基于夾點技術(shù)的煙氣處理系統(tǒng)的優(yōu)化與評價

劉中良，王遠(yuǎn)亞，張克舫，2，李艷霞

（1北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，教育部傳熱強化與過程節(jié)能重點實驗室，北京 100124；2中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580）

應(yīng)用技術(shù)

基于夾點技術(shù)的煙氣處理系統(tǒng)的優(yōu)化與評價

劉中良1，王遠(yuǎn)亞1，張克舫1，2，李艷霞1

（1北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，教育部傳熱強化與過程節(jié)能重點實驗室，北京 100124；2中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580）

二氧化碳捕集系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注，但基本上集中在系統(tǒng)本身，鮮見有關(guān)煙氣余熱回收利用方面的研究報道，缺少具體的應(yīng)用方案。然而，要進(jìn)一步提高二氧化碳捕集系統(tǒng)的效率，就必須對煙氣余熱進(jìn)行有效利用。為此，本文以某發(fā)電廠與660MW熱電聯(lián)產(chǎn)裝置相配套的煙氣處理系統(tǒng)為研究對象，首先采用問題表法確定了換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點溫度，然后通過冷、熱物流間的“新”匹配對原換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，得出3種改造方案：煙氣余熱回收一級換熱網(wǎng)絡(luò)是高溫?zé)煔馀c胺補液之間進(jìn)行匹配；煙氣余熱直接回收二級換熱網(wǎng)絡(luò)是高溫?zé)煔庖来闻c富液、胺補液之間進(jìn)行匹配；而煙氣余熱間接回收二級換熱網(wǎng)絡(luò)包括高溫?zé)煔馀c富液之間的間接換熱。通過對以上3種改造方案投資費用的比較，發(fā)現(xiàn)煙氣余熱回收一級換熱網(wǎng)絡(luò)的投資成本最低，是最優(yōu)改造方案。

煙道氣；二氧化碳捕集；夾點技術(shù)；優(yōu)化；回收；投資成本

在遭受“能源危機”、推崇“節(jié)能減排”的當(dāng)今時代，對高耗能的過程工業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)的綜合優(yōu)化是非常關(guān)鍵而必要的。在眾多的過程優(yōu)化方法[1-3]中，夾點技術(shù)的應(yīng)用尤為矚目。夾點分析技術(shù)[4]是在20世紀(jì)70年代由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）和英國利茲（Leeds）大學(xué)開發(fā)的，最初被英國ICI公司用于原油精餾系統(tǒng)的擴產(chǎn)改造[5]。

從夾點技術(shù)得到普遍認(rèn)可和關(guān)注至今，很多行業(yè)紛紛采用該技術(shù)對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，當(dāng)然也包括電廠煙氣處理這一領(lǐng)域[6-15]。例如，Harkin等[7-8]結(jié)合夾點技術(shù)和線性編程優(yōu)化方法得出通過有效的熱集成可降低50%能耗的結(jié)論。Abbas等[10]將二氧化碳捕集單元與電廠耦合，利用夾點分析討論了系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)，總結(jié)出能量優(yōu)化可以使能量損耗率降低12.3%。Tan等[11-13]提出一種將夾點理論應(yīng)用于CCS產(chǎn)能部分初步改造計劃的方法。王成運等[14-15]對小產(chǎn)量CO2捕集系統(tǒng)進(jìn)行夾點分析，僅考慮了CO2捕集局部單元。電廠煙氣的處理包括脫硝、脫硫和脫碳3個環(huán)節(jié)，CO2的捕集只是其子系統(tǒng)，王照亮等也沒有考慮煙氣熱量的回收利用，最終只給出一個新的換熱網(wǎng)絡(luò)，沒有對不同的綜合換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對比分析。本文采用某發(fā)電廠與660MW熱電聯(lián)產(chǎn)裝置相配套的煙氣處理系統(tǒng)和相應(yīng)數(shù)據(jù)來進(jìn)行研究分析，不僅著眼于捕集CO2環(huán)節(jié)，還考慮了煙氣脫硫單元，首先通過問題表法確定換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點溫度，然后利用夾點技術(shù)對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，回收高溫?zé)煔獾挠酂幔贸?種新的換熱網(wǎng)絡(luò)，并對這些新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)能率和投資成本的比較，得出最優(yōu)換熱網(wǎng)絡(luò)。

1 煙氣處理系統(tǒng)的過程描述及物流數(shù)據(jù)的提取

1.1 煙氣處理系統(tǒng)的過程描述

從鍋爐排出的高溫?zé)煔饨?jīng)過布袋除塵和電除塵之后依次進(jìn)入脫硝、脫硫和脫碳系統(tǒng)。鍋爐煙氣最常用的脫硝技術(shù)是選擇性催化還原法（SCR），由于濕法脫硫工藝的脫硫效率高達(dá)95%以上，因此這種脫硫技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[16]。如圖1所示，吸收SO2的過程為：煙氣依次通過煙氣擋板、增壓風(fēng)機之后進(jìn)入煙氣換熱器，其溫度被降低之后進(jìn)入吸收塔；在吸收塔內(nèi)煙氣經(jīng)過噴淋層和除霧器，脫除了煙氣中的SO2；最后煙氣通過煙氣換熱器升溫至其露點以上。捕集CO2的過程主要包括吸收和解吸兩個環(huán)節(jié)。在吸收塔內(nèi)，煙氣中的CO2與進(jìn)入吸收塔的醇胺溶液（吸收劑）發(fā)生反應(yīng)。富含CO2的醇胺溶液從吸收塔底部流出而被泵入熱交換器，同時參與反應(yīng)后的煙氣從吸收塔頂部排入大氣。富含CO2的醇胺溶液通過熱交換器獲得能量之后進(jìn)入解吸塔，100～140℃的溫度下，CO2被解吸出來并從解吸塔頂部流出而進(jìn)入下一個處理環(huán)節(jié)，同時貧液從解吸塔流出通過熱交換器降溫之后被泵入吸收塔以重新吸收CO2。大部分的加熱任務(wù)由電廠所抽取蒸汽來完成。

圖1 煙氣處理系統(tǒng)流程

1.2 煙氣處理系統(tǒng)物流數(shù)據(jù)的提取

采用某發(fā)電廠與660MW熱電聯(lián)產(chǎn)裝置相配套的煙氣處理系統(tǒng)和相應(yīng)數(shù)據(jù)來進(jìn)行研究，對該系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析所需的各物流的相關(guān)信息均為已知。依據(jù)物流平衡數(shù)據(jù)，將6股物流的參數(shù)都列于表1中。

表1 6股物流問題數(shù)據(jù)表

2 夾點位置的確定

2.1 劃分溫區(qū)

各物流的虛擬溫度見式（1）～式（4）。

（3）分為8個溫區(qū)。

2.2 6股物流問題的溫度間隔和熱負(fù)荷

圖2中用垂直的溫度刻度對6股物流進(jìn)行了示意性描述，被各溫區(qū)分成了不同的層次。例如，在第4溫區(qū)，物流1、物流2被冷卻，而物流6被加熱。這樣，在每個溫區(qū)中，可以依據(jù)焓平衡確定熱能的凈盈值或凈虧值。對于任何間隔i的焓平衡計算式為式（5）。

計算結(jié)果見表2。

2.3 確定夾點溫度

溫區(qū)（i）內(nèi)所獲得的一切熱能都可以給溫區(qū)（i+1）內(nèi)所有負(fù)荷供熱。因此，有可能建立起圖3所示的熱能“級聯(lián)”。如圖3(a)所示，假設(shè)沒有熱能從熱公用工程供給最熱的溫度間隔①，那么所缺少的0.31MW熱量傳到溫度間隔②；在溫度間隔②中，它合并溫度間隔本身不足的0.69MW熱量，于是就有1.00MW的熱量不足流入溫度間隔③；溫度間隔③具有17.45MW的多余熱量，所以就把16.45MW的多余熱量傳給溫度間隔④；然后依次在溫度間隔⑤、⑥、⑦和⑧中，熱量得到累加，最后，有107.44MW的熱量傳給冷公用工程。很明顯溫度間隔①、②、③之間傳遞的負(fù)能流按熱力學(xué)是不可行的。為了使它們剛好可行，就必須從熱公用工程加入1.00MW的熱量，如圖3(b)所示，確定夾點溫度是107℃。

圖2 各物流和溫度間隔

表2 6股物流問題的溫度間隔和熱負(fù)荷

3 煙氣處理系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

3.1 換熱網(wǎng)絡(luò)中物流間的新匹配

現(xiàn)對換熱網(wǎng)絡(luò)（圖4）進(jìn)行改造。以夾點位置為分界線，分別對夾點以上和夾點以下的冷、熱物流間進(jìn)行匹配。夾點以上，必須滿足的準(zhǔn)則是CPhot≤CPcold，因此沒有可匹配的物流；夾點以下（圖5），為避免物流6進(jìn)行跨越夾點的換熱，對物流1和物流6進(jìn)行匹配，即添加一個換熱單元，使物流1、物流6之間進(jìn)行換熱。將夾點以上、以下的設(shè)計集成，即可得到如圖6所示的煙氣余熱回收一級換熱網(wǎng)絡(luò)（即新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)1）。

在改造后的網(wǎng)絡(luò)中，對于物流1和物流6間的新匹配，被回收的熱量為式（6）。

物流6需要的熱公用工程量為式（7）。

總熱公用工程量為式（8）。

圖4 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)

圖5 夾點以下物流的新匹配

圖6 改造后的換熱網(wǎng)絡(luò)

再根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，強制使物流1、物流4之間進(jìn)行換熱，重用換熱器1。然后，物流1、物流6之間進(jìn)行匹配，這樣就形成煙氣余熱回收二級換熱網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示。在改造后的網(wǎng)絡(luò)中，對物流1和物流6間的新匹配，被回收的熱量為式（9）。

物流6需要的熱公用工程量為式（10）。

總熱公用工程量為式（11）。

對于現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)，物流1、物流4之間又存在兩種換熱方式：第一種是煙氣與富液直接換熱，形成煙氣余熱直接回收二級換熱網(wǎng)絡(luò)（即新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)2A）；第二種是物流1、物流6之間的熱量通過循環(huán)水間接傳遞，形成煙氣余熱間接回收二級換熱網(wǎng)絡(luò)（即新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)2B）。

圖7 煙氣余熱回收二級換熱網(wǎng)絡(luò)

3.2 新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)的評價

[4]，綜合比較各設(shè)計方案的投資費用。已知網(wǎng)絡(luò)設(shè)備費用的計算如式（12）。

式中，Cd為設(shè)備費用，元/a；n為換熱器個數(shù)；α為單位換熱器面積費用，元/（a·m2），對于板式換熱器，α取為1000，對于管殼式換熱器α取為1500；A為換熱面積，m2。

網(wǎng)絡(luò)操作費用的計算如式（13）。

式中，Co為操作費用，元/a；a為熱公用工程的單位費用，元/（a·kW），取值為914；Qhu，min為熱公用工程負(fù)荷，kW；b為冷公用工程的單位費用，元/（a·kW），取值為123；Qcu，min為冷公用工程負(fù)荷，kW。

以上3種新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果比較如表3所示。由表3可見：新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)1是最優(yōu)設(shè)計。雖然新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)1的面積較新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)2A大，但費用降低。由于熱公用工程量減小，相應(yīng)地，操作費用降低，從而降低了總費用。

4 結(jié) 論

（1）本文考慮了煙氣熱量的回收利用，對與660MW熱電聯(lián)產(chǎn)裝置相配套的煙氣處理系統(tǒng)進(jìn)行了夾點分析，夾點分析結(jié)果表明系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點溫度為107℃。

（2）根據(jù)夾點分析結(jié)果，對原換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，得出3種改造方案：煙氣余熱回收一級換熱網(wǎng)絡(luò)（即新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)1）是高溫?zé)煔馀c胺補液之間進(jìn)行匹配，煙氣余熱回收二級換熱網(wǎng)絡(luò)還包括高溫?zé)煔馀c富液之間進(jìn)行匹配，這又可分為將高溫?zé)煔馀c富液進(jìn)行直接換熱的煙氣余熱直接回收二級換熱網(wǎng)絡(luò)（即新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)2A）和將高溫?zé)煔獾臒崃客ㄟ^水傳遞給富液的煙氣余熱間接回收二級換熱網(wǎng)絡(luò)（即新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)2B）。

表3 3個新?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果比較

（3）對3種改造方案的投資費用進(jìn)行比較，煙氣余熱回收一級換熱網(wǎng)絡(luò)的投資成本最低，只需要新增一個殼程，對系統(tǒng)的改造也最為簡單，因此煙氣余熱回收一級換熱網(wǎng)絡(luò)是最優(yōu)改造方案。

參 考 文 獻(xiàn)

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Optimization and evaluation of flue gas processing systems based on pinch technology

LIU Zhongliang1，WANG Yuanya1，ZHANG Kefang1，2，LI Yanxia1

（1Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation，Ministry of Education，College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，Shandong，China）

Energy saving technologies for CO2capture systems are receiving extensive attentions from both academic researchers and industries. However，most of these researches focused on the CO2capture systems，instead of the waste heat utilization of the flue gas and practical recovery schemes. However，in order to improve the energy efficiency of the CO2capture systems，it was very important to recover the thermal energy from the flue gas. This paper took the flue gas processing system coupled with a 660MW coal-fired power plant as an example，the temperature of pinch point was determined by use of “problem table” method. The initial heat exchanger network （HEN）was optimized by matching hot flows and cold flows. And three new retrofit schemes were obtained：The one-stage HEN for energy recovery of the flue gas was to use the flue gas to heat the makeup mono ethanol amine (MEA) solvent；the two-stage HEN could be further divided into two networks - the first one recovered the heat of the flue gas directly by letting the flue gas heat the rich solvent and the makeup MEA solvent sequentially，the second one recovered the heat of flue gas indirectly，letting the flue gas heat waterfirst and then the heated water was sent to heat both the rich and the makeup MEA solvent. The three new HENs were compared in terms of investment cost，and it was found that the most cost effective method was one-stage HEN.

flue gas；CO2capture；pinch technology；optimization；recovery；investment cost

TQ 025

A

1000-6613（2014）10-2801-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.047

2014-03-12；修改稿日期：2014-04-14。

國家科技支撐計劃項目（2012BAC24B01）。

及聯(lián)系人：劉中良（1958—），男，博士，教授，研究方向為環(huán)境能源技術(shù)的研究與開發(fā)、強化傳熱理論與技術(shù)、先進(jìn)節(jié)能與可再生能源利用技術(shù)及流動與傳熱的數(shù)值模擬技術(shù)與優(yōu)化等。E-mail liuzhl@bjut.edu.cn。