趙茂中， 喻佳彤

(1.天津大學前沿技術(shù)研究院， 天津 301700； 2.天津大學 環(huán)境科學與工程學院， 天津 300110)

1 概述

對于化工、冶煉場所及大型火力發(fā)電廠這類鍋爐用戶而言，煙囪出口的白色煙羽是非常普遍的現(xiàn)象，冬季尤甚。參考近年來的大量研究，霧霾形成與白色煙羽的關(guān)系日漸明朗[1-4]，因此白煙治理迫在眉睫。

“消白”即從視覺上消除白色煙羽，多采用回轉(zhuǎn)式煙氣-煙氣再熱系統(tǒng)(Gas Gas Heating，GGH)或水媒式煙氣再熱系統(tǒng)(Medium Gas Gas Heating，MGGH)技術(shù)，實現(xiàn)脫硫前后煙氣的熱量交換，而煙氣再熱后看似白煙現(xiàn)象得以減輕，其含濕量卻沒有變化，水蒸氣僅僅是從飽和態(tài)轉(zhuǎn)化為過熱態(tài)，且不改變煙氣中的污染物組分，不僅沒有解決污染問題，還造成水資源的大量浪費[5-6]。治理白煙的本質(zhì)，應(yīng)該著手于減少排放煙氣所攜帶的水蒸氣總量，因此“脫白”，即對煙氣進行冷凝，同時使大量氣溶膠粒子凝聚并沉降，才是白煙治理的核心。此外，合理的煙氣冷凝熱利用還可提高鍋爐熱效率、節(jié)省耗水量[7-8]。

煙氣冷凝和再熱的技術(shù)瓶頸在于：燃煤鍋爐產(chǎn)生的煙氣在脫硫前具有較高品位，但其酸露點通常處于90 ℃以上，因此盡管可以對這部分煙氣進行取熱，卻受制于酸露點腐蝕問題，造成換熱器使用壽命降低，報廢期通常不超過4 a；另一方面，白煙的消除要求尾部煙氣被再熱至70～80 ℃，因此盡管脫硫后酸露點有所下降[9-12]，但煙氣溫度只有50～60 ℃，此時的煙氣由于能質(zhì)過低，無法滿足再熱需求。

提出有機工質(zhì)-煙氣熱力循環(huán)系統(tǒng)(Organic Gas Thermodynamic System，OGTS)的概念：在有機工質(zhì)和煙氣之間建立熱力循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)的形式包括熱泵循環(huán)、制冷循環(huán)、有機朗肯循環(huán)以及簡單的能量調(diào)配系統(tǒng)等，以達到煙氣脫白、余熱利用等節(jié)能環(huán)保目標。在此概念基礎(chǔ)上，設(shè)計一種以煙氣脫白為目標的熱泵循環(huán)系統(tǒng)，對脫硫后的低溫煙氣進行冷凝、再熱，在煙氣處理參數(shù)固定的條件下，分別采用R123、R245fa、R134a和課題組在有機工質(zhì)研發(fā)方面已有的成果[13-14]基礎(chǔ)上，針對煙氣脫白領(lǐng)域研發(fā)的BY-pro，共4種有機工質(zhì)，對系統(tǒng)進行熱力學性能分析。

2 白煙產(chǎn)生機理

煙氣中的水蒸氣含量，通常采用體積分數(shù)進行定義，而在煙氣脫白治理系統(tǒng)中的水蒸氣處理過程存在相變，因此該參數(shù)不具備反映煙氣性質(zhì)的能力。參照濕空氣的熱力計算方法，使用含濕量對煙氣中的水蒸氣含量進行定義，將濕煙氣分為干煙氣(gas)和水蒸氣(vapor)兩部分，φ和d分別用于表示濕煙氣的相對濕度和含濕量，前者表示濕煙氣的飽和程度，后者表示單位質(zhì)量的干煙氣所含水蒸氣質(zhì)量：

(1)

式中φ——濕煙氣相對濕度

pv——濕煙氣中的水蒸氣分壓力，kPa

ps——濕煙氣溫度下的水蒸氣飽和壓力，kPa

(2)

式中d——濕煙氣含濕量，kg/kg

mv——濕煙氣中的水蒸氣質(zhì)量，kg

mg——干煙氣的質(zhì)量，kg

某一溫度下的濕煙氣相對濕度達到100%時，成為飽和濕煙氣，對應(yīng)的含濕量為飽和含濕量：即當前溫度下的煙氣攜帶水蒸氣的最大能力。此時的煙氣溫度下降或壓力增加都會導致過飽和，致使煙氣中的水分析出，在空中形成白色煙羽。

以天津某火力發(fā)電廠MGGH系統(tǒng)的煙氣參數(shù)作為參考，濕煙氣處理熱力過程焓濕圖見圖1。脫硫后的煙氣處于狀態(tài)點a，如煙氣不經(jīng)再熱直接排放，與溫度為t0的大氣混合過程如圖1中的紅色過程線所示，穿過φ=1的飽和線，必然有一部分液態(tài)水析出，形成白色煙羽；而沿過程線a-b完成再熱后的煙氣，其狀態(tài)點處于b位置，偏離飽和態(tài)較遠，與大氣的混合過程如圖1所示的綠色過程線，不穿越φ=1的飽和線，因此不會形成白色煙羽。

出于白煙治理角度，只要狀態(tài)點a的濕煙氣經(jīng)過處理后，與大氣混合的過程線避免穿越φ=1的飽和線即可。值得注意的是，白煙可見與否，不僅與大氣環(huán)境溫度t0有關(guān)，還與大氣相對濕度φ0相關(guān)：在t0相同的條件下φ0升高，或φ0不變時室外溫度t0下降，都會導致白煙的可見概率提高。

3 系統(tǒng)描述

① OGTS流程設(shè)計

圖2所示為煙氣脫白治理OGTS流程，設(shè)計在脫硫塔后的煙道中放置兩臺煙氣-有機工質(zhì)換熱器，分別為取熱器和再熱器。

煙氣側(cè)：完成脫硫步驟的飽和濕煙氣先進入取熱器降溫冷凝，見圖1的過程線a-a′，同時，大量的氣溶膠顆粒伴隨著煙氣中的水蒸氣凝結(jié)、沉降，這部分凝水經(jīng)過回收處理后可再次利用；如圖1所示的過程線a′-b′，冷凝降溫后的濕煙氣通過再熱器升溫，然后排放至大氣中。

有機工質(zhì)側(cè)：如圖2所示，節(jié)流后的低壓氣液兩相有機工質(zhì)位于狀態(tài)點5，在取熱器中吸收煙氣所含水蒸氣潛熱后達到過熱態(tài)1′，再由壓縮機壓縮至高壓過熱狀態(tài)點2，然后在煙氣再熱器中釋放一部分冷凝熱給煙氣，達到狀態(tài)點3′。此時的有機工質(zhì)處于高壓氣液兩相，仍具備放熱能力，可根據(jù)實際需求將這部分冷凝熱用于鍋爐進風預熱或生產(chǎn)熱水，為簡化系統(tǒng)，使用空冷器進行模擬，完成兩步冷凝的有機工質(zhì)處于高壓過冷態(tài)，經(jīng)過節(jié)流裝置降壓后進入下一循環(huán)。

圖2 煙氣脫白治理OGTS流程

② 熱泵循環(huán)系統(tǒng)及各部件熱力計算

圖3和圖4分別為OGTS熱泵循環(huán)溫熵圖和壓焓圖，其中蒸發(fā)溫度teva即圖2對應(yīng)狀態(tài)點5的溫度t5，冷凝溫度tcon即圖2對應(yīng)狀態(tài)點3′的溫度；圖4為熱泵循環(huán)的壓焓圖，其中壓力peva即蒸發(fā)壓力，pcon為冷凝壓力，計算可得各部件熱力計算結(jié)果。

圖3 OGTS熱泵循環(huán)溫熵圖

圖4 OGTS熱泵循環(huán)壓焓圖

a.取熱器熱負荷計算

Φext=qm(h1′-h5)

(3)

(4)

式中Φext——取熱器熱負荷，kW

qm——有機工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s

h1′——有機工質(zhì)在狀態(tài)點1的比焓，kJ/kg

h5——有機工質(zhì)在狀態(tài)點5的比焓，kJ/kg

x5——有機工質(zhì)在狀態(tài)點5的干度

b.壓縮機耗功計算

(5)

(6)

式中Pcom——壓縮機理論功率，kW

h2——有機工質(zhì)在狀態(tài)點2的比焓，kJ/kg

Ps——壓縮機功耗，kW

ηcs——壓縮機等熵效率

ηm——壓縮機機械效率

c.再熱器熱負荷計算

Φrht=qm(h2-h3′)

(7)

(8)

式中Φrht——再熱器熱負荷，kW

h3′——有機工質(zhì)在狀態(tài)點3′的比焓，kJ/kg

x3′——有機工質(zhì)在狀態(tài)點3′的干度

d.空冷器熱負荷計算

Φcol=qm(h3′-h4)

(9)

式中Φcol——空冷器熱負荷，kW

h4——有機工質(zhì)在狀態(tài)點4的比焓，kJ/kg

e.節(jié)流裝置熱負荷計算

節(jié)流裝置內(nèi)的有機工質(zhì)可視作經(jīng)歷等焓過程，無需熱負荷計算。

4 Aspen-Plus流程模擬

① 大氣環(huán)境設(shè)置及系統(tǒng)邊界條件的選取

參考中國氣象局網(wǎng)站檢索的天津地區(qū)累年月值氣象數(shù)據(jù)集(1981—2010年)[15](見表1)，以天津某火力發(fā)電廠脫硫塔出口煙氣實際運行參數(shù)為設(shè)計依據(jù)，煙氣組成見表2。

表1 天津地區(qū)累年月值氣象數(shù)據(jù)(1981—2010年)

表2 天津某火力發(fā)電廠脫硫塔出口煙氣組成

該火力發(fā)電廠實際運行數(shù)據(jù)：煙氣流量為3 607 297.51 m3/h取熱器, 熱負荷為80 MW，凝水量為108.8 t/h。流程模擬中，設(shè)定脫硫后的煙氣溫度ta為52 ℃，水蒸氣體積分數(shù)為13.5%時煙氣的含濕量da為97.673 g/kg，取熱器出口飽和濕煙氣的溫度ta′為45 ℃，含濕量da′為65.253 g/kg。設(shè)計煙氣經(jīng)過冷凝再熱后的排放溫度tb′為78 ℃，以保證冬季室外溫度t0大于等于6.4 ℃(上半年溫度中等值)，相對濕度小于等于64%(上半年相對濕度極大值)的環(huán)境下，煙氣與當?shù)丨h(huán)境大氣的混合過程不穿越天津地區(qū)大氣環(huán)境焓濕圖的飽和相對濕度線，不產(chǎn)生白色煙羽。在流程模擬中，煙氣流量取5 000 m3/h,通過計算得到取熱器熱負荷與凝水量。

由于軟件中缺少適合的冷凝器模塊用于模擬煙氣取熱器，故采用Heat-X換熱器模塊+Flash絕熱閃蒸模塊組合的方式，將Heat-X模塊的壓降設(shè)定為零，流體換熱過程的壓降都在Flash模塊中設(shè)定，取熱器和再熱器中的煙氣壓降均為500 Pa，忽略換熱器熱損失，物性方法選擇PR-BM，經(jīng)過試算，此種組合方法計算結(jié)果相對誤差不超過5%，基本滿足工程需要。

其他邊界條件初始值設(shè)置：取熱器入口有機工質(zhì)干度0.2，蒸發(fā)溫度39 ℃；壓縮機排氣溫度90 ℃；再熱器中的冷凝溫度78 ℃。

② 模擬計算結(jié)果

在Aspen-Plus軟件中建立OGTS流程，軟件截圖見圖5。賦邊界條件并進行迭代計算，結(jié)果見表3。

③ 計算結(jié)果對比分析

a.系統(tǒng)盈余熱量

表3中的空冷器負荷一項，體現(xiàn)該流程搭載4種不同有機工質(zhì)時的盈余熱量水平。對系統(tǒng)用戶而言，如果不存在其他用熱需求，僅僅滿足煙氣治理要求即可，則盈余熱量一項的值越低越好；而對于有用熱需求的使用方而言，則需要更多的盈余熱量。分析對比可知，R245fa作為工作流體時，盈余熱量為76.06 kW，處于最高水平，而搭載BY-pro時，系統(tǒng)盈余熱量最少，僅為74.28 kW。

圖5 Aspen-Plus中建立的OGTS流程軟件截圖

表3 Aspen-Plus對OGTS流程計算結(jié)果

b.有機工質(zhì)運行壓力

表3列出了4種有機工質(zhì)與煙氣治理工況相對應(yīng)的蒸發(fā)壓力及冷凝壓力，對比可知，系統(tǒng)運行壓力最高的是R134a，其蒸發(fā)和冷凝壓力分別為1 MPa、2.5 MPa；而搭載BY-pro的系統(tǒng)蒸發(fā)壓力為0.14 MPa，冷凝壓力僅為0.42 MPa，均處于最低水平。

有機工質(zhì)的運行壓力直接影響到主要設(shè)備的承壓要求，對于大型用戶而言，設(shè)備體量龐大，如果承壓要求嚴格，無疑會提高系統(tǒng)投資，因此出于經(jīng)濟角度的考慮，應(yīng)盡可能在避免負壓的前提下，采用運行壓力較低的有機工質(zhì)。

c.壓縮機功耗

壓縮機作為該流程的唯一耗能設(shè)備，其功率消耗水平直接體現(xiàn)該系統(tǒng)的能耗。如表3所示，功耗水平最低的是搭載BY-pro的系統(tǒng)，而以R245fa作為工質(zhì)的系統(tǒng)在運行時功耗相對較高。

d.性能系數(shù)

(10)

(11)

式中I——煙氣治理系統(tǒng)的總性能系數(shù)

Ij——煙氣治理系統(tǒng)的凈值性能系數(shù)

總性能系數(shù)同時考慮了煙氣再熱過程用熱和盈余熱量，凈值性能系數(shù)僅考慮煙氣再熱過程所用熱量。通過表3可知，無論系統(tǒng)總性能系數(shù)還是凈值性能系數(shù)，BY-pro均處于最高水平。

5 系統(tǒng)火用方程的建立及火用分析

① 取熱器(extractor)火用方程

Egas,in,ext+Ewf,in,ext=Egas,out,ext+Ewf,out,ext+Eext

(12)

Eext=T0(ΔSgas,ext+ΔSwf,ext)

(13)

式中Egas,in,ext——取熱器入口煙氣焓火用，kW

Ewf,in,ext——取熱器入口有機工質(zhì)焓火用，kW

Egas,out,ext——取熱器出口煙氣焓火用，kW

Ewf,out,ext——取熱器出口有機工質(zhì)焓火用，kW

Eext——取熱器火用流損失，kW

T0——環(huán)境熱力學溫度，K，取279 K

ΔSgas,ext——取熱器煙氣總熵變，kW/K

ΔSwf,ext——取熱器有機工質(zhì)總熵變，kW/K

② 壓縮機(compressor)火用方程

Ewf,in,com+Ps=Ewf,out,com+Ecom

(14)

Ecom=T0ΔSwf,com

(15)

式中Ewf,in,com——壓縮機入口有機工質(zhì)焓火用，kW

Ewf,out,com——壓縮機出口有機工質(zhì)焓火用，kW

Ecom——壓縮機火用流損失，kW

ΔSwf,com——壓縮機有機工質(zhì)總熵變，kW/K

③ 再熱器(reheater)火用方程

Egas,in,rht+Ewf,in,rht=Egas,out,rht+Ewf,out,rht+Erht

(16)

Erht=T0(ΔSgas,rht+ΔSwf,rht)

(17)

式中Egas,in,rht——再熱器入口煙氣焓火用，kW

Ewf,in,rht——再熱器入口有機工質(zhì)焓火用，kW

Egas,out,rht——再熱器出口煙氣焓火用，kW

Ewf,out,rht——再熱器出口有機工質(zhì)焓火用，kW

Erht——再熱器火用流損失，kW

ΔSgas,rht——再熱器煙氣總熵變，kW/K

ΔSwf,rht——再熱器有機工質(zhì)總熵變，kW/K

④ 節(jié)流裝置(throttle)火用方程

Ewf,in,tht=Ewf,out,tht+Etht

(18)

Etht=T0ΔSwf,tht

(19)

式中Ewf,in,tht——節(jié)流裝置入口有機工質(zhì)焓火用，kW

Ewf,out,tht——節(jié)流裝置出口有機工質(zhì)焓火用，kW

Etht——節(jié)流裝置火用流損失，kW

ΔSwf,tht——節(jié)流裝置有機工質(zhì)總熵變，kW/ K

⑤ 總火用流損失方程

Etot=Eext+Ecom+Erht+Etht

(20)

式中Etot——系統(tǒng)總火用流損失，kW

由于空冷器只是對OGTS盈余能量利用形式的簡化模擬，其火用流損失在工程實踐中會因利用形式的不同而改變，在此不計入系統(tǒng)總火用流損失。

⑥ 火用流損失(火用損)分析

通過方程式(12)至式(20)計算所得的OGTS流程火用損結(jié)果見圖6，對比4種有機工質(zhì)可知：能夠使系統(tǒng)中的再熱器火用損處于最低水平的有機工質(zhì)是R245fa，但系統(tǒng)采用R245fa作為工作流體時，取熱器和壓縮機所產(chǎn)生的火用損均處于最高水平；相對而言，能使壓縮機的火用損處于最低水平的有機工質(zhì)是R134a，但搭載R134a作為工作流體時，系統(tǒng)的再熱器和節(jié)流裝置火用損均處在高位；使系統(tǒng)的節(jié)流裝置火用損最小的有機工質(zhì)是R123；能使取熱器火用損最小的有機工質(zhì)是BY-pro；系統(tǒng)總火用損處于最高值時，搭載的工作流體是有機工質(zhì)R245fa，能使系統(tǒng)以總火用損最低水平運行的有機工質(zhì)是BY-pro。

圖6 采用不同有機工質(zhì)的OGTS流程各部件火用流損失及總火用流損失

6 系統(tǒng)綜合性能對比

① 對比參數(shù)

a.臭氧消耗潛值(Ozone Depletion Potential，ODP)，取R11的值為1，其他物質(zhì)的ODP是相對于R11的比較值。

b.全球變暖潛值(Global Warming Potential，GWP)，是在100 a的框架時間內(nèi)，溫室氣體的溫室效應(yīng)對應(yīng)于發(fā)生相同效應(yīng)的二氧化碳的質(zhì)量。

c.壓縮機是系統(tǒng)唯一耗能設(shè)備，其功耗Ps的高低直接決定系統(tǒng)的運行費用。

d.盡管空冷器作為盈余能量的一種簡化模擬利用形式，其火用流損失的計算不具備實際意義，但盈余能量的大小不因利用形式發(fā)生改變，且建立OGTS流程的初衷是在煙氣脫白治理的同時獲得盈余能量作為工藝用途或以其他形式進行回收，因此盈余熱流量也是重要參數(shù)之一。

e.該OGTS流程采用熱泵循環(huán)形式，使用總性能系數(shù)對其能耗水平進行評價。

f.系統(tǒng)設(shè)計中，對煙氣的處理參數(shù)固定，因此，煙氣在取熱器、再熱器中的有效能損失固定，但4種有機工質(zhì)在各設(shè)備中的熵變、火用流損失不同。將各部件火用流損失相加所得總火用流損失Etot作為一項重要參數(shù)，以對比得出最適合該系統(tǒng)的有機工質(zhì)。

② 對比規(guī)則

性能對比采用雷達對比圖的形式，采用不同有機工質(zhì)的OGTS熱力性能綜合對比見圖7。從中心點到6個頂點分別代表6項參數(shù)的得分由低向高，綜合性能指數(shù)最大者，陰影面積最大。其中：ODP及GWP的值越高，得分越低；壓縮機功耗水平越高，得分越低；盈余熱流量Φcol及總性能系數(shù)的數(shù)值越大，得分越高；總火用損數(shù)值越大，得分越低。

圖7 采用不同有機工質(zhì)的OGTS熱力性能綜合對比

7 結(jié)論

為進行煙氣脫白治理，建立熱泵型有機工質(zhì)-煙氣熱力循環(huán)系統(tǒng)(Organic Gas Thermodynamic System，OGTS)。選取4種無毒不可燃的安全型有機工質(zhì)：R123、R245fa、R134a和BY-pro，對系統(tǒng)搭載不同有機工質(zhì)時的熱力學性能進行流程模擬分析，得出結(jié)論：

① 脫硫塔下游濕煙氣中蘊含大量水蒸氣潛熱，建立熱泵型煙氣脫白治理系統(tǒng)對其進行提取，可提升排煙溫度，不僅可以達到脫白目的，獲得部分盈余熱流量，并且可以有效避免從脫硫塔上游煙氣取熱的酸露點腐蝕問題，從而提高換熱設(shè)備使用壽命。

② 采用BY-pro的熱泵型煙氣脫白系統(tǒng)的循環(huán)工作壓力最低，運行相對安全，同時可以降低設(shè)備承壓要求，節(jié)省換熱設(shè)備制造成本。

③ 搭載BY-pro作為工作流體時，系統(tǒng)的有效能損失和壓縮機功耗均處于最低水平，且性能系數(shù)最高，表明在滿足煙氣脫白治理需求的同時，采用BY-pro的OGTS能夠以更少的耗電量回收更多盈余熱量。

④ 在環(huán)境友好度方面，BY-pro的ODP值最大，在臭氧消耗方面的不利影響略大于其他3種有機工質(zhì)，而GWP值最低，引起全球變暖方面的負面影響最低。