裝配式脫硫換熱一體化裝置方案研究

文_徐鎮(zhèn) 趙麒 石久勝 馬爽 金洪文 長春工程學院能源動力工程學院

目前我國90%以上的脫硫技術(shù)為濕法脫硫技術(shù)，而濕法脫硫塔在建造和運行上存在以下問題：①脫硫塔建設(shè)或改建周期較長，投資成本較高。②在鍋爐長期運行時期由于鍋爐排煙溫度高造成的脫硫水耗和能耗較高的問題。③脫硫塔長期運行下排出的凈化煙氣的溫度過高造成能量浪費的問題。④脫硫塔內(nèi)溫度過高或過低都不利于脫硫反應(yīng)的發(fā)生。⑤脫硫塔內(nèi)循環(huán)水中的低溫熱能難以高效利用的問題。

國內(nèi)大量研究機構(gòu)的專家學者對以上問題進行了深入研究，在以往對脫硫余熱利用技術(shù)方面，往往是通過空氣預(yù)熱裝置和省煤器以及輪轉(zhuǎn)式換熱器（GGH）、余熱鍋爐等方式對煙氣余熱進行有效利用。由于過熱的煙氣當中還蘊含著大量的低品位余熱，雖然已經(jīng)有一些余熱回收利用手段，但低品位余熱回收的利用率較低。

方豪對低品位的工業(yè)余熱回收用于城鎮(zhèn)供熱進行了較為全面的理論分析，闡明了低溫余熱供熱工程的解決方法，并且成果可用于指導(dǎo)低溫余熱利用工程的設(shè)計、優(yōu)化和運行，說明利用大量的低溫工業(yè)余熱供暖是可行的。隨后，魏茂林等人通過對電廠尾部的脫硫塔改造，以在脫硫煙氣尾部增加噴淋塔的直接接觸換熱方式回收煙氣余熱，將脫硫后的煙氣溫度從50℃以上降低到39℃，SO2排放量降低50%。田瑤對電站鍋爐的余熱利用進行了研究，研究表明不設(shè)置回轉(zhuǎn)式換熱器（GGH）的脫硫系統(tǒng)能極大地降低水耗，且由于要回收大量的低品位熱能需要較大的換熱面積來實現(xiàn)余熱回收利用。吳淑梅采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)模擬了在煙氣進入脫硫塔前加裝煙冷器低溫脫硫余熱回收后的脫硫效率，發(fā)現(xiàn)低溫余熱回收后有利于脫硫反應(yīng)，脫硫效率提高了0.63%且脫硫水耗也隨之降低了。

大多余熱利用方式為脫硫前余熱利用及對脫硫后煙氣或脫硫廢水的余熱利用，對于發(fā)生脫硫反應(yīng)的脫硫環(huán)境并沒有得到有效的改善，同時脫硫反應(yīng)為放熱反應(yīng)，噴淋的脫硫水會和較高溫的煙氣換熱，水吸熱后汽化放熱，因此脫硫后的煙氣往往含濕量較高，容易造成濕煙囪，白色煙羽等現(xiàn)象。因此，脫硫時的余熱回收亟待研究。

針對以上研究的問題和結(jié)論，本文提出一種新型裝配式脫硫換熱一體化裝置，用于改善脫硫塔建設(shè)周期較長的問題，同時解決大面積的換熱面的問題將脫硫中余熱回收，達到合理的脫硫反應(yīng)溫度提高脫硫效率降低脫硫水耗，然后將回收的脫硫余熱經(jīng)熱泵升溫后用于城鎮(zhèn)供熱，達到節(jié)能減排雙重效益

我國的濕法脫硫方式常常是采用石灰石-石膏法的方式脫硫塔建設(shè)高度一般達20m以上，其建設(shè)周期較長。本文將探討以膜式水冷管屏為脫硫塔內(nèi)部換熱及支撐的結(jié)構(gòu)回收脫硫塔煙氣余熱代替原有的以鋼板焊接的鋼板噴淋塔，在不改變濕法脫硫塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)和脫硫參數(shù)的情況采用預(yù)制膜式水冷壁的方式以工廠模塊化配件預(yù)制，運至現(xiàn)場組裝，縮短建設(shè)工期。

除此之外，可以對煙氣余熱回收利用熱泵進行城鎮(zhèn)化供熱的方式進行改良，大連理工大學的端木琳教授和江蘇雙良集團公司在熱泵余熱回收系統(tǒng)的發(fā)明專利，都只是對脫硫后的余熱廢水進行利用。而采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu)的脫硫塔可以直接將管壁內(nèi)的冷水通過內(nèi)管導(dǎo)熱回收較高的脫硫反應(yīng)的溫度，提高脫硫效率，同時冷卻水回收熱量后用作熱泵的低溫熱源。

1 方案設(shè)計

1.1 主要裝配件

膜式水冷管壁常常用作鍋爐受熱面，由鰭片和鋼管焊成的氣密性較好的管壁結(jié)構(gòu)，還可以減輕脫硫塔的支撐荷載力。膜式水冷壁適合大型機械化生產(chǎn)，可以通過工廠預(yù)制膜式水冷壁裝配件，根據(jù)工程規(guī)模的需要運送至現(xiàn)場進行組裝。目前膜式水冷管壁主要有以下幾種：①軋制好的鰭片管排成一排焊制成一整塊，送至現(xiàn)場，焊接工作量較小。②形式與①相近但間距不同，根據(jù)不同工程的要求采用不同的間距鰭片和光管排好焊制成塊。③只采用光管，通過燒熔焊的方式連接成塊，此類水冷壁間距較小。④在光管水冷壁上增加涂有耐火水泥的銷釘形成的成塊的膜式水冷壁。

膜式水冷壁作為脫硫塔的主要裝配件具有氣密性好，成塊工廠化制作，安裝簡單方便，傳熱面積大的特點。膜式水冷壁廣泛應(yīng)用于大型高溫高壓鍋爐中，技術(shù)較為成熟。

脫硫塔在建造和運行當中需要開設(shè)人孔進入，需要在底部，噴淋層各層和除霧區(qū)各層開設(shè)人孔，而采用膜式水冷壁在工廠成塊的預(yù)制配件時，應(yīng)當將人孔旁的水冷管彎曲，以保證預(yù)留足夠大小的人孔位置，圖1為預(yù)制膜式水冷壁成塊時開孔水冷管避讓形式。

圖1 成塊的膜式水冷壁避讓人孔形式

1.2 余熱回收原理

膜式水冷壁作為脫硫塔余熱回收的原理為通過噴淋水和煙氣換熱后，較高溫的脫硫水和高濕煙氣凝結(jié)的凝結(jié)水附著在水冷管壁形成水膜，管壁內(nèi)走低溫工藝冷水，通過管壁的水-水換熱吸收脫硫余熱，其主要換熱方式為間壁式導(dǎo)熱，以及煙氣的輻射換熱量，除此之外，還有噴淋脫硫水和煙氣反應(yīng)時放出的化學反應(yīng)熱。

式中Q—膜式水冷壁得熱量，kWQ1—通過水冷管壁對流和導(dǎo)熱得熱量，kW；Q2—脫硫塔內(nèi)煙氣輻射得熱量，kW；Q3—脫硫化學反應(yīng)放熱量，kW。

膜式水冷管壁主要是通過管壁間的導(dǎo)熱進行間壁式余熱回收，由于脫硫煙氣的溫度一般為120～160℃的煙氣，其輻射換熱量較小，同時因脫硫化學反應(yīng)熱主要是對塔內(nèi)脫硫液滴的影響較大而對管壁溫度的影響較小，因此忽略Q2，Q3方便計算，可以近似將膜式水冷壁的熱量為管壁熱傳導(dǎo)得到的熱量。則通過導(dǎo)熱輸入管壁內(nèi)的熱量為：

式中Q1—通過水冷管壁導(dǎo)熱得熱量，kW；K—膜式水冷壁管傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；A—膜式水冷壁的換熱面積，m2；△tm—對數(shù)平均溫差，K。冷卻水的水流量由換熱量反算得到：

式中M—水冷壁冷卻水的質(zhì)量流量，kg/s；Cρ—冷卻水的比熱容，J/（kg·K）；Ti和To—冷卻水的進出口溫度，K。

1.3 SO2氣液傳質(zhì)

根據(jù)雙膜理論，二氧化硫的吸收速率為：

式中 NSO2—二氧化硫的吸收速率，mol/s；KG—以氣液分壓差表示吸收推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，mol/（m2·s·Pa）；AT—氣液傳質(zhì)的總面積，m2；PG—氣象主體中的二氧化硫分壓，Pa；PH—與液相主體中的二氧化硫濃度相平衡的分壓，Pa。

脫硫反應(yīng)的氣液傳質(zhì)是十分復(fù)雜的，二氧化硫在水中的溶解度隨著溫度增大而減小，降低脫硫反應(yīng)溫度可以增大氣液傳質(zhì)的推動力，增大其傳質(zhì)系數(shù)，但降低溫度會使得分子的熱運動減小影響分子擴散速率從而增大脫硫反應(yīng)吸收阻力，因此，控制合適的脫硫反應(yīng)溫度可以降低吸收塔液相主體的二氧化硫平衡分壓，使得氣液傳質(zhì)在較適合的溫度下發(fā)生，以提高脫硫效率。

2 方案對比

與傳統(tǒng)的常規(guī)濕法脫硫塔相比，采用膜式水冷壁的脫硫換熱裝置具有較強的裝配性，以工廠化預(yù)制配件，現(xiàn)場組裝的方式，縮短建設(shè)工期，降低施工人工成本，具有明顯的優(yōu)勢。同時，膜式水冷壁的冷卻水對脫硫塔內(nèi)的高溫脫硫環(huán)境具有降溫的作用，可以改善脫硫反應(yīng)溫度過高的現(xiàn)象。將回收的低溫熱能作為熱泵的低溫熱源，通過熱泵提升二次網(wǎng)供熱回水的溫度用于城鎮(zhèn)供熱。

2.1 余熱利用方案分析

將常規(guī)脫硫塔利用熱泵余熱回收系統(tǒng)，與采用膜式水冷壁的裝配式脫硫換熱裝置結(jié)合熱泵的余熱回收系統(tǒng)對比，后者在余熱利用效率和降低二氧化硫排放上都有明顯的優(yōu)勢，若是同時建造，后者更是大大縮短了施工周期和系統(tǒng)投入成本。同時，由于減低了板式換熱器所影響的低溫熱源溫度，后者對于提高熱泵的COP有更大影響。

2.2 經(jīng)濟性分析

濕法脫硫塔和它的余熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟性分析選用費用年值、凈現(xiàn)值作為系統(tǒng)投資盈利的評價指標。

費用年值包括脫硫塔及熱泵的初投資和運行管理費用，計算公式如下：

式中Z—費用年值，元/a；i—年利率，10%；n—設(shè)備使用壽 命，年；Ct— 初 投資，元；Cr— 年運行 費用，元 /a。

凈現(xiàn)值是通過計算方案壽命期內(nèi)每年的現(xiàn)金流量，按照一定的折現(xiàn)率折算到投資期初，將各年現(xiàn)值進行累加得到凈現(xiàn)值，其計算公式如下：

式中NPV—凈現(xiàn)值，當凈現(xiàn)值≥0時則方案可行；CI—流入凈現(xiàn)金；CO—流出凈現(xiàn)金；i—基準收益率；k—設(shè)備的壽命期。

動態(tài)回收期反應(yīng)了方案回收投資成本的速度，在設(shè)備壽命期內(nèi)，回收期越短則方案盈利越多，若回收期超過設(shè)備壽命期則方案不可行，其計算公式如下：

式中m—累計凈現(xiàn)金流量首次成為正值或等于零的年數(shù)；Fx—第x年的凈現(xiàn)金流量；i—基準收益率。

以40t/h鍋爐的脫硫塔余熱回收系統(tǒng)為例，根據(jù)其初投資、運行投資、余熱回收效益作對比。結(jié)果如表1所示。

表1 40t/h脫硫塔投資與效益方案對比

3 結(jié)語

采用工廠化預(yù)制膜式水冷壁結(jié)構(gòu)替換鋼板結(jié)構(gòu)的脫硫塔，可以有效地縮短施工周期，且組裝方便，便于吊裝，節(jié)省施工成本，降低脫硫煙氣處理設(shè)備的投資費用，同時能夠利用煙氣余熱供熱回收建設(shè)成本，具有較好的經(jīng)濟性。

水冷壁結(jié)構(gòu)具有良好的密閉性，可以有效防止煙氣中的腐蝕性物質(zhì)和飛灰，通過導(dǎo)熱的方式加熱管壁內(nèi)冷水，同時能夠改善脫硫塔內(nèi)部過熱的工藝環(huán)境，降低塔內(nèi)溫度，使塔內(nèi)濕煙氣凝結(jié)，提高脫硫反應(yīng)效率，同時回收凝結(jié)水降低脫硫塔耗水量，達到節(jié)能提效的目的。

水冷壁換熱后的冷卻水直接供給熱泵，用于城鎮(zhèn)供熱加熱二次網(wǎng)回水，提高鍋爐熱效率。可以減少安裝板式換熱器的費用，同時提高低溫熱源的溫度，提高熱泵的COP，較好地利用尾部煙氣余熱。

與其他脫硫塔建設(shè)方案對比，采用裝配式脫硫換熱裝置的余熱回收系統(tǒng)，能帶來更顯著的經(jīng)濟效益，更快地回收熱泵投資、建造費用。