基于Aspen plus 热泵型烟气除湿脱白系统的模拟分析

王 猛 王晓静

（天津大学化工学院）

随着各地燃煤锅炉超低排放改造已经基本完成，向大气中排放的污染物有所下降，但是空气质量依然没有达到预期的效果， 雾霾依然存在， 部分学者认为雾霾是在湿法脱硫大范围使用后才产生的。目前，我国有90%的燃煤电厂和钢铁行业采用湿法脱硫技术［1］，湿法脱硫后，排出45～55℃的低温饱和湿烟气，由于环境温度、相对湿度等原因，排放后往往会产生湿烟羽，在视觉上产生白烟， 湿烟羽中含有硫酸盐等颗粒物和一定量的污染物。 此外， 由于烟气温度较低，抬升高度低且扩散效果差，从而导致PM2.5的产生［2，3］。

对湿烟气进行除湿脱白，不仅能解决雾霾问题， 还能实现环保达标和真正近零排放的目的，尤其是回收烟气中的余热和水分，年节水量甚至可达几十亿吨，是平衡环境与发展之间矛盾的重要途径［4］。 因此，各地出台政策或标准，对燃煤电厂、钢铁等行业的湿烟羽进行治理。

1 现有烟气脱白技术介绍

1.1 烟气加热技术

烟气加热技术按照加热方式不同分为直接加热方式和间接加热方式。 直接加热方式包括热二次风混合加热、热空气混热加热或燃气直接加热；间接加热方式包括回转式GGH、管式GGH、MGGH、热管换热器及蒸汽换热加热等［5］。

1.2 烟气降温技术

烟气降温技术按照降温方式不同分为直接降温方式和间接降温方式。 直接降温方式可通过喷淋降温； 间接降温方式是通过冷凝换热器降温，冷却塔可采用水冷和空冷方式［6］。

1.3 烟气降温再热技术

将烟气降温技术和烟气加热技术相结合，在降温冷凝过程中可以回收冷凝水和热量，冷凝水作为脱硫塔回水，热量可加热锅炉给水，充分利用水资源和热量，与直接加热技术相比，整体运行能耗增加较少，是一种节能有效的湿烟气除湿脱白技术。

1.4 其他

除了以上通过烟气温度消除湿烟羽的方法，还可通过除雾器、烟囱收水环等方式减少排放烟气中的水分，但脱白效果不是很理想。 魏璠等利用氯化钙溶液和冷却水对燃气的烟气进行喷淋除湿，研究表明除湿率比用冷却水高5 倍，除湿效果较好，但需配备再生系统［7］。陈海平等利用膜法回收烟气中水分，但水回收潜力较低，对膜的开发要求较高［8］。

2 热泵型烟气除湿脱白系统的Aspen plus 流程模拟

2.1 模拟条件假设

为简化模拟计算模型，做出如下假设：忽略各部件和管道的压力、热量的损失；发生器与冷凝器的工作压力相同，吸收器与蒸发器的工作压力相同；从吸收器流出的稀溶液和从发生器流出的浓溶液均为饱和溶液；吸收器釆用传热传质分离的模型， 即溶液的吸收过程和冷却过程分开，单独计算。

2.2 模拟参数的确定

一般燃煤锅炉产生烟气经省煤器、除尘设备和脱硝设备后，烟气温度为90～180℃，质量含水量在10%左右，再经过湿法脱硫，烟气温度为45～60℃， 处于湿度饱和状态， 质量含水量在10%～15%之间。

模拟采用烟气的温度为150℃， 流量为50kmol/h，压力为101.3MPa，质量组成为90%空气，10%水分，冷却水温度为25℃，换热器温差为10℃。

2.3 机械式热泵除湿脱白系统的模拟

由于烟气温度在90～180℃之间，利用压焓图可确定使用R134a 制冷剂，R134a 属于有机工质，采用Aspen plus 中的PSRK 物性方法，并且对ZH92K4E-TWD 型热泵进行模拟， 得到的模拟结果与实验数据对比， 各设备的热负荷误差在5%以内，模拟数据与实验数据基本吻合，故可采用PSRK 模拟计算。

初始运行工况下操作条件为： 蒸发压力350kPa，蒸发温度5℃，冷凝压力890kPa，R134a流量2 244kg/h，热交换器温差10℃，烟气冷凝温度25℃，烟气再热温度80℃。

分别对烟气冷凝温度15、20、25、30、35℃、排烟温度80℃的情况进行模拟， 经过赋值迭代计算，并进行系统性能分析，得到系统功耗、换热面积与蒸发温度的关系（图1）。

图1 不同烟气冷凝温度时系统功耗、换热面积与蒸发温度的关系

通过对不同蒸发温度、不同烟气冷凝温度下的系统功耗和换热面积进行对比，得到烟气冷凝温度在15、20、25、30、35℃下的最优操作条件，即系统功耗较低且换热面积小的情况（图1 中两条曲线的交点）， 再将以上得到最优操作条件下的系统功耗和烟气质量含水量进行对比（图2），得到合适的烟气冷凝温度。

图2 不同烟气冷凝温度下系统功耗和质量含水量情况

分析图2 可知， 随着烟气冷凝温度的下降，机械式热泵烟气除湿脱白系统的系统功耗增加，烟气的质量含水量下降，并且烟气的质量含水量在冷凝温度20～30℃的范围内变化率较大， 根据系统功耗和质量含水量的变化趋势，确定烟气的冷凝温度为25℃， 此时系统的蒸发压力为420kPa，冷凝压力为890kPa，蒸发温度为10℃，烟气余热回收量19.43kW， 烟气冷凝需冷量107.40kW（即制冷量），cop 为7.20，排放烟气质量含水量为1.68%，除水率达到84.37%。 另外，25℃与空气温度较为接近，烟气脱白效果好。

2.4 NH3-H2O 吸收式热泵烟气除湿脱白系统

NH2-H2O 吸收式热泵烟气除湿脱白系统采用的工作介质为氨水溶液，其中制冷剂为NH3，吸收剂为H2O，采用PR-BM 物性方法进行模拟计算方法，通过与文献［9］中的数据对比可知，各设备热负荷的误差均在5%以内， 模拟数据与文献数据基本吻合，故可采用PR-BM 进行模拟。

NH3-H2O 吸收式热泵烟气除湿脱白系统，可对进入脱硫塔的烟气进行余热利用， 将烟气温度降至75℃，再将脱硫后的烟气冷凝至25℃，由于地方政策标准要求，还需将烟气加热至50℃排放。

初始运行工况下操作条件为： 蒸发压力357kPa，蒸发温度-5℃，冷凝压力1 350kPa，冷凝温度35℃，热交换器温差10℃，氨水浓溶液质量分数0.424，流量818.75kg/h，发生温度137℃，制冷剂氨质量分数0.998。2.4.1 模拟热力学数据

通过精馏塔的简捷计算和灵敏度分析，确定精馏塔的理论板数为7，进料位置为第4 块板。通过计算将烟气冷凝至25℃，再加热至50℃，得到系统参数情况如下：

烟气余热回收量 31.24kW

发生器热负荷 107.52kW

冷凝器热负荷 89.50kW

吸收器热负荷 114.25kW

制冷量 73.00kW

烟气再热器热负荷 8.88kW

cop 0.68

排放烟气质量含水量 1.98%

除水率 81.35%

2.4.2 发生温度对系统性能影响

以蒸发温度为-5℃的NH3-H2O 吸收式热泵烟气脱白系统为例， 分析不同发生温度下系统cop 和各设备的热负荷（图3）。

图3 不同发生温度下系统cop 和各设备的热负荷

由图3 可知，随着发生温度的升高，发生器、冷凝器、 吸收器和蒸发器的热负荷均逐渐增加，系统的cop 先增加，再逐渐减少。发生温度在95～118℃之间时，cop 变化率较大， 说明该温度段对cop 的影响较大； 在118～137℃之间时，cop 保持在0.687 左右；在137℃以上时，cop 逐渐减小，但变化率不大，说明该温度段对cop 影响不大。

如图4 所示，随着发生温度的升高，放气范围逐渐变大，循环倍率逐渐减小，是因为随着发生温度的升高， 稀溶液的质量分数逐渐降低；但循环倍率过高会导致系统中氨水溶液的循环量过高，增加系统的经济负担。 故发生温度在118～137℃之间时，结合图5 可以看出循环倍率和放气范围均处于合理范围。

图4 不同发生温度下放气范围和循环倍率

图5 烟气冷凝温度与系统cop 关系

如图5 所示， 随着烟气冷凝温度的升高，系统cop 和发生器热负荷均逐渐减小，当烟气冷凝温度为14.6℃时，cop 数值较高，可达0.678，发生器热负荷达到127.90kW， 根据烟气冷凝温度与cop 的关系， 可以看出NH3-H2O 吸收式热泵烟气除湿脱白系统适于将烟气冷凝至35℃以下。

2.5 H2O-LiBr 吸收式热泵烟气除湿脱白系统

H2O-LiBr 吸收式热泵烟气除湿脱白系统采用的工作介质为溴化锂水溶液， 其中制冷剂为H2O，吸收剂为溴化锂溶液，采用ELECNRTL 物性方法进行模拟计算，与文献［10］中数据进行对比可知，各设备热负荷的误差均在5%以内，模拟数据与文献数据基本吻合，故可采用ELECNRTL进行模拟。

H2O-LiBr 吸收式热泵烟气除湿脱白系统与NH3-H2O 吸收式热泵烟气除湿脱白系统对烟气的处理工艺流程相同，但操作条件不同。

初始运行工况下操作条件为： 蒸发压力0.873kPa，蒸发温度5℃，冷凝压力7.4kPa，冷凝温度40℃，热交换器温差10℃，进入发生器溴化锂溶液质量分数58%，流量1 850kg/h，吸收器排出的溴化锂溶液质量分数62.7%， 发生温度90℃，制冷剂水的流量138kg/h。

2.5.1 模拟热力学数据

通过模拟计算将烟气冷凝至25℃，再加热至50℃，得到系统参数情况如下：

烟气余热回收量 26.92kW

发生器热负荷 88.13kW

冷凝器热负荷 87.13kW

吸收器热负荷 109.02kW

制冷量 90.07kW

烟气再热器热负荷 8.96kW

cop 1.02

排放烟气质量含水量 1.95%

除水率 82.43%

2.5.2 发生温度对系统性能影响

保持其他操作参数不变，计算了不同发生温度对各设备热负荷的影响，结果如图6 所示。

图6 各设备热负荷与发生温度的关系

随着发生温度的升高，系统中发生器、冷凝器、吸收器和蒸发器的热负荷均逐渐增加，其原因在于，随着发生温度的升高，发生器终了溶液的浓度增加，系统的放气范围逐渐增大，发生器产生的冷剂的流量变大， 使得各设备的热负荷均有所增加，发生温度每提高1℃，蒸发器热负荷平均增加7.24kW， 发生器热负荷平均增加9.39kW。

由图7 可以看出， 随着发生温度的升高，cop逐渐下降，这是因为发生温度升高，烟气余热回收量逐渐减少；cop 随着发生温度的升高降低速度越来越慢，当发生温度在90℃以上时，cop 基本稳定在1.00，当发生温度为92℃时，烟气冷凝温度达到13.85℃，除水率达到91.26%。

图7 除水率、烟气冷凝温度、烟气余热回收、cop 与发生温度关系

由图8 可知，结合冷凝温度与cop 关系，可以看出随着烟气冷凝温度的升高， 系统的cop 逐渐升高， 当烟气冷凝温度在35～42℃之间时，cop 的变化较大， 当烟气冷凝温度在42℃时， 系统cop达到1.29， 此时烟气余热回收量最高， 故H2OLiBr 吸收式热泵烟气除湿脱白系统适于将烟气冷凝至30℃以上。

3 3 种系统的对比

当烟气冷凝温度为25℃时，对3 种热泵型烟气除湿脱白系统的最优操作条件进行比较，主要数据见表1。

图8 烟气冷凝温度与cop 关系

表1 3 种热泵型烟气除湿脱白系统对比

分析表1 可知：

a. 机械式热泵烟气除湿脱白系统对烟气余热利用方式主要是通过再热烟气， 利用量较少，并且驱动方式为电能，虽然系统cop 高，但烟气余热回收效果不好，除水效果好。

b. NH3-H2O 吸收式热泵烟气除湿脱白系统的压力和发生温度较高，能够制备零度以下的冷剂，可以将烟气冷凝至更低温度，烟气余热回收效果好，但是系统的cop 较低。

c. H2O-LiBr 吸收式热泵烟气除湿脱白系统的发生温度和压力较低， 制取冷剂的温度在4～10℃之间，不能制取零度以下的冷剂，烟气余热回收效果较好，而且系统的cop 较高。

d. 吸收式热泵烟气除湿脱白系统可以降低烟气进入脱硫塔温度，从而回收利用余热，并减少脱硫塔水损失。

4 结束语

笔者旨在寻找一种合适的热泵型烟气除湿脱白系统， 通过Aspen plus 进行数据模拟分析，选取合适的热泵驱动方式和工作介质，通过进行性能分析，从而最大程度地利用余热，对烟气进行除湿脱白、热量回收和水分回收，以达到环保减排和资源回收的目的。 下一步，还需考虑占地问题、换热面积及水处理等诸多因素，以接近实际工程，此外，根据模拟数据建立实验项目，进一步加强验证。