基于Aspen plus 熱泵型煙氣除濕脫白系統的模擬分析

王 猛 王曉靜

（天津大學化工學院）

隨著各地燃煤鍋爐超低排放改造已經基本完成，向大氣中排放的污染物有所下降，但是空氣質量依然沒有達到預期的效果， 霧霾依然存在， 部分學者認為霧霾是在濕法脫硫大范圍使用后才產生的。目前，我國有90%的燃煤電廠和鋼鐵行業采用濕法脫硫技術［1］，濕法脫硫后，排出45～55℃的低溫飽和濕煙氣，由于環境溫度、相對濕度等原因，排放后往往會產生濕煙羽，在視覺上產生白煙， 濕煙羽中含有硫酸鹽等顆粒物和一定量的污染物。 此外， 由于煙氣溫度較低，抬升高度低且擴散效果差，從而導致PM2.5的產生［2，3］。

對濕煙氣進行除濕脫白，不僅能解決霧霾問題， 還能實現環保達標和真正近零排放的目的，尤其是回收煙氣中的余熱和水分，年節水量甚至可達幾十億噸，是平衡環境與發展之間矛盾的重要途徑［4］。 因此，各地出臺政策或標準，對燃煤電廠、鋼鐵等行業的濕煙羽進行治理。

1 現有煙氣脫白技術介紹

1.1 煙氣加熱技術

煙氣加熱技術按照加熱方式不同分為直接加熱方式和間接加熱方式。 直接加熱方式包括熱二次風混合加熱、熱空氣混熱加熱或燃氣直接加熱；間接加熱方式包括回轉式GGH、管式GGH、MGGH、熱管換熱器及蒸汽換熱加熱等［5］。

1.2 煙氣降溫技術

煙氣降溫技術按照降溫方式不同分為直接降溫方式和間接降溫方式。 直接降溫方式可通過噴淋降溫； 間接降溫方式是通過冷凝換熱器降溫，冷卻塔可采用水冷和空冷方式［6］。

1.3 煙氣降溫再熱技術

將煙氣降溫技術和煙氣加熱技術相結合，在降溫冷凝過程中可以回收冷凝水和熱量，冷凝水作為脫硫塔回水，熱量可加熱鍋爐給水，充分利用水資源和熱量，與直接加熱技術相比，整體運行能耗增加較少，是一種節能有效的濕煙氣除濕脫白技術。

1.4 其他

除了以上通過煙氣溫度消除濕煙羽的方法，還可通過除霧器、煙囪收水環等方式減少排放煙氣中的水分，但脫白效果不是很理想。 魏璠等利用氯化鈣溶液和冷卻水對燃氣的煙氣進行噴淋除濕，研究表明除濕率比用冷卻水高5 倍，除濕效果較好，但需配備再生系統［7］。陳海平等利用膜法回收煙氣中水分，但水回收潛力較低，對膜的開發要求較高［8］。

2 熱泵型煙氣除濕脫白系統的Aspen plus 流程模擬

2.1 模擬條件假設

為簡化模擬計算模型，做出如下假設：忽略各部件和管道的壓力、熱量的損失；發生器與冷凝器的工作壓力相同，吸收器與蒸發器的工作壓力相同；從吸收器流出的稀溶液和從發生器流出的濃溶液均為飽和溶液；吸收器釆用傳熱傳質分離的模型， 即溶液的吸收過程和冷卻過程分開，單獨計算。

2.2 模擬參數的確定

一般燃煤鍋爐產生煙氣經省煤器、除塵設備和脫硝設備后，煙氣溫度為90～180℃，質量含水量在10%左右，再經過濕法脫硫，煙氣溫度為45～60℃， 處于濕度飽和狀態， 質量含水量在10%～15%之間。

模擬采用煙氣的溫度為150℃， 流量為50kmol/h，壓力為101.3MPa，質量組成為90%空氣，10%水分，冷卻水溫度為25℃，換熱器溫差為10℃。

2.3 機械式熱泵除濕脫白系統的模擬

由于煙氣溫度在90～180℃之間，利用壓焓圖可確定使用R134a 制冷劑，R134a 屬于有機工質，采用Aspen plus 中的PSRK 物性方法，并且對ZH92K4E-TWD 型熱泵進行模擬， 得到的模擬結果與實驗數據對比， 各設備的熱負荷誤差在5%以內，模擬數據與實驗數據基本吻合，故可采用PSRK 模擬計算。

初始運行工況下操作條件為： 蒸發壓力350kPa，蒸發溫度5℃，冷凝壓力890kPa，R134a流量2 244kg/h，熱交換器溫差10℃，煙氣冷凝溫度25℃，煙氣再熱溫度80℃。

分別對煙氣冷凝溫度15、20、25、30、35℃、排煙溫度80℃的情況進行模擬， 經過賦值迭代計算，并進行系統性能分析，得到系統功耗、換熱面積與蒸發溫度的關系（圖1）。

圖1 不同煙氣冷凝溫度時系統功耗、換熱面積與蒸發溫度的關系

通過對不同蒸發溫度、不同煙氣冷凝溫度下的系統功耗和換熱面積進行對比，得到煙氣冷凝溫度在15、20、25、30、35℃下的最優操作條件，即系統功耗較低且換熱面積小的情況（圖1 中兩條曲線的交點）， 再將以上得到最優操作條件下的系統功耗和煙氣質量含水量進行對比（圖2），得到合適的煙氣冷凝溫度。

圖2 不同煙氣冷凝溫度下系統功耗和質量含水量情況

分析圖2 可知， 隨著煙氣冷凝溫度的下降，機械式熱泵煙氣除濕脫白系統的系統功耗增加，煙氣的質量含水量下降，并且煙氣的質量含水量在冷凝溫度20～30℃的范圍內變化率較大， 根據系統功耗和質量含水量的變化趨勢，確定煙氣的冷凝溫度為25℃， 此時系統的蒸發壓力為420kPa，冷凝壓力為890kPa，蒸發溫度為10℃，煙氣余熱回收量19.43kW， 煙氣冷凝需冷量107.40kW（即制冷量），cop 為7.20，排放煙氣質量含水量為1.68%，除水率達到84.37%。 另外，25℃與空氣溫度較為接近，煙氣脫白效果好。

2.4 NH3-H2O 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統

NH2-H2O 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統采用的工作介質為氨水溶液，其中制冷劑為NH3，吸收劑為H2O，采用PR-BM 物性方法進行模擬計算方法，通過與文獻［9］中的數據對比可知，各設備熱負荷的誤差均在5%以內， 模擬數據與文獻數據基本吻合，故可采用PR-BM 進行模擬。

NH3-H2O 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統，可對進入脫硫塔的煙氣進行余熱利用， 將煙氣溫度降至75℃，再將脫硫后的煙氣冷凝至25℃，由于地方政策標準要求，還需將煙氣加熱至50℃排放。

初始運行工況下操作條件為： 蒸發壓力357kPa，蒸發溫度-5℃，冷凝壓力1 350kPa，冷凝溫度35℃，熱交換器溫差10℃，氨水濃溶液質量分數0.424，流量818.75kg/h，發生溫度137℃，制冷劑氨質量分數0.998。2.4.1 模擬熱力學數據

通過精餾塔的簡捷計算和靈敏度分析，確定精餾塔的理論板數為7，進料位置為第4 塊板。通過計算將煙氣冷凝至25℃，再加熱至50℃，得到系統參數情況如下：

煙氣余熱回收量 31.24kW

發生器熱負荷 107.52kW

冷凝器熱負荷 89.50kW

吸收器熱負荷 114.25kW

制冷量 73.00kW

煙氣再熱器熱負荷 8.88kW

cop 0.68

排放煙氣質量含水量 1.98%

除水率 81.35%

2.4.2 發生溫度對系統性能影響

以蒸發溫度為-5℃的NH3-H2O 吸收式熱泵煙氣脫白系統為例， 分析不同發生溫度下系統cop 和各設備的熱負荷（圖3）。

圖3 不同發生溫度下系統cop 和各設備的熱負荷

由圖3 可知，隨著發生溫度的升高，發生器、冷凝器、 吸收器和蒸發器的熱負荷均逐漸增加，系統的cop 先增加，再逐漸減少。發生溫度在95～118℃之間時，cop 變化率較大， 說明該溫度段對cop 的影響較大； 在118～137℃之間時，cop 保持在0.687 左右；在137℃以上時，cop 逐漸減小，但變化率不大，說明該溫度段對cop 影響不大。

如圖4 所示，隨著發生溫度的升高，放氣范圍逐漸變大，循環倍率逐漸減小，是因為隨著發生溫度的升高， 稀溶液的質量分數逐漸降低；但循環倍率過高會導致系統中氨水溶液的循環量過高，增加系統的經濟負擔。 故發生溫度在118～137℃之間時，結合圖5 可以看出循環倍率和放氣范圍均處于合理范圍。

圖4 不同發生溫度下放氣范圍和循環倍率

圖5 煙氣冷凝溫度與系統cop 關系

如圖5 所示， 隨著煙氣冷凝溫度的升高，系統cop 和發生器熱負荷均逐漸減小，當煙氣冷凝溫度為14.6℃時，cop 數值較高，可達0.678，發生器熱負荷達到127.90kW， 根據煙氣冷凝溫度與cop 的關系， 可以看出NH3-H2O 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統適于將煙氣冷凝至35℃以下。

2.5 H2O-LiBr 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統

H2O-LiBr 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統采用的工作介質為溴化鋰水溶液， 其中制冷劑為H2O，吸收劑為溴化鋰溶液，采用ELECNRTL 物性方法進行模擬計算，與文獻［10］中數據進行對比可知，各設備熱負荷的誤差均在5%以內，模擬數據與文獻數據基本吻合，故可采用ELECNRTL進行模擬。

H2O-LiBr 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統與NH3-H2O 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統對煙氣的處理工藝流程相同，但操作條件不同。

初始運行工況下操作條件為： 蒸發壓力0.873kPa，蒸發溫度5℃，冷凝壓力7.4kPa，冷凝溫度40℃，熱交換器溫差10℃，進入發生器溴化鋰溶液質量分數58%，流量1 850kg/h，吸收器排出的溴化鋰溶液質量分數62.7%， 發生溫度90℃，制冷劑水的流量138kg/h。

2.5.1 模擬熱力學數據

通過模擬計算將煙氣冷凝至25℃，再加熱至50℃，得到系統參數情況如下：

煙氣余熱回收量 26.92kW

發生器熱負荷 88.13kW

冷凝器熱負荷 87.13kW

吸收器熱負荷 109.02kW

制冷量 90.07kW

煙氣再熱器熱負荷 8.96kW

cop 1.02

排放煙氣質量含水量 1.95%

除水率 82.43%

2.5.2 發生溫度對系統性能影響

保持其他操作參數不變，計算了不同發生溫度對各設備熱負荷的影響，結果如圖6 所示。

圖6 各設備熱負荷與發生溫度的關系

隨著發生溫度的升高，系統中發生器、冷凝器、吸收器和蒸發器的熱負荷均逐漸增加，其原因在于，隨著發生溫度的升高，發生器終了溶液的濃度增加，系統的放氣范圍逐漸增大，發生器產生的冷劑的流量變大， 使得各設備的熱負荷均有所增加，發生溫度每提高1℃，蒸發器熱負荷平均增加7.24kW， 發生器熱負荷平均增加9.39kW。

由圖7 可以看出， 隨著發生溫度的升高，cop逐漸下降，這是因為發生溫度升高，煙氣余熱回收量逐漸減少；cop 隨著發生溫度的升高降低速度越來越慢，當發生溫度在90℃以上時，cop 基本穩定在1.00，當發生溫度為92℃時，煙氣冷凝溫度達到13.85℃，除水率達到91.26%。

圖7 除水率、煙氣冷凝溫度、煙氣余熱回收、cop 與發生溫度關系

由圖8 可知，結合冷凝溫度與cop 關系，可以看出隨著煙氣冷凝溫度的升高， 系統的cop 逐漸升高， 當煙氣冷凝溫度在35～42℃之間時，cop 的變化較大， 當煙氣冷凝溫度在42℃時， 系統cop達到1.29， 此時煙氣余熱回收量最高， 故H2OLiBr 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統適于將煙氣冷凝至30℃以上。

3 3 種系統的對比

當煙氣冷凝溫度為25℃時，對3 種熱泵型煙氣除濕脫白系統的最優操作條件進行比較，主要數據見表1。

圖8 煙氣冷凝溫度與cop 關系

表1 3 種熱泵型煙氣除濕脫白系統對比

分析表1 可知：

a. 機械式熱泵煙氣除濕脫白系統對煙氣余熱利用方式主要是通過再熱煙氣， 利用量較少，并且驅動方式為電能，雖然系統cop 高，但煙氣余熱回收效果不好，除水效果好。

b. NH3-H2O 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統的壓力和發生溫度較高，能夠制備零度以下的冷劑，可以將煙氣冷凝至更低溫度，煙氣余熱回收效果好，但是系統的cop 較低。

c. H2O-LiBr 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統的發生溫度和壓力較低， 制取冷劑的溫度在4～10℃之間，不能制取零度以下的冷劑，煙氣余熱回收效果較好，而且系統的cop 較高。

d. 吸收式熱泵煙氣除濕脫白系統可以降低煙氣進入脫硫塔溫度，從而回收利用余熱，并減少脫硫塔水損失。

4 結束語

筆者旨在尋找一種合適的熱泵型煙氣除濕脫白系統， 通過Aspen plus 進行數據模擬分析，選取合適的熱泵驅動方式和工作介質，通過進行性能分析，從而最大程度地利用余熱，對煙氣進行除濕脫白、熱量回收和水分回收，以達到環保減排和資源回收的目的。 下一步，還需考慮占地問題、換熱面積及水處理等諸多因素，以接近實際工程，此外，根據模擬數據建立實驗項目，進一步加強驗證。