濕法脫硫漿液閃蒸余能回收關(guān)鍵參數(shù)模擬研究

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(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

我國(guó)進(jìn)入經(jīng)濟(jì)“新常態(tài)”以來(lái)，各行業(yè)轉(zhuǎn)型處境艱難，老舊能源方式無(wú)法滿足熱需求。現(xiàn)有能源配比，化石燃料權(quán)重最高，熱利用效率極低，但基于目前大形勢(shì)，其作用無(wú)法完全取代，新技術(shù)改進(jìn)迫在眉睫[1-2]。熱源電耗將達(dá)50～60億kWh,多數(shù)能損以熱耗散形勢(shì)浪費(fèi)，其中較多為溫度較低的形式，60%的熱損為低溫?zé)釗p[3-4]。低溫余熱的范圍廣基數(shù)大，如若方法合理，低溫余熱回收可以應(yīng)用。一般在同級(jí)熱利用和升級(jí)熱利用兩個(gè)方面改造：同級(jí)即原本須高溫?zé)嵩锤臑榈蜏貍鬏敚?jí)即通過(guò)外功使低溫?zé)嵩瓷?jí)[5-7]。有些學(xué)者支持升級(jí)熱利用，但這種方式無(wú)形中造成用效能能損增大。熱電連產(chǎn)方式較好將能源回收，我國(guó)工業(yè)余熱應(yīng)用范圍廣闊，限于技術(shù)未能避免余能損耗，其能量占整個(gè)體系的7.3%，市場(chǎng)寬廣，前景無(wú)限[8-10]。面對(duì)這一現(xiàn)象國(guó)外采用：添加低溫?zé)煔鈸Q熱器、煙氣循環(huán)器、省煤器前置等，國(guó)內(nèi)采用：強(qiáng)化冷凝、控制排煙溫度、加熱汽輪機(jī)尾部蒸汽等。

國(guó)內(nèi)在節(jié)能方面注重在低溫?fù)Q熱器的優(yōu)化，國(guó)外投放添加外部設(shè)備，在低溫區(qū)進(jìn)行減壓升溫的方式回收余熱。針對(duì)余熱回收問(wèn)題，本文研究工業(yè)鍋爐脫硫塔中漿液在真空條件的余熱回收工藝仿真”，應(yīng)用ASPEN PLUS進(jìn)行模擬研究。脫硫過(guò)程后其漿液內(nèi)有大量的水，漿液溫度50～60℃，pH值在5～7之間，部分結(jié)晶[11-13]。通過(guò)閃蒸技術(shù)使得低溫水在低壓狀態(tài)變成水蒸氣，可實(shí)現(xiàn)余熱余質(zhì)的回收利用，利于貧水地區(qū)的節(jié)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(yīng)用低溫吸熱物質(zhì)為載體實(shí)現(xiàn)低溫余能回收。真空條件模擬換熱工質(zhì)與換熱設(shè)備的磨損[14-17]。重點(diǎn)研究三種脫硫方式的蒸汽特性，以實(shí)際工業(yè)參數(shù)為依據(jù)，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(fā)特性、不凝結(jié)性氣體對(duì)整體流量的影響，探究規(guī)律，指導(dǎo)工程實(shí)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(chǔ)，建立其脫硫塔中漿液吸收煙氣熱量的回收。分析閃蒸過(guò)程中的換熱規(guī)律，進(jìn)行能耗分析。

閃蒸罐的閃蒸模型選取FLASH2模型，閃蒸后氣體進(jìn)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?zé)嵩吹臒崃?，?yīng)進(jìn)行二次閃蒸，然后將兩次的熱量混合。模塊選取詳見(jiàn)表1。

表1各模塊選取及簡(jiǎn)介

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

Aspen Plus流程模擬中，對(duì)于循環(huán)回流和設(shè)計(jì)規(guī)定的流程必須迭代收斂，物料的濃度會(huì)發(fā)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(shù)；

q——錯(cuò)誤率。

1.2 模型方式及物性方法規(guī)定

模型應(yīng)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(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)模型、鎂法系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)模型、石灰石-石膏法系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)模型。本文采用70 MW工業(yè)鍋爐為參數(shù)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(zhì)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(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)流量影響分析

在氣密性良好的條件下，不凝結(jié)氣體對(duì)真空泵維持恒定的真空度影響很大。其中不凝結(jié)氣體的溶解度和泵的抽氣速率都會(huì)受到壓力的影響，實(shí)際的生成中壓力會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。在閃蒸過(guò)程中壓力在短時(shí)間內(nèi)突變，勢(shì)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(jié)氣體多為：SO2，CO2，N2，O2，NOx等，由亨利定律可知

Pi=XikLi

(3)

式中Pi——穩(wěn)定狀態(tài)氣相分壓；

Xi——?dú)庀嘟M分在改溶液中的溶解度；

kXi——亨利常數(shù)，與組分有關(guān)。

參數(shù)選取見(jiàn)表3。

表3參數(shù)選取表

參數(shù)數(shù)據(jù)煙氣進(jìn)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(huán)量/t·h-15 000N2摩爾分?jǐn)?shù)0.7H2O摩爾分?jǐn)?shù)0.17O2摩爾分?jǐn)?shù)0.058SO2摩爾分?jǐn)?shù)0.002CO2摩爾分?jǐn)?shù)0.07

圖2顯示不凝結(jié)氣體的溶解度小，熱量的存儲(chǔ)小。絕大多數(shù)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(dāng)漿液溫度在25℃時(shí)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(shí)H2O和漿液流量緩慢下降，但是在80～120℃區(qū)間內(nèi)急速下降。實(shí)際煙氣溫度在140℃內(nèi)，故漿液溫度一定小于140℃。

2.2 溫度對(duì)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(shí)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(shí)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(wěn)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(wěn)，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(shí)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(wěn)，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(shí)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(wěn)，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(yè)的鹽的組分不同氣體的飽和溶解度不同，當(dāng)溫度高于100℃時(shí)即使鹽分不同，但兩種氣體飽和度趨近臨界值。

2.3 壓力對(duì)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(guò)程中處于常壓的低壓過(guò)程，氣體假設(shè)為理想氣體。

壓力從100 kPa降自25 kPa時(shí)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(kāi)始加速下降，20 kPa到0 kPa這個(gè)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(shì)，其中石灰石法工藝在20～10 kPa壓力段出現(xiàn)凹陷，說(shuō)明壓降過(guò)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(guò)程后石灰石法工藝關(guān)于漿液和水的流量維持在1 000 t/h，200 t/h，鎂法工藝關(guān)于漿液和水的流量維持在1 800 t/h，300 t/h，雙堿法工藝關(guān)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(guò)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(fā)生變化。為了更清晰描述氣體的變化規(guī)律進(jìn)行細(xì)化如圖3和圖4。

上兩圖皆顯示：水蒸氣和不凝結(jié)氣體含量與環(huán)境壓力成正比，為使得閃蒸過(guò)程的余熱回收能力增強(qiáng)，必須減小工質(zhì)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(guò)33 kg/h。石灰石法工藝的在100 kPa時(shí)的SO2、CO2的含量分別為：209 kg/h，276 kg/h。鎂法工藝的在100 kPa時(shí)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(shí)的SO2、CO2的含量分別為：92 kg/h，173 kg/h。

2.4 泵功耗對(duì)壓力與溫度影響分析

閃蒸余質(zhì)回收過(guò)程中由于流體需要降壓及輸送，流體輸送過(guò)程的能損包括壓縮機(jī)、閥門、泵、管道和管線，進(jìn)項(xiàng)合理的簡(jiǎn)化刨除閥門的能損，單獨(dú)分析管線長(zhǎng)度和壓力對(duì)不同工藝泵功耗影響。因石灰石-石膏是電解質(zhì)，故采用電解質(zhì)模型，通過(guò)設(shè)置真空泵的壓力，在給出定壓泵的驅(qū)動(dòng)機(jī)效率和水力學(xué)效率條件下，計(jì)算所需的驅(qū)動(dòng)機(jī)功率和軸功率比得出出口流體狀態(tài)。設(shè)定驅(qū)動(dòng)機(jī)功率為0.9，軸功率設(shè)定為0.7，循環(huán)泵由返回到脫硫塔的返料泵閃和蒸進(jìn)料泵，為此建立能耗分析模型。

設(shè)定循環(huán)泵流量為5×103t/h，粗糙度為0.03 mm,揚(yáng)程20 m，管長(zhǎng)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(jìn)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(guò)靈敏度分析，改變真空壓力脫硫和漿液進(jìn)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(guò)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(shì)。在50～10℃時(shí)非線性分布，圖線為凹線，趨勢(shì)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(guān)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(shí)鎂法功率高于雙堿法功率，12.6～20 kPa時(shí)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(diǎn)。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(shì)與石灰石-石膏工藝類似，拐點(diǎn)分別為13.1 kPa與12.3 kPa。

3 結(jié)論

本文以脫硫漿液中的余熱回收為基礎(chǔ)，應(yīng)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(yè)的相關(guān)因數(shù)對(duì)功率、流量的影響，溫度壓力對(duì)泵功、氣體溶解度、氣液兩相的影響。得出如下的結(jié)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(shí)H2O和漿液流量緩慢下降，但是在80～120℃區(qū)間內(nèi)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(guān)，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(duì)氣液兩相的溶解的影響大，三種工藝的趨勢(shì)大致相同，壓力越高溶解度越高，可見(jiàn)為提高閃蒸效率可通過(guò)提高泵的真空度來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(jī)功率為0.9，軸功率設(shè)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(guān)系成非線性，三種工藝壓力與功率的關(guān)系：壓力在10 kPa,拐點(diǎn)功率變化率隨壓力減小而增大，在拐點(diǎn)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(diǎn)分別為：14 kPa、13.1 kPa、12.3 kPa。