含硫煙氣余熱智能相變回收系統(tǒng)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(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。

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(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)。

1.2 系統(tǒng)性能評價方法

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)。

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(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

2 結(jié)果討論與分析

2.1 系統(tǒng)熱回收系數(shù)變化規(guī)律

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。

2.2 系統(tǒng)火用效率變化規(guī)律

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。

2.3 LiBr溶液進出換熱器溫度差變化規(guī)律

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。

3 結(jié)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(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。