脫硫漿液閃蒸提熱試驗(yàn)研究

徐世明，徐海濤，安 航，祁 征，周 賢，彭 爍

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

熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱是我國(guó)北方城鎮(zhèn)各種熱源中能效最高的方式之一，長(zhǎng)期以來各級(jí)政府非常重視熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱的發(fā)展。20世紀(jì)90年代至今我國(guó)燃煤機(jī)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(shù)在供熱領(lǐng)域應(yīng)用日臻成熟后，為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組低溫余熱回收提供了可行性。采用吸收式熱泵的汽輪機(jī)冷端余熱回收技術(shù)獲得了推廣，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的冷源損失大幅度降低[3]。機(jī)組熱損失占比最大項(xiàng)由冷源損失變?yōu)榱伺艧煋p失[4]。與此同時(shí)，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(shù)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(yán)苛，大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組亟需滿足的需求包括[11-13]：1）進(jìn)一步提高供熱能力，隨著近幾年北方地區(qū)城市建設(shè)加速，集中供暖面積持續(xù)增長(zhǎng)，但部分熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組已滿負(fù)荷運(yùn)行，沒有富余供熱能力接帶城市新增供熱負(fù)荷；2）節(jié)能節(jié)水，燃用褐煤的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組煙氣中水蒸氣含量高，水蒸氣凝結(jié)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(huì)損失水量，又會(huì)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(shù)主要有空氣預(yù)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(duì)低低溫省煤器系統(tǒng)存在的主要問題進(jìn)行分析，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。滕達(dá)等[24]以無機(jī)陶瓷膜為核心開展煙氣余熱回收試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煙氣余熱回收以潛熱為主，并且能同時(shí)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(dá)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(guān)參數(shù)對(duì)閃蒸過程的影響。閆敏[26]從理論計(jì)算和軟件模擬角度對(duì)脫硫漿液閃蒸-蒸汽閃凝過程進(jìn)行研究，包括煙氣回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)熱力學(xué)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(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。但相關(guān)研究中對(duì)影響閃蒸效果的相關(guān)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(duì)熱量回收的效果也未考察。

對(duì)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(shù)的原理，并對(duì)自主搭建的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)采用的方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹；然后在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行48 h變工況連續(xù)試驗(yàn)，對(duì)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(duì)閃蒸過程從脫硫漿液中提取熱量的影響，進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并對(duì)凝水水質(zhì)和熱量回收效果進(jìn)行了分析，為該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供了指導(dǎo)和建議。

1 試驗(yàn)原理

脫硫漿液閃蒸提熱技術(shù)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(diǎn)會(huì)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(fù)壓環(huán)境），使當(dāng)前負(fù)壓飽和溫度以上的脫硫漿液發(fā)生閃蒸，產(chǎn)生負(fù)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(yàn)以廠內(nèi)循環(huán)冷卻水為低溫介質(zhì)，暫不進(jìn)行熱量回收）進(jìn)行冷凝放熱，從而實(shí)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(jìn)一步降低，可以進(jìn)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(shí)，負(fù)壓蒸汽放熱后凝結(jié)為水，可減少工藝用水的供應(yīng)，節(jié)水效果顯著。

2 試驗(yàn)裝置與方法

漿液閃蒸平臺(tái)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(jìn)入原料罐中，經(jīng)漿液循環(huán)泵打入10 m平臺(tái)的閃蒸罐中進(jìn)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(jìn)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(bǔ)充的漿液進(jìn)行混合，再通過漿液循環(huán)泵打入閃蒸罐進(jìn)行循環(huán)。脫硫漿液閃蒸提熱試驗(yàn)臺(tái)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(bǔ)充的漿液和閃蒸罐閃蒸完的濃漿液進(jìn)行混合，通過漿液循環(huán)泵打入漿液閃蒸罐內(nèi)，從而構(gòu)成循環(huán)。

在原料罐的上部安裝有攪拌器，側(cè)面設(shè)置有溢流口，在罐底正下方設(shè)置有常規(guī)排污口，側(cè)面底部設(shè)置事故排污口，補(bǔ)漿液通過進(jìn)料口進(jìn)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(gè)不銹鋼噴嘴。在閃蒸罐的每層噴淋水管前均設(shè)置有不銹鋼角閥，每層噴淋層對(duì)應(yīng)1組流量，可以根據(jù)不同的流量打開相應(yīng)的噴淋層。在內(nèi)筒體和外筒體之間敷設(shè)有螺旋換熱管，內(nèi)筒體上部設(shè)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(shí)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(fēng)機(jī)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(yùn)行。水環(huán)真空泵進(jìn)口連至水箱底部，出口連至風(fēng)機(jī)盤管。風(fēng)機(jī)盤管對(duì)水環(huán)真空泵從水箱抽出的水進(jìn)行冷卻降溫，降溫后的水一部分回到水箱，另一部分進(jìn)入水環(huán)真空泵，以保證進(jìn)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(shè)置有水箱通氣管，底部設(shè)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(jìn)、出口閥門之間設(shè)置旁通管，并安裝球閥，通過調(diào)整進(jìn)、出口閥門和旁通管上球閥，調(diào)整冷卻水流量和冷卻水進(jìn)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(huì)產(chǎn)生少量粉塵、汽沫等雜質(zhì)附著在除霧器上，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)影響閃蒸蒸汽的冷卻，影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，每隔一段時(shí)間需要打開除霧器沖洗系統(tǒng)，對(duì)閃蒸罐內(nèi)的除霧器進(jìn)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(bǔ)漿液的入口安裝有溫度和流量測(cè)點(diǎn)；漿液泵出口安裝有溫度和流量測(cè)點(diǎn)；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(cè)點(diǎn)；冷卻水進(jìn)出口分別安裝有溫度測(cè)點(diǎn)；在冷卻水泵后安裝有流量測(cè)點(diǎn)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)電控柜顯示屏顯示了各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，所有的電氣設(shè)備均可以在控制盤上的進(jìn)行操作，設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，控制盤會(huì)顯示報(bào)警信號(hào)。

2.7 試驗(yàn)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(shí)際過程中，閃蒸蒸汽的熱量通過吸收式熱泵進(jìn)行提質(zhì)，該熱量即為閃蒸過程實(shí)現(xiàn)的熱回收量。

過程2）中，單位時(shí)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(jì)，即為：

式中：Hv為水的汽化潛熱，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)取2.41×103kJ/kg；D為單位時(shí)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(yàn)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(jié)果與討論

3.1 48 h變工況連續(xù)試驗(yàn)

在48 h連續(xù)試驗(yàn)期間，需要同步進(jìn)行變工況試驗(yàn)，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(duì)閃蒸效果的影響。

圖3為試驗(yàn)期間新補(bǔ)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(yàn)中由試驗(yàn)人員調(diào)節(jié)的參數(shù)，通過對(duì)這些參數(shù)的調(diào)節(jié)控制其他關(guān)鍵參數(shù)。從圖3可以看出：由于進(jìn)行了變工況試驗(yàn)，閃蒸漿液量分為3個(gè)階段，在各階段內(nèi)以設(shè)定值為中心有所波動(dòng)；新補(bǔ)漿液的流量受變工況試驗(yàn)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(yù)期；冷卻水流量受變工況試驗(yàn)影響，分為多個(gè)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(guān)鍵參數(shù)分析

基于變工況試驗(yàn)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(duì)閃蒸過程從脫硫漿液中提取熱量的影響進(jìn)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(duì)冷凝水量的影響。由 圖4可見，在試驗(yàn)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(shí)，冷凝水量?jī)H為14.1 L/h；而當(dāng)循環(huán)漿液溫度升高至38.0 ℃時(shí)，冷凝水量提高至23.6 L/h；當(dāng)循環(huán)漿液溫度進(jìn)一步提高至38.9 ℃時(shí)，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(jìn)入閃蒸罐的循環(huán)漿液溫度直接影響閃蒸時(shí)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(jìn)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(duì)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(shí)，冷凝水量為31.8 L/h；而當(dāng)循環(huán)漿液流量為 15 m3/h時(shí)，冷凝水量增加至40.0 L/h；當(dāng)循環(huán)漿液流量為18 m3/h時(shí)，冷凝水量進(jìn)一步增加至42.6 L/h。

從試驗(yàn)結(jié)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(shí)，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(shí)，隨循環(huán)漿液流量的增加冷凝水量?jī)H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(duì)冷凝水量的影響（質(zhì)量濃度難以測(cè)量，試驗(yàn)中以密度反映）。由圖6可見，試驗(yàn)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(yàn)范圍內(nèi)，循環(huán)漿液質(zhì)量濃度對(duì)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(yàn)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(duì)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(shí)，冷凝水量為43.1 L/h；而當(dāng)閃蒸罐壓力為4.6 kPa時(shí)，冷凝水量為40.0 L/h；當(dāng)閃蒸罐壓力為5.3 kPa時(shí)，冷凝水量為38.4 L/h。

從試驗(yàn)結(jié)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(huì)導(dǎo)致過熱度提高，但過熱度提高對(duì)閃蒸效果影響是非線性的。查表可知，壓力4.2 kPa對(duì)應(yīng)的水蒸氣飽和溫度為29.81 ℃，壓力4.6 kPa對(duì)應(yīng)的水蒸氣飽和溫度為31.40 ℃，壓力5.3 kPa對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的過熱度分別為9.19、7.60、5.08 ℃。而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，閃蒸過程3 ℃的過熱度就足夠了，更高的過熱度不會(huì)顯著提高閃蒸提取的熱量，反而可能會(huì)使得閃蒸過程過于劇烈損壞噴嘴等閃蒸罐內(nèi)構(gòu)件。

3.3 冷凝水水質(zhì)分析

試驗(yàn)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(bǔ)水，從而達(dá)到節(jié)水的目的。

在48 h連續(xù)試驗(yàn)中，采集了不同時(shí)間點(diǎn)蒸汽冷凝后的冷凝水，共5個(gè)樣品，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的理化性質(zhì)分析。其中1份水樣的水質(zhì)分析結(jié)果見 表1，將其與電廠循環(huán)水補(bǔ)水水質(zhì)要求進(jìn)行比較。從表1可見，冷凝水多數(shù)指標(biāo)比電廠循環(huán)水補(bǔ)水水質(zhì)高很多，尤其是硬度和陰陽(yáng)離子含量，這也為冷凝水用于更高品質(zhì)的補(bǔ)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(yáng)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(dǎo)致冷凝水呈極微弱酸性。因此，閃蒸蒸汽凝水可用作化學(xué)清水箱進(jìn)水或超濾用水等。

3.4 熱量回收分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)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(shí)，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?？紤]到目前試驗(yàn)臺(tái)上還存在少量冷凝水泄露、閃蒸蒸汽冷凝不完全的情況，實(shí)際的試驗(yàn)熱量回收率應(yīng)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(shù)應(yīng)用于30萬(wàn)kW機(jī)組，考慮到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下漿液溫度稍低于試驗(yàn)值、閃蒸罐壓力稍高于試驗(yàn)值等情況，閃蒸過程的過熱度低于試驗(yàn)水平，因此工業(yè)裝置的熱量回收率應(yīng)稍低于試驗(yàn)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(jì)算，可提供30 MW的供熱負(fù)荷。通過吸收式熱泵技術(shù)可將回收的熱量用于熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱，解決電廠進(jìn)一步擴(kuò)大供熱面積、節(jié)能節(jié)水和消除煙羽的需求。

4 結(jié) 論

1）在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的變工況試驗(yàn)和水質(zhì)分析結(jié)果證明了，脫硫漿液閃蒸提熱的技術(shù)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(duì)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(shù)應(yīng)用于30萬(wàn)kW機(jī)組，將可以提供30 MW的供熱負(fù)荷，通過熱泵提質(zhì)后可用于集中供暖，滿足電廠需求。