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(chǎn)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(tǒng)來回收脫硫塔前的煙氣余熱。國內(nèi)外對余熱回收系統(tǒng)展開了大量研究[3-8],目前使用的煙氣回收系統(tǒng)主要包括:有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)[9]、低溫省煤器系統(tǒng)[10-11]、低溫空氣預熱器系統(tǒng)、旁路煙氣系統(tǒng)及高效循環(huán)系統(tǒng)等[12-15]。
上述系統(tǒng)雖然可以回收煙氣余熱,但不能夠解決動態(tài)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(tǒng)可以動態(tài)調(diào)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(tǒng),運行特性還不明確,所以通過搭建系統(tǒng)實驗臺,研究影響系統(tǒng)的運行參數(shù),分析得到不同運行工況下的系統(tǒng)性能變化規(guī)律,并從系統(tǒng)熱回收系數(shù)、系統(tǒng)火用效率[17],以及溶液進出換熱器溫度差角度評價系統(tǒng)性能。
該含硫煙氣余熱智能相變回收系統(tǒng)性能測試實驗臺主要由兩組相變換熱器、壁溫智能調(diào)控器、冷凝水箱、電動調(diào)節(jié)閥、循環(huán)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(zhuǎn)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(diào)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(jié)成液態(tài)水儲存在冷凝箱中,冷凝水通過電動調(diào)節(jié)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(huán)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(tǒng)中,通過冷凝水和電動閥調(diào)節(jié)LiBr溶液的含量來控制相變下段換熱器的壁溫,并且新系統(tǒng)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(tǒng)壓力,并使系統(tǒng)處于常壓狀態(tài)。
本研究主要從系統(tǒng)熱回收系數(shù)、LiBr溶液進出換熱器溫度差和系統(tǒng)火用效率3個方面對系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)熱回收系數(shù)評價方法
含硫煙氣余熱智能相變回收系統(tǒng)穩(wěn)定運行時,在忽略循環(huán)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(tǒng)熱回收系數(shù)W為回收的煙氣熱量與循環(huán)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(shù)。
1.2.2系統(tǒng)火用效率評價方法
以含硫煙氣余熱智能相變回收系統(tǒng)為研究對象,系統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)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(zhì)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(huán)境溫度,K。
空氣經(jīng)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(zhì)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)。
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(shù)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(shù)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(tǒng)性能參數(shù)參數(shù)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(shù)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(diào)控器側(cè)面處間接測溶液含量L1電流萬用表循環(huán)泵入口導線處間接測泵功率I1
圖3所示為LiBr溶液質(zhì)量分數(shù)為53%時,不同循環(huán)泵頻率下,系統(tǒng)熱回收系數(shù)隨煙氣熱負荷率的變化測試結(jié)果。結(jié)果表明,在LiBr溶液含量一定時,系統(tǒng)熱回收系數(shù)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(tǒng)熱回收系數(shù)。同時,在循環(huán)泵頻率為30 Hz時系統(tǒng)熱回收系數(shù)較高,但相比較煙氣熱負荷率,循環(huán)泵頻率對系統(tǒng)熱回收系數(shù)的影響是較小的。
圖4為循環(huán)泵頻率為50 Hz時,不同LiBr溶液含量下,系統(tǒng)熱回收系數(shù)隨煙氣熱負荷率的變化測試結(jié)果。結(jié)果表明,在循環(huán)泵的頻率一定時,系統(tǒng)熱回收系數(shù)隨著煙氣熱負荷率的增大而增大,并且呈線性增加。同時,結(jié)果還表明系統(tǒng)熱回收系數(shù)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(tǒng)熱回收系數(shù)的影響較小。
圖5所示為LiBr溶液質(zhì)量分數(shù)為53%時,不同循環(huán)泵頻率下,系統(tǒng)火用效率隨煙氣熱負荷率變化測試結(jié)果。結(jié)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(huán)泵頻率為40 Hz時系統(tǒng)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(huán)泵頻率為50 Hz時,不同LiBr溶液含量下,系統(tǒng)火用效率隨煙氣熱負荷率變化測試結(jié)果。結(jié)果表明,在循環(huán)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(tǒng)火用效率幾乎不隨LiBr溶液含量的改變而發(fā)生變化。結(jié)合圖5可知,煙氣熱負荷率對系統(tǒng)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。
圖7為LiBr溶液質(zhì)量分數(shù)為53%時,不同循環(huán)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(jié)果。結(jié)果表明:在LiBr溶液質(zhì)量分數(shù)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(huán)泵頻率的影響也較小。
圖8為循環(huán)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(jié)果。結(jié)果表明:在循環(huán)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。
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(tǒng)運行特性,得出如下結(jié)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(tǒng)熱回收系數(shù)隨煙氣熱負荷率的增大呈線性增長,系統(tǒng)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(tǒng)適用于生產(chǎn)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(tǒng)熱回收系數(shù)和火用效率受LiBr溶液含量和循環(huán)泵頻率影響較小,在質(zhì)量分數(shù)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。