文_徐鎮(zhèn) 趙麒 石久勝 馬爽 金洪文 長春工程學(xué)院能源動(dòng)力工程學(xué)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(yùn)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(yùn)行時(shí)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(yùn)行下排出的凈化煙氣的溫度過高造成能量浪費(fèi)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?zé)崮茈y以高效利用的問題。

國內(nèi)大量研究機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者對(duì)以上問題進(jìn)行了深入研究，在以往對(duì)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(duì)煙氣余熱進(jìn)行有效利用。由于過熱的煙氣當(dāng)中還蘊(yùn)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(duì)低品位的工業(yè)余熱回收用于城鎮(zhèn)供熱進(jìn)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(jì)、優(yōu)化和運(yùn)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(duì)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(duì)電站鍋爐的余熱利用進(jìn)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(shí)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(jìn)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(duì)脫硫后煙氣或脫硫廢水的余熱利用，對(duì)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(shí)脫硫反應(yīng)為放熱反應(yīng)，噴淋的脫硫水會(huì)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(shí)的余熱回收亟待研究。

針對(duì)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(shí)解決大面積的換熱面的問題將脫硫中余熱回收，達(dá)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(dá)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(dá)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(yùn)至現(xiàn)場組裝，縮短建設(shè)工期。

除此之外，可以對(duì)煙氣余熱回收利用熱泵進(jìn)行城鎮(zhèn)化供熱的方式進(jìn)行改良，大連理工大學(xué)的端木琳教授和江蘇雙良集團(tuán)公司在熱泵余熱回收系統(tǒng)的發(fā)明專利，都只是對(duì)脫硫后的余熱廢水進(jìn)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(shí)冷卻水回收熱量后用作熱泵的低溫?zé)嵩础?/p>

1 方案設(shè)計(jì)

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(jī)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(yùn)送至現(xiàn)場進(jìn)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(diǎn)。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(yùn)行當(dāng)中需要開設(shè)人孔進(jìn)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(shí)，應(yīng)當(dāng)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(shí)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?yán)渌?，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(shí)放出的化學(xué)反應(yīng)熱。

式中Q—膜式水冷壁得熱量，kWQ1—通過水冷管壁對(duì)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(xué)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(jìn)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(shí)因脫硫化學(xué)反應(yīng)熱主要是對(duì)塔內(nèi)脫硫液滴的影響較大而對(duì)管壁溫度的影響較小，因此忽略Q2，Q3方便計(jì)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(duì)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(jìn)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(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，mol/（m2·s·Pa）；AT—?dú)庖簜髻|(zhì)的總面積，m2；PG—?dú)庀笾黧w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(dòng)力，增大其傳質(zhì)系數(shù)，但降低溫度會(huì)使得分子的熱運(yùn)動(dòng)減小影響分子擴(kuò)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(duì)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(qiáng)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(shì)。同時(shí)，膜式水冷壁的冷卻水對(duì)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?zé)崮茏鳛闊岜玫牡蜏責(zé)嵩?，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(duì)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(shì)，若是同時(shí)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(shí)，由于減低了板式換熱器所影響的低溫?zé)嵩礈囟?，后者?duì)于提高熱泵的COP有更大影響。

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

濕法脫硫塔和它的余熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析選用費(fèi)用年值、凈現(xiàn)值作為系統(tǒng)投資盈利的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

費(fèi)用年值包括脫硫塔及熱泵的初投資和運(yùn)行管理費(fèi)用，計(jì)算公式如下：

式中Z—費(fèi)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(yùn)行 費(fèi)用，元 /a。

凈現(xiàn)值是通過計(jì)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(jìn)行累加得到凈現(xiàn)值，其計(jì)算公式如下：

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

動(dòng)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(jì)算公式如下：

式中m—累計(jì)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(zhǔn)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(yùn)行投資、余熱回收效益作對(duì)比。結(jié)果如表1所示。

表1 40t/h脫硫塔投資與效益方案對(duì)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(fèi)用，同時(shí)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(jì)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(shí)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(shí)回收凝結(jié)水降低脫硫塔耗水量，達(dá)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?？梢詼p少安裝板式換熱器的費(fèi)用，同時(shí)提高低溫?zé)嵩吹臏囟?，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(duì)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(jì)效益，更快地回收熱泵投資、建造費(fèi)用。