基于Aspen plus 熱泵型煙氣除濕脫白系統(tǒng)的模擬分析

王 猛 王曉靜

（天津大學(xué)化工學(xué)院）

隨著各地燃煤鍋爐超低排放改造已經(jīng)基本完成，向大氣中排放的污染物有所下降，但是空氣質(zhì)量依然沒有達到預(yù)期的效果， 霧霾依然存在， 部分學(xué)者認(rèn)為霧霾是在濕法脫硫大范圍使用后才產(chǎn)生的。目前，我國有90%的燃煤電廠和鋼鐵行業(yè)采用濕法脫硫技術(shù)［1］，濕法脫硫后，排出45～55℃的低溫飽和濕煙氣，由于環(huán)境溫度、相對濕度等原因，排放后往往會產(chǎn)生濕煙羽，在視覺上產(chǎn)生白煙， 濕煙羽中含有硫酸鹽等顆粒物和一定量的污染物。 此外， 由于煙氣溫度較低，抬升高度低且擴散效果差，從而導(dǎo)致PM2.5的產(chǎn)生［2，3］。

對濕煙氣進行除濕脫白，不僅能解決霧霾問題， 還能實現(xiàn)環(huán)保達標(biāo)和真正近零排放的目的，尤其是回收煙氣中的余熱和水分，年節(jié)水量甚至可達幾十億噸，是平衡環(huán)境與發(fā)展之間矛盾的重要途徑［4］。 因此，各地出臺政策或標(biāo)準(zhǔn)，對燃煤電廠、鋼鐵等行業(yè)的濕煙羽進行治理。

1 現(xiàn)有煙氣脫白技術(shù)介紹

1.1 煙氣加熱技術(shù)

煙氣加熱技術(shù)按照加熱方式不同分為直接加熱方式和間接加熱方式。 直接加熱方式包括熱二次風(fēng)混合加熱、熱空氣混熱加熱或燃氣直接加熱；間接加熱方式包括回轉(zhuǎn)式GGH、管式GGH、MGGH、熱管換熱器及蒸汽換熱加熱等［5］。

1.2 煙氣降溫技術(shù)

煙氣降溫技術(shù)按照降溫方式不同分為直接降溫方式和間接降溫方式。 直接降溫方式可通過噴淋降溫； 間接降溫方式是通過冷凝換熱器降溫，冷卻塔可采用水冷和空冷方式［6］。

1.3 煙氣降溫再熱技術(shù)

將煙氣降溫技術(shù)和煙氣加熱技術(shù)相結(jié)合，在降溫冷凝過程中可以回收冷凝水和熱量，冷凝水作為脫硫塔回水，熱量可加熱鍋爐給水，充分利用水資源和熱量，與直接加熱技術(shù)相比，整體運行能耗增加較少，是一種節(jié)能有效的濕煙氣除濕脫白技術(shù)。

1.4 其他

除了以上通過煙氣溫度消除濕煙羽的方法，還可通過除霧器、煙囪收水環(huán)等方式減少排放煙氣中的水分，但脫白效果不是很理想。 魏璠等利用氯化鈣溶液和冷卻水對燃氣的煙氣進行噴淋除濕，研究表明除濕率比用冷卻水高5 倍，除濕效果較好，但需配備再生系統(tǒng)［7］。陳海平等利用膜法回收煙氣中水分，但水回收潛力較低，對膜的開發(fā)要求較高［8］。

2 熱泵型煙氣除濕脫白系統(tǒng)的Aspen plus 流程模擬

2.1 模擬條件假設(shè)

為簡化模擬計算模型，做出如下假設(shè)：忽略各部件和管道的壓力、熱量的損失；發(fā)生器與冷凝器的工作壓力相同，吸收器與蒸發(fā)器的工作壓力相同；從吸收器流出的稀溶液和從發(fā)生器流出的濃溶液均為飽和溶液；吸收器釆用傳熱傳質(zhì)分離的模型， 即溶液的吸收過程和冷卻過程分開，單獨計算。

2.2 模擬參數(shù)的確定

一般燃煤鍋爐產(chǎn)生煙氣經(jīng)省煤器、除塵設(shè)備和脫硝設(shè)備后，煙氣溫度為90～180℃，質(zhì)量含水量在10%左右，再經(jīng)過濕法脫硫，煙氣溫度為45～60℃， 處于濕度飽和狀態(tài)， 質(zhì)量含水量在10%～15%之間。

模擬采用煙氣的溫度為150℃， 流量為50kmol/h，壓力為101.3MPa，質(zhì)量組成為90%空氣，10%水分，冷卻水溫度為25℃，換熱器溫差為10℃。

2.3 機械式熱泵除濕脫白系統(tǒng)的模擬

由于煙氣溫度在90～180℃之間，利用壓焓圖可確定使用R134a 制冷劑，R134a 屬于有機工質(zhì)，采用Aspen plus 中的PSRK 物性方法，并且對ZH92K4E-TWD 型熱泵進行模擬， 得到的模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比， 各設(shè)備的熱負荷誤差在5%以內(nèi)，模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)基本吻合，故可采用PSRK 模擬計算。

初始運行工況下操作條件為： 蒸發(fā)壓力350kPa，蒸發(fā)溫度5℃，冷凝壓力890kPa，R134a流量2 244kg/h，熱交換器溫差10℃，煙氣冷凝溫度25℃，煙氣再熱溫度80℃。

分別對煙氣冷凝溫度15、20、25、30、35℃、排煙溫度80℃的情況進行模擬， 經(jīng)過賦值迭代計算，并進行系統(tǒng)性能分析，得到系統(tǒng)功耗、換熱面積與蒸發(fā)溫度的關(guān)系（圖1）。

圖1 不同煙氣冷凝溫度時系統(tǒng)功耗、換熱面積與蒸發(fā)溫度的關(guān)系

通過對不同蒸發(fā)溫度、不同煙氣冷凝溫度下的系統(tǒng)功耗和換熱面積進行對比，得到煙氣冷凝溫度在15、20、25、30、35℃下的最優(yōu)操作條件，即系統(tǒng)功耗較低且換熱面積小的情況（圖1 中兩條曲線的交點）， 再將以上得到最優(yōu)操作條件下的系統(tǒng)功耗和煙氣質(zhì)量含水量進行對比（圖2），得到合適的煙氣冷凝溫度。

圖2 不同煙氣冷凝溫度下系統(tǒng)功耗和質(zhì)量含水量情況

分析圖2 可知， 隨著煙氣冷凝溫度的下降，機械式熱泵煙氣除濕脫白系統(tǒng)的系統(tǒng)功耗增加，煙氣的質(zhì)量含水量下降，并且煙氣的質(zhì)量含水量在冷凝溫度20～30℃的范圍內(nèi)變化率較大， 根據(jù)系統(tǒng)功耗和質(zhì)量含水量的變化趨勢，確定煙氣的冷凝溫度為25℃， 此時系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力為420kPa，冷凝壓力為890kPa，蒸發(fā)溫度為10℃，煙氣余熱回收量19.43kW， 煙氣冷凝需冷量107.40kW（即制冷量），cop 為7.20，排放煙氣質(zhì)量含水量為1.68%，除水率達到84.37%。 另外，25℃與空氣溫度較為接近，煙氣脫白效果好。

2.4 NH3-H2O 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統(tǒng)

NH2-H2O 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統(tǒng)采用的工作介質(zhì)為氨水溶液，其中制冷劑為NH3，吸收劑為H2O，采用PR-BM 物性方法進行模擬計算方法，通過與文獻［9］中的數(shù)據(jù)對比可知，各設(shè)備熱負荷的誤差均在5%以內(nèi)， 模擬數(shù)據(jù)與文獻數(shù)據(jù)基本吻合，故可采用PR-BM 進行模擬。

NH3-H2O 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統(tǒng)，可對進入脫硫塔的煙氣進行余熱利用， 將煙氣溫度降至75℃，再將脫硫后的煙氣冷凝至25℃，由于地方政策標(biāo)準(zhǔn)要求，還需將煙氣加熱至50℃排放。

初始運行工況下操作條件為： 蒸發(fā)壓力357kPa，蒸發(fā)溫度-5℃，冷凝壓力1 350kPa，冷凝溫度35℃，熱交換器溫差10℃，氨水濃溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.424，流量818.75kg/h，發(fā)生溫度137℃，制冷劑氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.998。2.4.1 模擬熱力學(xué)數(shù)據(jù)

通過精餾塔的簡捷計算和靈敏度分析，確定精餾塔的理論板數(shù)為7，進料位置為第4 塊板。通過計算將煙氣冷凝至25℃，再加熱至50℃，得到系統(tǒng)參數(shù)情況如下：

煙氣余熱回收量 31.24kW

發(fā)生器熱負荷 107.52kW

冷凝器熱負荷 89.50kW

吸收器熱負荷 114.25kW

制冷量 73.00kW

煙氣再熱器熱負荷 8.88kW

cop 0.68

排放煙氣質(zhì)量含水量 1.98%

除水率 81.35%

2.4.2 發(fā)生溫度對系統(tǒng)性能影響

以蒸發(fā)溫度為-5℃的NH3-H2O 吸收式熱泵煙氣脫白系統(tǒng)為例， 分析不同發(fā)生溫度下系統(tǒng)cop 和各設(shè)備的熱負荷（圖3）。

圖3 不同發(fā)生溫度下系統(tǒng)cop 和各設(shè)備的熱負荷

由圖3 可知，隨著發(fā)生溫度的升高，發(fā)生器、冷凝器、 吸收器和蒸發(fā)器的熱負荷均逐漸增加，系統(tǒng)的cop 先增加，再逐漸減少。發(fā)生溫度在95～118℃之間時，cop 變化率較大， 說明該溫度段對cop 的影響較大； 在118～137℃之間時，cop 保持在0.687 左右；在137℃以上時，cop 逐漸減小，但變化率不大，說明該溫度段對cop 影響不大。

如圖4 所示，隨著發(fā)生溫度的升高，放氣范圍逐漸變大，循環(huán)倍率逐漸減小，是因為隨著發(fā)生溫度的升高， 稀溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低；但循環(huán)倍率過高會導(dǎo)致系統(tǒng)中氨水溶液的循環(huán)量過高，增加系統(tǒng)的經(jīng)濟負擔(dān)。 故發(fā)生溫度在118～137℃之間時，結(jié)合圖5 可以看出循環(huán)倍率和放氣范圍均處于合理范圍。

圖4 不同發(fā)生溫度下放氣范圍和循環(huán)倍率

圖5 煙氣冷凝溫度與系統(tǒng)cop 關(guān)系

如圖5 所示， 隨著煙氣冷凝溫度的升高，系統(tǒng)cop 和發(fā)生器熱負荷均逐漸減小，當(dāng)煙氣冷凝溫度為14.6℃時，cop 數(shù)值較高，可達0.678，發(fā)生器熱負荷達到127.90kW， 根據(jù)煙氣冷凝溫度與cop 的關(guān)系， 可以看出NH3-H2O 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統(tǒng)適于將煙氣冷凝至35℃以下。

2.5 H2O-LiBr 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統(tǒng)

H2O-LiBr 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統(tǒng)采用的工作介質(zhì)為溴化鋰水溶液， 其中制冷劑為H2O，吸收劑為溴化鋰溶液，采用ELECNRTL 物性方法進行模擬計算，與文獻［10］中數(shù)據(jù)進行對比可知，各設(shè)備熱負荷的誤差均在5%以內(nèi)，模擬數(shù)據(jù)與文獻數(shù)據(jù)基本吻合，故可采用ELECNRTL進行模擬。

H2O-LiBr 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統(tǒng)與NH3-H2O 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統(tǒng)對煙氣的處理工藝流程相同，但操作條件不同。

初始運行工況下操作條件為： 蒸發(fā)壓力0.873kPa，蒸發(fā)溫度5℃，冷凝壓力7.4kPa，冷凝溫度40℃，熱交換器溫差10℃，進入發(fā)生器溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)58%，流量1 850kg/h，吸收器排出的溴化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)62.7%， 發(fā)生溫度90℃，制冷劑水的流量138kg/h。

2.5.1 模擬熱力學(xué)數(shù)據(jù)

通過模擬計算將煙氣冷凝至25℃，再加熱至50℃，得到系統(tǒng)參數(shù)情況如下：

煙氣余熱回收量 26.92kW

發(fā)生器熱負荷 88.13kW

冷凝器熱負荷 87.13kW

吸收器熱負荷 109.02kW

制冷量 90.07kW

煙氣再熱器熱負荷 8.96kW

cop 1.02

排放煙氣質(zhì)量含水量 1.95%

除水率 82.43%

2.5.2 發(fā)生溫度對系統(tǒng)性能影響

保持其他操作參數(shù)不變，計算了不同發(fā)生溫度對各設(shè)備熱負荷的影響，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 各設(shè)備熱負荷與發(fā)生溫度的關(guān)系

隨著發(fā)生溫度的升高，系統(tǒng)中發(fā)生器、冷凝器、吸收器和蒸發(fā)器的熱負荷均逐漸增加，其原因在于，隨著發(fā)生溫度的升高，發(fā)生器終了溶液的濃度增加，系統(tǒng)的放氣范圍逐漸增大，發(fā)生器產(chǎn)生的冷劑的流量變大， 使得各設(shè)備的熱負荷均有所增加，發(fā)生溫度每提高1℃，蒸發(fā)器熱負荷平均增加7.24kW， 發(fā)生器熱負荷平均增加9.39kW。

由圖7 可以看出， 隨著發(fā)生溫度的升高，cop逐漸下降，這是因為發(fā)生溫度升高，煙氣余熱回收量逐漸減少；cop 隨著發(fā)生溫度的升高降低速度越來越慢，當(dāng)發(fā)生溫度在90℃以上時，cop 基本穩(wěn)定在1.00，當(dāng)發(fā)生溫度為92℃時，煙氣冷凝溫度達到13.85℃，除水率達到91.26%。

圖7 除水率、煙氣冷凝溫度、煙氣余熱回收、cop 與發(fā)生溫度關(guān)系

由圖8 可知，結(jié)合冷凝溫度與cop 關(guān)系，可以看出隨著煙氣冷凝溫度的升高， 系統(tǒng)的cop 逐漸升高， 當(dāng)煙氣冷凝溫度在35～42℃之間時，cop 的變化較大， 當(dāng)煙氣冷凝溫度在42℃時， 系統(tǒng)cop達到1.29， 此時煙氣余熱回收量最高， 故H2OLiBr 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統(tǒng)適于將煙氣冷凝至30℃以上。

3 3 種系統(tǒng)的對比

當(dāng)煙氣冷凝溫度為25℃時，對3 種熱泵型煙氣除濕脫白系統(tǒng)的最優(yōu)操作條件進行比較，主要數(shù)據(jù)見表1。

圖8 煙氣冷凝溫度與cop 關(guān)系

表1 3 種熱泵型煙氣除濕脫白系統(tǒng)對比

分析表1 可知：

a. 機械式熱泵煙氣除濕脫白系統(tǒng)對煙氣余熱利用方式主要是通過再熱煙氣， 利用量較少，并且驅(qū)動方式為電能，雖然系統(tǒng)cop 高，但煙氣余熱回收效果不好，除水效果好。

b. NH3-H2O 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統(tǒng)的壓力和發(fā)生溫度較高，能夠制備零度以下的冷劑，可以將煙氣冷凝至更低溫度，煙氣余熱回收效果好，但是系統(tǒng)的cop 較低。

c. H2O-LiBr 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統(tǒng)的發(fā)生溫度和壓力較低， 制取冷劑的溫度在4～10℃之間，不能制取零度以下的冷劑，煙氣余熱回收效果較好，而且系統(tǒng)的cop 較高。

d. 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統(tǒng)可以降低煙氣進入脫硫塔溫度，從而回收利用余熱，并減少脫硫塔水損失。

4 結(jié)束語

筆者旨在尋找一種合適的熱泵型煙氣除濕脫白系統(tǒng)， 通過Aspen plus 進行數(shù)據(jù)模擬分析，選取合適的熱泵驅(qū)動方式和工作介質(zhì)，通過進行性能分析，從而最大程度地利用余熱，對煙氣進行除濕脫白、熱量回收和水分回收，以達到環(huán)保減排和資源回收的目的。 下一步，還需考慮占地問題、換熱面積及水處理等諸多因素，以接近實際工程，此外，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)建立實驗項目，進一步加強驗證。