徐世明，徐海濤，安 航，祁 征，周 賢，彭 爍

（1.華能營口熱電有限責任公司，遼寧 營口 115004； 2.呼倫貝爾安泰熱電有限責任公司海拉爾熱電廠，內(nèi)蒙古 海拉爾 021000； 3.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209）

熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱是我國北方城鎮(zhèn)各種熱源中能效最高的方式之一，長期以來各級政府非常重視熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱的發(fā)展。20世紀90年代至今我國燃煤機組熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱發(fā)展迅速[1-2]。吸收式熱泵技術在供熱領域應用日臻成熟后，為熱電聯(lián)產(chǎn)機組低溫余熱回收提供了可行性。采用吸收式熱泵的汽輪機冷端余熱回收技術獲得了推廣，熱電聯(lián)產(chǎn)機組的冷源損失大幅度降低[3]。機組熱損失占比最大項由冷源損失變?yōu)榱伺艧煋p失[4]。與此同時，采用吸收式熱泵與直接接觸式煙氣冷凝換熱器的煙氣低溫余熱回收技術也處在逐步的研發(fā)與示范中[5-10]。

隨著城市發(fā)展與環(huán)保要求的日趨嚴苛，大型熱電聯(lián)產(chǎn)機組亟需滿足的需求包括[11-13]：1）進一步提高供熱能力，隨著近幾年北方地區(qū)城市建設加速，集中供暖面積持續(xù)增長，但部分熱電聯(lián)產(chǎn)機組已滿負荷運行，沒有富余供熱能力接帶城市新增供熱負荷；2）節(jié)能節(jié)水，燃用褐煤的熱電聯(lián)產(chǎn)機組煙氣中水蒸氣含量高，水蒸氣凝結潛熱高，致使排煙余熱損失巨大；3）消除煙羽，煙氣中水蒸氣直接排入大氣并在煙囪附近冷凝，既會損失水量，又會形成白色煙羽現(xiàn)象，需要消除煙羽視覺污染。

目前，煙氣余熱回收技術主要有空氣預熱器、低溫省煤器等一系列換熱器以降低排煙溫度的煙氣顯熱回收[14-20]，和以冷凝法、膜分離法及吸濕溶液吸收法等為代表的煙氣潛熱回收[21-24]。李楠等[14]對低低溫省煤器系統(tǒng)存在的主要問題進行分析，并對系統(tǒng)進行改造，提高了系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性。滕達等[24]以無機陶瓷膜為核心開展煙氣余熱回收試驗，發(fā)現(xiàn)煙氣余熱回收以潛熱為主，并且能同時回收水質(zhì)較高的冷凝水。

基于脫硫漿液閃蒸提熱的煙氣余熱回收方法是通過閃蒸過程，利用吸收式熱泵將脫硫漿液中的熱量提取出來，從而間接地降低煙氣排煙溫度，達到回收煙氣熱量的目的。于經(jīng)偉等[25]利用Aspen plus軟件搭建了真空閃蒸冷凝模型，探究石灰石-石膏法、鎂法、雙堿法等3種工藝的相關參數(shù)對閃蒸過程的影響。閆敏[26]從理論計算和軟件模擬角度對脫硫漿液閃蒸-蒸汽閃凝過程進行研究，包括煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)熱力學分析、閃蒸-閃凝系統(tǒng)熱力性能研究、潛熱提質(zhì)后利用路徑研究等，并輔以試驗進行驗證。但相關研究中對影響閃蒸效果的相關因素考慮尚不全面，如脫硫漿液質(zhì)量濃度、脫硫漿液閃蒸量等因素均未考察，對熱量回收的效果也未考察。

對此，本文首先介紹了基于脫硫漿液閃蒸提熱的煙氣余熱回收技術的原理，并對自主搭建的試驗裝置和試驗采用的方法進行了詳細介紹；然后在試驗臺上進行48 h變工況連續(xù)試驗，對循環(huán)漿液溫度、循環(huán)漿液流量、循環(huán)漿液質(zhì)量濃度、閃蒸罐壓力等參數(shù)對閃蒸過程從脫硫漿液中提取熱量的影響，進行了系統(tǒng)分析，并對凝水水質(zhì)和熱量回收效果進行了分析，為該技術的工業(yè)化應用提供了指導和建議。

1 試驗原理

脫硫漿液閃蒸提熱技術原理如圖1所示。利用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝中脫硫漿液的沸點會隨著環(huán)境壓力降低而降低的特性，建立真空相變環(huán)境（負壓環(huán)境），使當前負壓飽和溫度以上的脫硫漿液發(fā)生閃蒸，產(chǎn)生負壓蒸汽攜帶汽化潛熱輸送至吸收式熱泵內(nèi)向低溫介質(zhì)（本試驗以廠內(nèi)循環(huán)冷卻水為低溫介質(zhì)，暫不進行熱量回收）進行冷凝放熱，從而實現(xiàn)脫硫漿液余熱的清潔、高效、低成本回收。脫硫漿液發(fā)生閃蒸提取熱量后，漿液溫度降低，并循環(huán)至脫硫塔頂部，噴淋至脫硫塔，脫硫塔內(nèi)煙氣溫度進一步降低，可以進一步提高SO2在漿液中的溶解度，從而在一定程度上提高吸收塔內(nèi)SO2吸收效率。同時，負壓蒸汽放熱后凝結為水，可減少工藝用水的供應，節(jié)水效果顯著。

2 試驗裝置與方法

漿液閃蒸平臺主要由6部分組成：漿液循環(huán)系統(tǒng)、漿液閃蒸系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、除霧器沖洗系統(tǒng)、儀表及控制系統(tǒng)。從脫硫塔出來的漿液先進入原料罐中，經(jīng)漿液循環(huán)泵打入10 m平臺的閃蒸罐中進行閃蒸。通過水環(huán)真空泵抽真空保持閃蒸罐內(nèi)壓力約為5 kPa，進入閃蒸罐內(nèi)的漿液由于壓力的變化閃蒸出蒸汽，經(jīng)冷卻水換熱冷凝后排出。閃蒸后的濃漿液返回原料罐內(nèi)通過攪拌器與新補充的漿液進行混合，再通過漿液循環(huán)泵打入閃蒸罐進行循環(huán)。脫硫漿液閃蒸提熱試驗臺如圖2所示。

2.1 漿液循環(huán)系統(tǒng)

漿液循環(huán)系統(tǒng)由原料罐、漿液循環(huán)泵及閥門等組成。漿液循環(huán)系統(tǒng)將新補充的漿液和閃蒸罐閃蒸完的濃漿液進行混合，通過漿液循環(huán)泵打入漿液閃蒸罐內(nèi)，從而構成循環(huán)。

在原料罐的上部安裝有攪拌器，側(cè)面設置有溢流口，在罐底正下方設置有常規(guī)排污口，側(cè)面底部設置事故排污口，補漿液通過進料口進入原料罐。

2.2 漿液閃蒸系統(tǒng)

漿液閃蒸系統(tǒng)主要由漿液閃蒸罐、冷凝水系統(tǒng)組成。漿液經(jīng)漿液循環(huán)泵打入閃蒸罐內(nèi)，由于壓力變化漿液中的水分蒸發(fā)，在閃蒸罐內(nèi)冷卻水盤管冷卻下冷凝，冷凝水通過冷凝水管排出。

漿液閃蒸罐由內(nèi)筒體和外筒體兩部分組成，內(nèi)部有3層噴淋層，每層噴淋層均有1個不銹鋼噴嘴。在閃蒸罐的每層噴淋水管前均設置有不銹鋼角閥，每層噴淋層對應1組流量，可以根據(jù)不同的流量打開相應的噴淋層。在內(nèi)筒體和外筒體之間敷設有螺旋換熱管，內(nèi)筒體上部設置有除霧器。外筒體周圍分別布置有冷凝水液位視鏡、除霧后視鏡孔和噴淋水液位視鏡，可以隨時觀察罐內(nèi)的情況。

2.3 抽真空系統(tǒng)

抽真空系統(tǒng)主要由水環(huán)真空泵、水環(huán)真空泵水泵、風機盤管、水箱等組成。抽真空系統(tǒng)通過水環(huán)真空泵將閃蒸罐內(nèi)的壓力抽至5 kPa左右，保證閃蒸效果。

水環(huán)真空泵水泵將水箱中的冷卻水輸送至水環(huán)真空泵，保證其正常運行。水環(huán)真空泵進口連至水箱底部，出口連至風機盤管。風機盤管對水環(huán)真空泵從水箱抽出的水進行冷卻降溫，降溫后的水一部分回到水箱，另一部分進入水環(huán)真空泵，以保證進入水環(huán)真空泵的水維持在較低溫度，從而保證閃蒸罐內(nèi)壓力。水箱上部設置有水箱通氣管，底部設置有排水管和閥門。

2.4 冷卻水系統(tǒng)

通過冷卻水系統(tǒng)將閃蒸罐內(nèi)閃蒸出來的蒸汽與冷卻水換熱冷凝。冷卻水系統(tǒng)主要由冷卻水管路、冷卻水泵組成。冷卻水經(jīng)冷卻水泵打入閃蒸罐內(nèi)的盤管，冷卻水吸收閃蒸蒸汽熱量，使蒸汽冷凝。冷卻水進、出口閥門之間設置旁通管，并安裝球閥，通過調(diào)整進、出口閥門和旁通管上球閥，調(diào)整冷卻水流量和冷卻水進出口溫度。

2.5 除霧器沖洗系統(tǒng)

漿液在閃蒸罐內(nèi)閃蒸過程中，局部可能較為劇烈，會產(chǎn)生少量粉塵、汽沫等雜質(zhì)附著在除霧器上，長時間會影響閃蒸蒸汽的冷卻，影響整個系統(tǒng)的性能。因此，每隔一段時間需要打開除霧器沖洗系統(tǒng)，對閃蒸罐內(nèi)的除霧器進行沖洗。

2.6 儀表控制系統(tǒng)

儀表控制系統(tǒng)主要由PLC控制。新補漿液的入口安裝有溫度和流量測點；漿液泵出口安裝有溫度和流量測點；閃蒸罐頂部安裝有壓力變送器，底部濃漿液出口安裝有溫度測點；冷卻水進出口分別安裝有溫度測點；在冷卻水泵后安裝有流量測點。系統(tǒng)正常運行時電控柜顯示屏顯示了各測點數(shù)據(jù)，所有的電氣設備均可以在控制盤上的進行操作，設備發(fā)生故障時，控制盤會顯示報警信號。

2.7 試驗方法

閃蒸過程中涉及的熱量轉(zhuǎn)移分為：1）脫硫漿液（閃蒸前）攜帶的熱量流入系統(tǒng)，經(jīng)過閃蒸過程，產(chǎn)生低溫脫硫漿液（閃蒸后）和閃蒸蒸汽，熱量由脫硫漿液轉(zhuǎn)移到閃蒸蒸汽中；2）閃蒸蒸汽與循環(huán)冷卻水換熱冷凝成水，熱量由閃蒸蒸汽轉(zhuǎn)移到循環(huán)冷卻水中流出系統(tǒng)。實際過程中，閃蒸蒸汽的熱量通過吸收式熱泵進行提質(zhì)，該熱量即為閃蒸過程實現(xiàn)的熱回收量。

過程2）中，單位時間內(nèi)閃蒸蒸汽的放熱量Q等于蒸汽冷凝過程所放潛熱與冷凝水降溫過程所放顯熱的熱量之和。由于冷凝水的顯熱相比于汽化潛熱很低，可忽略不計，即為：

式中：Hv為水的汽化潛熱，在試驗溫度范圍內(nèi)取2.41×103kJ/kg；D為單位時間內(nèi)冷凝成水的閃蒸蒸汽質(zhì)量流量，kg/h；cp為水的等壓比熱容，在試驗溫度范圍內(nèi)取4.18 kJ/(kg·℃)；T1為閃蒸蒸汽的溫度，℃；T2為冷凝水的溫度，℃；Q為放熱量，kJ。

3 結果與討論

3.1 48 h變工況連續(xù)試驗

在48 h連續(xù)試驗期間，需要同步進行變工況試驗，研究閃蒸漿液溫度、閃蒸漿液流量、漿液質(zhì)量濃度、閃蒸罐真空度等參數(shù)對閃蒸效果的影響。

圖3為試驗期間新補漿液、閃蒸漿液、冷卻水等主要物流的流量數(shù)據(jù)，這也是試驗中由試驗人員調(diào)節(jié)的參數(shù)，通過對這些參數(shù)的調(diào)節(jié)控制其他關鍵參數(shù)。從圖3可以看出：由于進行了變工況試驗，閃蒸漿液量分為3個階段，在各階段內(nèi)以設定值為中心有所波動；新補漿液的流量受變工況試驗影響，也有一定的變化，總體較為穩(wěn)定，符合參數(shù)控制的預期；冷卻水流量受變工況試驗影響，分為多個階段，但在各階段內(nèi)都能保持較好的穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 閃蒸關鍵參數(shù)分析

基于變工況試驗數(shù)據(jù)（循環(huán)漿液溫度、循環(huán)漿液流量、循環(huán)漿液質(zhì)量濃度、閃蒸罐壓力等參數(shù)），對閃蒸過程從脫硫漿液中提取熱量的影響進行了系統(tǒng)性考察。

3.2.1 循環(huán)漿液溫度

圖4為循環(huán)漿液溫度對冷凝水量的影響。由 圖4可見，在試驗范圍內(nèi)，隨著循環(huán)漿液溫度的升高，冷凝水量顯著提高。在循環(huán)漿液溫度為37.1 ℃時，冷凝水量僅為14.1 L/h；而當循環(huán)漿液溫度升高至38.0 ℃時，冷凝水量提高至23.6 L/h；當循環(huán)漿液溫度進一步提高至38.9 ℃時，冷凝水量提高至 43.1 L/h。這是由于在閃蒸罐內(nèi)壓力保持穩(wěn)定的情況下，進入閃蒸罐的循環(huán)漿液溫度直接影響閃蒸時的過熱度。循環(huán)漿液溫度越高，閃蒸過熱度越高，閃蒸前后漿液溫度差越大，在閃蒸過程中從脫硫漿液轉(zhuǎn)移到閃蒸蒸汽的熱量越多，閃蒸蒸汽量也越大，進而提高了冷凝水產(chǎn)量。

3.2.2 循環(huán)漿液流量

圖5為循環(huán)漿液流量對冷凝水量的影響。

由圖5可見，隨著循環(huán)漿液流量的增加，冷凝水量有較明顯的提高。在循環(huán)漿液流量為10 m3/h時，冷凝水量為31.8 L/h；而當循環(huán)漿液流量為 15 m3/h時，冷凝水量增加至40.0 L/h；當循環(huán)漿液流量為18 m3/h時，冷凝水量進一步增加至42.6 L/h。

從試驗結果可知，隨著循環(huán)漿液流量的提高，冷凝水量雖然有一定程度的增加，但并未與循環(huán)漿液流量呈線性增加。這可能是由于閃蒸蒸汽量的增加還受到閃蒸罐處理能力的限制。在循環(huán)漿液流量較低時，隨循環(huán)漿液流量的增加冷凝水量增加明顯，而在循環(huán)漿液流量較高時，隨循環(huán)漿液流量的增加冷凝水量僅有少量的增加。

3.2.3 循環(huán)漿液質(zhì)量濃度

圖6為脫硫漿液質(zhì)量濃度對冷凝水量的影響（質(zhì)量濃度難以測量，試驗中以密度反映）。由圖6可見，試驗范圍內(nèi)隨著脫硫漿液質(zhì)量濃度的增加，冷凝水量變化不明顯。這說明在試驗范圍內(nèi)，循環(huán)漿液質(zhì)量濃度對閃蒸過程提取的熱量影響不大。

從理論角度分析，閃蒸過程的主要影響因素是循環(huán)漿液的過熱度和處理量，循環(huán)漿液的質(zhì)量濃度由固體含量決定，在試驗范圍內(nèi)固體含量的小幅度變化基本不影響閃蒸效果。

3.2.4 閃蒸罐壓力

圖7為閃蒸罐壓力對冷凝水量的影響。由圖7可見，在所考察的閃蒸罐壓力范圍內(nèi)，隨著閃蒸罐壓力的增加，冷凝水量有一定下降。在閃蒸罐壓力為4.2 kPa時，冷凝水量為43.1 L/h；而當閃蒸罐壓力為4.6 kPa時，冷凝水量為40.0 L/h；當閃蒸罐壓力為5.3 kPa時，冷凝水量為38.4 L/h。

從試驗結果可見，降低閃蒸罐內(nèi)壓力有利于提高閃蒸提熱效果；但如果閃蒸罐內(nèi)壓力維持在一定范圍內(nèi)，即可保證較好的閃蒸效果，閃蒸罐內(nèi)壓力還不需要降到特別低的水平。這是由于閃蒸罐內(nèi)壓力的降低會導致過熱度提高，但過熱度提高對閃蒸效果影響是非線性的。查表可知，壓力4.2 kPa對應的水蒸氣飽和溫度為29.81 ℃，壓力4.6 kPa對應的水蒸氣飽和溫度為31.40 ℃，壓力5.3 kPa對應的水蒸氣飽和溫度為33.92 ℃。在循環(huán)漿液溫度為39 ℃的情況下，閃蒸罐內(nèi)壓力4.2、4.6、5.3 kPa對應的過熱度分別為9.19、7.60、5.08 ℃。而根據(jù)經(jīng)驗，閃蒸過程3 ℃的過熱度就足夠了，更高的過熱度不會顯著提高閃蒸提取的熱量，反而可能會使得閃蒸過程過于劇烈損壞噴嘴等閃蒸罐內(nèi)構件。

3.3 冷凝水水質(zhì)分析

試驗中閃蒸蒸汽冷凝后收集到的冷凝水水質(zhì)清澈，可用于電廠的工藝用水或熱網(wǎng)補水，從而達到節(jié)水的目的。

在48 h連續(xù)試驗中，采集了不同時間點蒸汽冷凝后的冷凝水，共5個樣品，并對其進行了詳細的理化性質(zhì)分析。其中1份水樣的水質(zhì)分析結果見 表1，將其與電廠循環(huán)水補水水質(zhì)要求進行比較。從表1可見，冷凝水多數(shù)指標比電廠循環(huán)水補水水質(zhì)高很多，尤其是硬度和陰陽離子含量，這也為冷凝水用于更高品質(zhì)的補水提供了可能。

表1 冷凝水水質(zhì)分析 Tab.1 Quality analysis of condensate water

閃蒸蒸汽中的各種金屬陽離子和陰離子含量大大降低，而pH值由于脫硫漿液自身的弱酸性（pH值為5.2～5.8）導致冷凝水呈極微弱酸性。因此，閃蒸蒸汽凝水可用作化學清水箱進水或超濾用水等。

3.4 熱量回收分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算出熱回收量見表2。其中，熱量回收率表示每單位體積漿液可以回收的熱量。從表2可見，在較低漿液閃蒸量時，熱量回收率較高，隨著漿液閃蒸量的增加，單位漿液中回收的熱量降低。考慮到目前試驗臺上還存在少量冷凝水泄露、閃蒸蒸汽冷凝不完全的情況，實際的試驗熱量回收率應高于表2中數(shù)值。

表2 閃蒸過程熱量回收分析 Tab.2 Analysis of heat recovery via flash

將脫硫漿液閃蒸提熱技術應用于30萬kW機組，考慮到穩(wěn)態(tài)運行情況下漿液溫度稍低于試驗值、閃蒸罐壓力稍高于試驗值等情況，閃蒸過程的過熱度低于試驗水平，因此工業(yè)裝置的熱量回收率應稍低于試驗裝置上的熱量回收率。若按照5 kW·h/m3的熱量回收率和6 000 m3/h的工業(yè)裝置漿液閃蒸量計算，可提供30 MW的供熱負荷。通過吸收式熱泵技術可將回收的熱量用于熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱，解決電廠進一步擴大供熱面積、節(jié)能節(jié)水和消除煙羽的需求。

4 結 論

1）在試驗平臺上進行的變工況試驗和水質(zhì)分析結果證明了，脫硫漿液閃蒸提熱的技術路線可行，且節(jié)能節(jié)水效果顯著。

2）循環(huán)漿液溫度、循環(huán)漿液流量和閃蒸罐壓力對閃蒸提熱效果的影響明顯，而漿液質(zhì)量濃度則影響不大。

3）將脫硫漿液閃蒸提熱技術應用于30萬kW機組，將可以提供30 MW的供熱負荷，通過熱泵提質(zhì)后可用于集中供暖，滿足電廠需求。