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        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)計分析

        2021-12-28 01:25:12宋崢元孫國剛祖澤輝王中原
        化工進展 2021年12期
        關(guān)鍵詞:冷凝熱泵余熱

        宋崢元,孫國剛,祖澤輝,王中原

        (1 中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院,北京 102249;2 山東樂辰節(jié)能環(huán)??萍加邢薰?,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)污染物排放標準》,但相較于“超低排放”的標準仍有一定差距。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,煙氣擴散形成的煙羽意味著污染物的擴散、水與余熱的嚴重流失。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[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,造成了嚴重浪費,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。

        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)在高溫煙氣及循環(huán)泵的驅(qū)動下在封閉管路內(nèi)進行循環(huán)與換熱;來自余熱鍋爐的煙氣進入發(fā)生器作為熱泵的驅(qū)動熱源,降溫后進入脫硫塔與低溫漿液逆流噴淋,脫硫冷凝的凈煙氣經(jīng)高效除霧器進入煙囪,經(jīng)熱泵的冷凝器加熱達標后排放;脫硫液在噴淋后經(jīng)氧化與澄清,與新鮮堿液進入熱泵蒸發(fā)器,降溫至設(shè)計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)境擴散的過程中始終處于不飽和狀態(tài),是實現(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,環(huán)境適應性好,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荷可通過煙氣焓值變化進行計算[9,12],計算方法見式(2)。

        1.3 熱泵熱力計算

        建立吸收式熱泵熱力學模型與Aspen Plus熱泵工質(zhì)循環(huán)模擬流程時,熱泵系統(tǒng)參數(shù)較多導致難以得到計算結(jié)果。通常進行假設(shè)以簡化設(shè)計計算[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,熱負荷為Qg;蒸發(fā)器中低溫熱源向工質(zhì)傳熱,熱負荷為Qe;冷凝器與吸收器中對外放熱,熱負荷分別為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)備熱負荷計算,計算式見式(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,即吸收器的熱負荷Qa。該熱量可用于供暖季暖水預熱或其他預熱需求。

        (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,本文設(shè)計的熱泵系統(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程度,計算見式(6)。

        2 計算及模擬結(jié)果

        2.1 脫白計算結(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)作為基準參數(shù)進行脫白設(shè)計[15]。計算結(jié)果見表2。

        表2 冷凝再熱法脫白需熱量計算

        煙氣冷凝再熱脫白熱負荷如圖2所示。由圖可知,隨著煙氣冷凝溫度降低,總體脫白熱負荷增大,煙氣冷凝至36℃的脫白熱負荷相較于冷凝至44℃增長了22%;煙氣冷凝熱負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 煙氣脫白熱負荷計算結(jié)果

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

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

        圖3 模擬流程

        系統(tǒng)運行參數(shù)設(shè)計見表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)運行參數(shù)設(shè)計

        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)境下實現(xiàn)煙氣脫白,煙氣冷凝、再熱后溫度均達到設(shè)計要求。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)備熱負荷進行計算,并與系統(tǒng)模擬結(jié)果進行對比。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)熱力學模型計算結(jié)果基本一致,保證了熱力模擬計算的準確性。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 熱力學計算與模擬對比

        2.3 節(jié)水減排性能

        Aspen 可直接獲取各工況下脫硫塔進出口的煙氣含水量,并以此計算得到系統(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)并進入漿液,當漿液溫度低于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)境強化了煙氣中水蒸氣以細小顆粒、氣溶膠等為核的凝結(jié)過程,顆粒的無序運動使彼此碰撞、團聚,進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微顆粒物的捕集能力更強。煙氣脫硫與冷凝過程同時在脫硫塔中進行,避免了傳統(tǒng)系統(tǒng)使用換熱器冷凝煙氣導致的腐蝕問題。

        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)需求用于鍋爐水預熱、冬季供暖水預熱等,由上文可知,設(shè)計工況下,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

        實際運行中,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)濟性分析

        系統(tǒng)性能的優(yōu)化往往要以工藝復雜程度的提高及設(shè)備優(yōu)化為代價。因此,參照文獻給出的熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟性分析方法進行靜態(tài)投資回收期計算[20],計算結(jié)果見表7。由表可知,熱泵系統(tǒng)較為復雜,系統(tǒng)建設(shè)前期總投資成本較高,但復合系統(tǒng)在實現(xiàn)煙氣脫白、促進煙氣超低排放的同時兼具余熱回收利用的能力。根據(jù)計算,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)濟優(yōu)勢。靜態(tài)投資回收期計算方法見式(7)。

        表7 改造投資回收期計算

        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,并進行了模擬與熱力學計算,結(jié)論如下。

        (1)本系統(tǒng)設(shè)計了“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,運行穩(wěn)定,低溫噴淋環(huán)境協(xié)同增強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水問題。設(shè)計工況下,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)濟效益顯著。

        符號說明

        Dtot,Ddep,Dope,Dcon—— 分別為熱泵系統(tǒng)總費用、設(shè)備折舊費(取5%總費用)、年運行維護費用(取4%總費用)、建設(shè)安裝費(取30%總費用),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、出口流股比焓,kJ/kg

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

        Qex——設(shè)備熱負荷,kJ

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

        Qrea,Qslu—— 分別為脫硫反應熱、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

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