耦合熱泵的FCC脫硫濕煙氣脫白凈化及余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

宋崢元，孫國剛，祖澤輝，王中原

（1 中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2 山東樂辰節(jié)能環(huán)保科技有限公司，山東 淄博 255138）

繼我國火電行業(yè)的污染物排放水平已經(jīng)處于國際領(lǐng)先的超低排放階段后，非電行業(yè)的煙氣污染物排放占比日益凸顯[1]。目前，催化裂化再生煙氣排放執(zhí)行《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，但相較于“超低排放”的標(biāo)準(zhǔn)仍有一定差距。脫硫濕煙氣中含有殘余污染物、粉塵、氣溶膠、水分及大量余熱，煙氣擴(kuò)散形成的煙羽意味著污染物的擴(kuò)散、水與余熱的嚴(yán)重流失。近年來，多省市已先后發(fā)文開展有色煙羽治理[2]，煙氣脫白也將成為協(xié)同實(shí)現(xiàn)催化煙氣超低排放的重要技術(shù)之一。

一方面，火電廠的超低排放改造技術(shù)對其他行業(yè)起到了借鑒作用，但在煉油廠中，脫硫塔與煙囪多為“煙塔合一”的結(jié)構(gòu)。單純的技術(shù)遷移很難在有限的空間內(nèi)完成改造，反而增加了系統(tǒng)的改造成本與設(shè)備冗余。另一方面，雖然部分煉廠針對自身裝置進(jìn)行了改造，并消除了濕煙羽[3-5]，但改造時多以環(huán)境作為煙氣冷凝的冷源，煙氣余熱與水分的流失問題仍未得到有效解決。為此，本文以煙氣冷凝再熱脫白為紐帶，將火電行業(yè)廣泛使用的熱泵技術(shù)與催化裝置脫硫塔中的低溫漿液噴淋技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了適用于FCC“煙塔合一”脫硫裝置的煙氣脫白、凈化及余熱回收系統(tǒng)，并進(jìn)行了系統(tǒng)流程模擬與評價，以期為再生煙氣超低排放改造提供參考。

1 技術(shù)方案與模型

1.1 技術(shù)方案流程

熱泵在火電廠中用于煙氣余熱回收再利用，大大提高了系統(tǒng)的能量利用效率，帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益[6-9]。低溫漿液噴淋是再生煙氣冷凝的主要技術(shù)之一，具有傳熱效率高、換熱面積大的優(yōu)點(diǎn)[10]。但在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，與漿液換熱的循環(huán)水通常在冷卻塔中與環(huán)境換熱降溫，從煙氣回收的熱量被直接排放到環(huán)境中，造成了嚴(yán)重浪費(fèi)，冷卻塔本身也易產(chǎn)生白煙[11]?；谏鲜霰尘芭c技術(shù)基礎(chǔ)，本文將低溫漿液噴淋與熱泵結(jié)合，建立了“煙氣-脫硫液-熱泵”的煙氣余熱傳遞途徑，使用熱泵取代冷卻塔作為冷源。煙氣凈化系統(tǒng)耦合熱泵后，其“低溫取熱、高溫放熱”的工作特性使新系統(tǒng)能同時實(shí)現(xiàn)煙氣脫白、深度凈化、水的回收與余熱回收利用等多重目標(biāo)。

凈化工藝流程如圖1所示，系統(tǒng)由熱泵、煙氣凈化裝置與脫硫液循環(huán)裝置構(gòu)成。熱泵為第一類吸收式熱泵，工質(zhì)為溴化鋰溶液。工質(zhì)在高溫?zé)煔饧把h(huán)泵的驅(qū)動下在封閉管路內(nèi)進(jìn)行循環(huán)與換熱；來自余熱鍋爐的煙氣進(jìn)入發(fā)生器作為熱泵的驅(qū)動熱源，降溫后進(jìn)入脫硫塔與低溫漿液逆流噴淋，脫硫冷凝的凈煙氣經(jīng)高效除霧器進(jìn)入煙囪，經(jīng)熱泵的冷凝器加熱達(dá)標(biāo)后排放；脫硫液在噴淋后經(jīng)氧化與澄清，與新鮮堿液進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器，降溫至設(shè)計(jì)溫度回到脫硫塔再次噴淋。

圖1 凈化工藝流程

1.2 煙氣脫白

通過冷凝、加熱或兩者并用的方法處理煙氣，降低煙氣的濕度，使之在向環(huán)境擴(kuò)散的過程中始終處于不飽和狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)消除濕煙羽的關(guān)鍵。各方法中，冷凝再熱法兼具冷凝法與加熱法的優(yōu)點(diǎn)，環(huán)境適應(yīng)性好，是一種較為理想的濕煙羽消除方法。裝置再生煙氣經(jīng)余熱鍋爐后狀態(tài)參數(shù)及組成見表1。

表1 催化再生原煙氣狀態(tài)參數(shù)及組成

濕法脫硫近似視作絕熱過程，煙氣攜帶的熱量一部分轉(zhuǎn)為脫硫漿液顯熱，一部分轉(zhuǎn)化為漿液蒸發(fā)水蒸氣的潛熱。脫硫塔中煙氣冷凝傳熱過程可用式(1)表示。濕煙氣近似于濕空氣，熱泵發(fā)生器與冷凝器的熱負(fù)荷可通過煙氣焓值變化進(jìn)行計(jì)算[9,12]，計(jì)算方法見式(2)。

1.3 熱泵熱力計(jì)算

建立吸收式熱泵熱力學(xué)模型與Aspen Plus熱泵工質(zhì)循環(huán)模擬流程時，熱泵系統(tǒng)參數(shù)較多導(dǎo)致難以得到計(jì)算結(jié)果。通常進(jìn)行假設(shè)以簡化設(shè)計(jì)計(jì)算[13]。假設(shè)條件如下。

（1）系統(tǒng)處于熱平衡及穩(wěn)定流動狀態(tài)，忽略各部件及連接管路的壓力損失，認(rèn)為發(fā)生器與冷凝器壓力相等，蒸發(fā)器與吸收器壓力相等。

（2）發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器及吸收器出口處的工質(zhì)均處于飽和狀態(tài)。

（3）各換熱器采用逆流換熱，傳熱溫差為對數(shù)平均溫差。

（4）溶液泵僅提供溶液循環(huán)所需的動力，消耗的機(jī)械能相較于其他設(shè)備可忽略。

第一類溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)中，煙氣向發(fā)生器供熱，熱負(fù)荷為Qg；蒸發(fā)器中低溫?zé)嵩聪蚬べ|(zhì)傳熱，熱負(fù)荷為Qe；冷凝器與吸收器中對外放熱，熱負(fù)荷分別為Qc與Qa，熱泵系統(tǒng)熱平衡見式(3)。

根據(jù)傳熱傳質(zhì)與能量守恒方程，可完成對各設(shè)備熱負(fù)荷計(jì)算，計(jì)算式見式(4)。

根據(jù)熱泵系統(tǒng)熱平衡，仿真模擬熱平衡系數(shù)應(yīng)滿足式(5)[14]。

1.4 系統(tǒng)性能評價

（1）系統(tǒng)盈余熱量

本系統(tǒng)具備的余熱回收能力，具體表現(xiàn)為系統(tǒng)盈余熱量，即吸收器的熱負(fù)荷Qa。該熱量可用于供暖季暖水預(yù)熱或其他預(yù)熱需求。

（2）性能系數(shù)

性能系數(shù)COP（coefficient of performance）是評價熱泵系統(tǒng)的主要指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)的熱泵系統(tǒng)的制冷、制熱能力在煙氣脫白與待加熱水的預(yù)熱兩部分得到充分體現(xiàn)。性能系數(shù)考慮了熱泵各組成設(shè)備對供熱及煙氣凈化的貢獻(xiàn)程度，計(jì)算見式(6)。

2 計(jì)算及模擬結(jié)果

2.1 脫白計(jì)算結(jié)果

原煙氣溫度為180℃，向熱泵發(fā)生器供熱后降溫至120℃進(jìn)入脫硫塔，供熱過程中，僅煙氣溫度改變，其他狀態(tài)參數(shù)及成分組成不發(fā)生變化。以飽和空氣溫濕圖、冬季環(huán)境條件（0℃、40%相對濕度）作為基準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行脫白設(shè)計(jì)[15]。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 冷凝再熱法脫白需熱量計(jì)算

煙氣冷凝再熱脫白熱負(fù)荷如圖2所示。由圖可知，隨著煙氣冷凝溫度降低，總體脫白熱負(fù)荷增大，煙氣冷凝至36℃的脫白熱負(fù)荷相較于冷凝至44℃增長了22%；煙氣冷凝熱負(fù)荷占總體比重顯著增大?？紤]到工藝可行性及冷凝換熱面積，選擇將煙氣冷凝至40℃，再加熱至81℃作為煙氣脫白工藝路線，該路線可保證0℃環(huán)境下煙氣的完全脫白。

圖2 煙氣脫白熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

2.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果

ELECNRTL物性方法的模擬結(jié)果與實(shí)際的吸收式溴化鋰制冷劑的參數(shù)相符，并能夠準(zhǔn)確計(jì)算相應(yīng)溫度、濃度下溴化鋰溶液的飽和蒸氣壓[16]。本文采用ELECNRTL方法進(jìn)行模擬分析，并采用Wegstein方法進(jìn)行收斂計(jì)算。模擬流程如圖3所示，共有煙氣、脫硫漿液、熱泵工質(zhì)對、預(yù)熱水及環(huán)境空氣5類物料流股。

圖3 模擬流程

系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)見表3，其中，煙氣質(zhì)量流量與余熱鍋爐出口煙氣一致；循環(huán)脫硫液溫度為39℃以滿足煙氣冷凝需求；熱泵工質(zhì)（SOL1）壓力為5.630kPa，對應(yīng)熱泵蒸發(fā)溫度（35℃）下的飽和蒸氣壓；熱泵工質(zhì)（SOL2）壓力為60.103kPa，對應(yīng)熱泵冷凝溫度（85℃）下的飽和蒸氣壓；參照供暖季室內(nèi)溫度，待加熱水初始溫度為20℃，待加熱水的流量可根據(jù)加熱需求調(diào)整，本工況設(shè)為60000kg/h。

表3 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)模擬結(jié)果見表4，由表可知，本文提出的系統(tǒng)能在低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)煙氣脫白，煙氣冷凝、再熱后溫度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過熱泵系統(tǒng)與低溫漿液噴淋煙氣技術(shù)的結(jié)合，既維持了循環(huán)漿液的溫度，又達(dá)到了回收利用脫硫液中煙氣余熱的目的。

表4 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)模擬結(jié)果

根據(jù)1.3 節(jié)描述的模型，對熱泵關(guān)鍵設(shè)備熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，并與系統(tǒng)模擬結(jié)果進(jìn)行對比。以冷凝器為例，熱泵冷凝器的模擬結(jié)果如圖4所示，由圖可得到換熱器熱負(fù)荷及換熱流體的參數(shù)變化。對比結(jié)果見表5。流程模擬結(jié)果與系統(tǒng)熱力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果基本一致，保證了熱力模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果的熱平衡系數(shù)滿足式(5)要求，模擬結(jié)果滿足熱泵系統(tǒng)熱平衡。

圖4 熱泵冷凝器模擬結(jié)果

表5 熱力學(xué)計(jì)算與模擬對比

2.3 節(jié)水減排性能

Aspen 可直接獲取各工況下脫硫塔進(jìn)出口的煙氣含水量，并以此計(jì)算得到系統(tǒng)回收水量。不同漿液溫度下系統(tǒng)回收水量見表6，由表可知，脫硫漿液溫度高于44℃時，脫硫過程中，漿液蒸發(fā)的水分被煙氣裹挾帶離，造成水分流失，需要持續(xù)補(bǔ)充。隨著漿液溫度降低，煙氣冷凝溫度降低，煙氣中的水蒸氣凝結(jié)并進(jìn)入漿液，當(dāng)漿液溫度低于44℃時，系統(tǒng)開始回收煙氣中的水分。本文將煙氣冷凝至39.5℃，回收水量為1.47t/h，解決了傳統(tǒng)脫硫塔持續(xù)補(bǔ)充工藝水的問題。

表6 不同漿液溫度系統(tǒng)回收水量

相較于其他煙氣，再生煙氣經(jīng)過多級旋風(fēng)分離，粉塵粒徑分布的峰值粒徑更小，慣性捕集難度更高[17]。本系統(tǒng)將熱泵作為煙氣冷凝的冷源，使脫硫液維持低溫。SO2在溶液中的溶解度與溫度相關(guān)，溫度越高溶解度越低，低溫條件更利于溶液吸收SO2氣體，提高脫硫效率[18]。同時，低溫環(huán)境強(qiáng)化了煙氣中水蒸氣以細(xì)小顆粒、氣溶膠等為核的凝結(jié)過程，顆粒的無序運(yùn)動使彼此碰撞、團(tuán)聚，進(jìn)一步增大了顆粒物粒徑[19]。經(jīng)過高效氣液分離裝置時，液滴裹挾細(xì)小顆粒物在慣性碰撞等作用下被捕集。相較于傳統(tǒng)濕法脫硫塔，耦合熱泵后的脫硫塔對細(xì)微顆粒物的捕集能力更強(qiáng)。煙氣脫硫與冷凝過程同時在脫硫塔中進(jìn)行，避免了傳統(tǒng)系統(tǒng)使用換熱器冷凝煙氣導(dǎo)致的腐蝕問題。

2.4 節(jié)能與變工況分析

熱泵性能系數(shù)靈敏度分析如圖5所示。由圖可知，隨熱泵驅(qū)動熱量的增大，系統(tǒng)總性能系數(shù)隨之增大，在煙氣波動范圍內(nèi)，系統(tǒng)始終保持較高的總性能系數(shù)。盈余熱量COP 值保持0.95 不變，說明隨著熱泵驅(qū)動熱量的增大，盈余熱量增大，且兩者近似為線性關(guān)系。熱泵從脫硫漿液取出的熱量可根據(jù)需求用于鍋爐水預(yù)熱、冬季供暖水預(yù)熱等，由上文可知，設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)盈余熱量為1.87MW，相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)，具備顯著的節(jié)能效益。

圖5 系統(tǒng)制熱靈敏度分析

實(shí)際運(yùn)行中，煙氣流量存在波動，熱泵發(fā)生器的驅(qū)動熱源量也隨之波動。由此，在保持脫硫塔入口煙氣溫度的前提下改變煙氣流量，考察煙氣流量對系統(tǒng)性能的影響。脫白性能靈敏性分析如圖6所示，隨著煙氣流量增大，系統(tǒng)運(yùn)行得到的煙氣冷凝溫度與再熱溫度都隨之升高。冷凝溫度低，再熱溫度越高，越有利于煙氣脫白。模擬結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)煙氣量的82%～124%波動范圍內(nèi)，經(jīng)系統(tǒng)處理后的煙氣溫度均能滿足脫白要求。熱泵由原煙氣驅(qū)動即可完成煙氣脫白，無需額外熱源。

圖6 系統(tǒng)脫白性能靈敏度分析

2.5 經(jīng)濟(jì)性分析

系統(tǒng)性能的優(yōu)化往往要以工藝復(fù)雜程度的提高及設(shè)備優(yōu)化為代價。因此，參照文獻(xiàn)給出的熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析方法進(jìn)行靜態(tài)投資回收期計(jì)算[20]，計(jì)算結(jié)果見表7。由表可知，熱泵系統(tǒng)較為復(fù)雜，系統(tǒng)建設(shè)前期總投資成本較高，但復(fù)合系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)煙氣脫白、促進(jìn)煙氣超低排放的同時兼具余熱回收利用的能力。根據(jù)計(jì)算，即使在部分熱量用于煙氣再熱脫白的情況下，系統(tǒng)投資回收期僅為4.88年，相較于傳統(tǒng)煙氣凈化系統(tǒng)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。靜態(tài)投資回收期計(jì)算方法見式(7)。

表7 改造投資回收期計(jì)算

3 結(jié)論

將熱泵技術(shù)與漿液冷凝技術(shù)結(jié)合，提出了適用于催化煙氣處理裝置的經(jīng)過系統(tǒng)改造方案，并進(jìn)行了模擬與熱力學(xué)計(jì)算，結(jié)論如下。

（1）本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了“煙氣-脫硫液-熱泵”的余熱回收路線，既避免了煙氣與熱泵直接換熱造成露點(diǎn)腐蝕問題，又減少了“煙氣-脫硫塔-冷凝噴淋塔-熱泵”的裝置冗余。

（2）熱泵代替作為煙氣冷凝冷源，運(yùn)行穩(wěn)定，低溫噴淋環(huán)境協(xié)同增強(qiáng)了脫硫塔的脫硫除塵能力。系統(tǒng)具備水回收能力，解決了濕法脫硫工藝的補(bǔ)水問題。設(shè)計(jì)工況下，回收水量為1.47t/h。

（3）煙氣自身熱量即可驅(qū)動熱泵完成脫硫液冷凝、煙氣再熱與供暖水余熱，無需額外熱源。靈敏度分析結(jié)果表明，煙氣流量在82%～124%范圍波動，系統(tǒng)保持了良好的脫白能力。

（4）系統(tǒng)投資回收期為4.88年，相較于將熱量排放到環(huán)境中傳統(tǒng)催化煙氣凈化工藝，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

符號說明

Dtot，Ddep，Dope，Dcon—— 分別為熱泵系統(tǒng)總費(fèi)用、設(shè)備折舊費(fèi)（取5%總費(fèi)用）、年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用（取4%總費(fèi)用）、建設(shè)安裝費(fèi)（取30%總費(fèi)用），CNY

dAHP——熱泵設(shè)備單位成本，CNY

dhp——單位熱價，22CNY/GJ

Hf,in，Hf,in，Hw,eva—— 分別為脫硫塔入口煙氣總焓值、出口總焓值、蒸發(fā)水分總焓值，kJ

h——濕空氣的焓，kJ/kg絕干氣

hin，hout—— 分別為換熱設(shè)備進(jìn)、出口流股比焓，kJ/kg

min，mout—— 分別為換熱設(shè)備進(jìn)、出口流股流量，kg

Qex——設(shè)備熱負(fù)荷，kJ

Qg，Qc，Qe，Qa—— 分別為發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器及預(yù)熱器的熱負(fù)荷，MW

Qrea，Qslu—— 分別為脫硫反應(yīng)熱、煙氣與脫硫液傳遞的熱量，kJ

t——靜態(tài)投資回收期，年

tope——年運(yùn)行小時數(shù)，供暖季為2880h

t1——設(shè)備使用壽命，20年

α——濕度，kg/kg絕干氣