸汽放熱凝結成液態水儲存在冷凝箱中，冷凝水通過電動調節閥進入壁溫控制器，與LiBr濃溶液混合，進而又會得到稀釋的LiBr溶液。最后，稀釋后的LiBr溶液通過循環泵再次流入相變下段換熱器進行換熱。

在含硫煙氣余熱智能相變回收系統中，通過冷凝水和電動閥調節LiBr溶液的含量來控制相變下段換熱器的壁溫，并且新系統的壓力取決于換熱器的換熱能力和工藝條件。本研究采用鼓風機控制系統壓力，并使系統處于常壓狀態。

1.2 系統性能評價方法

本研究主要從系統熱回收系數、LiBr溶液進出換熱器溫度差和系統火用效率3個方面對系統性能進行評價，主要考慮了煙氣熱負荷率、LiBr溶液含量和循環泵頻率對其影響。煙氣熱負荷率定義為實際測出的煙氣熱負荷與設計煙氣熱負荷比值，如式(1)所示。

(1)

式中：η為煙氣熱負荷率；Qy為實際煙氣熱負荷，kW；Qs為設計煙氣熱負荷，kW。

1.2.1系統熱回收系數評價方法

含硫煙氣余熱智能相變回收系統穩定運行時，在忽略循環泵的耗能情況下，回收的煙氣熱量與空氣吸收的熱量相等，所以定義系統熱回收系數W為回收的煙氣熱量與循環泵耗能的比值，其公式如式(2)所示。

(2)

式中：Qy為煙氣換熱量，kW；cpy為煙氣比熱容，kJ/(kg·K)；ρy為煙氣密度，kg/m3；Vy為煙氣體積流量，m3/s；Δty為煙氣進出口溫度差，℃；Px為三相星形連接功率，W；U為交流電壓，V；I為交流電流，A；φ為每相負載阻抗角，度；cosφ為每相負載功率因數。

1.2.2系統火用效率評價方法

以含硫煙氣余熱智能相變回收系統為研究對象，系統火用效率為支付火用與收益火用的比值，其中定義支付火用為煙氣火用值，收益火用為空氣火用值。系統火用效率公式如式(3)。

(3)

式中：Ψ為火用效率；ΔEa為空氣收益火用，kW；ΔEy為煙氣支付火用，kW。

煙氣經換熱器換熱后，溫度降低，煙氣火用值降低，其公式如式(4)所示。

(4)

式中：my為煙氣質量流量，kg/s；T1y，T2y分別為煙氣進出口溫度，K；cpy為煙氣比熱容，kJ/(kg·K)；T0為環境溫度，K。

空氣經換熱器換熱后，溫度升高，空氣火用值增加，其公式如式(5)所示。

(5)

式中：ma為空氣的質量流量，kg/s；T1a、T2a分別為空氣進出口溫度，K；cpa為空氣比熱容，kJ/(kg·K)。

1.3 測試方法

通過上述對性能評價方法和影響因素的分析，可得出該實驗中需測量的參數有溫度、含量、功率等。對于溫度測量所用的測試儀器為鉑電阻溫度傳感器；對于含量測量所用的測試儀器為磁翻板液位傳感器，通過計算液體體積可得出溶液含量；對于功率測量所用的測試儀器為多功能萬用表，通過測量泵電流可計算出泵功率。實驗誤差及參數測點位置分布如表1、表2所列，實驗臺撬裝裝置見圖2。

表1 系統性能參數參數儀表類型型號實驗相對誤差/%溫度鉑電阻溫度傳感器0.1級PT100±0.125～±2.000含量磁翻板液位傳感器±10 mmSG-UHZ±1.0～±1.3功率多功能萬用表2級MT-1280±5.0～±6.6

表2 測點位置分布參數儀表類型測點位置測試目的及意義測試編號煙氣進/出口記錄煙氣溫度差T1、T2溫度鉑電阻溫度傳感器LiBr溶液進/出口記錄溶液溫度差T3、T4空氣進/出口記錄空氣溫度差T5、T6液位磁翻板液位傳感器壁溫調控器側面處間接測溶液含量L1電流萬用表循環泵入口導線處間接測泵功率I1

2 結果討論與分析

2.1 系統熱回收系數變化規律

圖3所示為LiBr溶液質量分數為53%時，不同循環泵頻率下，系統熱回收系數隨煙氣熱負荷率的變化測試結果。結果表明，在LiBr溶液含量一定時，系統熱回收系數隨著煙氣熱負荷率的增大呈線性增長，表明煙氣熱負荷率可以改善系統熱回收系數。同時,在循環泵頻率為30 Hz時系統熱回收系數較高，但相比較煙氣熱負荷率，循環泵頻率對系統熱回收系數的影響是較小的。

圖4為循環泵頻率為50 Hz時，不同LiBr溶液含量下，系統熱回收系數隨煙氣熱負荷率的變化測試結果。結果表明，在循環泵的頻率一定時，系統熱回收系數隨著煙氣熱負荷率的增大而增大，并且呈線性增加。同時,結果還表明系統熱回收系數隨LiBr溶液含量的變化幾乎不改變，從而說明LiBr溶液含量對系統熱回收系數的影響較小。

2.2 系統火用效率變化規律

圖5所示為LiBr溶液質量分數為53%時，不同循環泵頻率下，系統火用效率隨煙氣熱負荷率變化測試結果。結果表明，在LiBr溶液含量一定時，火用效率隨著煙氣熱負荷率的增大而減小,并在循環泵頻率為40 Hz時系統火用效率較高。從圖5中還可以看出,煙氣熱負荷率在0.3～1.1時，火用效率較小，約為0.15～0.20。

圖6為循環泵頻率為50 Hz時，不同LiBr溶液含量下，系統火用效率隨煙氣熱負荷率變化測試結果。結果表明，在循環泵的頻率一定時，煙氣的火用效率隨煙氣熱負荷率的增大而減小。同時，系統火用效率幾乎不隨LiBr溶液含量的改變而發生變化。結合圖5可知，煙氣熱負荷率對系統火用效率的影響更大，但火用效率是較小的，僅約為0.15～0.20左右。

2.3 LiBr溶液進出換熱器溫度差變化規律

圖7為LiBr溶液質量分數為53%時，不同循環泵頻率下，LiBr溶液進出換熱器溫度差隨煙氣熱負荷率變化測試結果。結果表明:在LiBr溶液質量分數一定時，LiBr溶液進出換熱器溫度差隨煙氣負荷率的增大先增大，再趨于平緩，后又增大；在煙氣熱負荷率為0.5～0.9時，溫度差曲線較為平緩，對煙氣出口溫度影響較小。同時,LiBr溶液進出口溫度差受循環泵頻率的影響也較小。

圖8為循環泵頻率為50 Hz時，不同LiBr溶液含量下，LiBr溶液進出換熱器溫度差隨煙氣熱負荷率變化測試結果。結果表明:在循環泵的頻率一定時，溫度差隨著煙氣熱負荷率的增大先增大，再趨于平緩，后又增大；在煙氣熱負荷為0.6～0.9運行時，不同LiBr溶液含量下，溫度差變化較小，從而對煙氣出口溫度影響較小。

3 結論

本研究提出了含硫煙氣余熱回收實驗工藝流程，進行了實驗臺搭建及測試方法分析，測試了不同工況下的系統運行特性，得出如下結論：

(1) 該實驗臺運行壓力為常壓，設計熱負荷為5.2 kW，計算分析了實驗采集儀器誤差范圍，所用儀器滿足實驗要求。

(2) 系統熱回收系數隨煙氣熱負荷率的增大呈線性增長,系統火用效率隨煙氣熱負荷率的增大而減小，但火用效率較小僅約為0.15～0.20，表明該系統適用于生產生活供熱，不適用做功。LiBr溶液進出換熱器溫度差隨煙氣負荷率的增大先增大，再趨于平緩，后又增大。

(3) 系統熱回收系數和火用效率受LiBr溶液含量和循環泵頻率影響較小，在質量分數為53%低負荷運行時，換熱器壁面及煙氣出口溫度受煙氣熱負荷率影響較小。