基于夹点技术的烟气处理系统的优化与评价_刘中良

表1
物流类型
意性描述，被各温区分成了不同的层次。例如，在 第 4 温区，物流 1、物流 2 被冷却，而物流 6 被加 热。这样，在每个温区中，可以依据焓平衡确定热 能的净盈值或净亏值。对于任何间隔 i 的焓平衡计 算式为式（5） 。
ΔHi =（Ti – Ti+1） （∑CPH-∑CPC）i （5）
计算结果见表 2。 2.3 确定夹点温度 温区（ i ）内所获得的一切热能都可以给温区 （i+1）内所有负荷供热。因此，有可能建立起图 3 所示的热能“级联”。如图 3(a)所示，假设没有热能 从热公用工程供给最热的温度间隔①，那么所缺少 的 0.31MW 热量传到温度间隔②； 在温度间隔②中， 它合并温度间隔本身不足的 0.69MW 热量，于是就 有 1.00MW 的热量不足流入温度间隔③；温度间隔 ③具有 17.45MW 的多余热量，所以就把 16.45MW 的多余热量传给温度间隔④；然后依次在温度间隔 ⑤、⑥、⑦和⑧中，热量得到累加，最后，有 107.44MW 的热量传给冷公用工程。很明显温度间
1 烟气处理系统的过程描述及物流 数据的提取
1.1 烟气处理系统的过程描述 从锅炉排出的高温烟气经过布袋除尘和电除尘 之后依次进入脱硝、脱硫和脱碳系统。锅炉烟气最 常用的脱硝技术是选择性催化还原法（SCR） ， 由于 湿法脱硫工艺的脱硫效率高达 95%以上，因此这种 如图 1 所示， 吸收 SO2 脱硫技术得到了广泛应用[16]。 的过程为：烟气依次通过烟气挡板、增压风机之后 进入烟气换热器，其温度被降低之后进入吸收塔； 在吸收塔内烟气经过喷淋层和除雾器，脱除了烟气 中的 SO2；最后烟气通过烟气换热器升温至其露点 以上。捕集 CO2 的过程主要包括吸收和解吸两个环 节。在吸收塔内，烟气中的 CO2 与进入吸收塔的醇 胺溶液（吸收剂）发生反应。富含 CO2 的醇胺溶液 从吸收塔底部流出而被泵入热交换器，同时参与反
Optimization and evaluation of flue gas processing systems based on pБайду номын сангаасnch technology
LIU Zhongliang1，WANG Yuanya1，ZHANG Kefang1 2，LI Yanxia1
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（1Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation，Ministry of Education，College of
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2014 年第 33 卷
first 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. Key words：flue gas；CO2 capture；pinch technology；optimization；recovery；investment cost 在遭受“能源危机” 、推崇“节能减排”的当今 时代，对高耗能的过程工业进行系统的综合优化是 非常关键而必要的。在众多的过程优化方法[1-3]中， 夹点技术的应用尤为瞩目。夹点分析技术[4]是在 20 世纪 70 年代由苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich） 和英国利兹（Leeds）大学开发的，最初被英国 ICI 公司用于原油精馏系统的扩产改造[5]。 从夹点技术得到普遍认可和关注至今，很多行 业纷纷采用该技术对生产系统进行节能改造，当然 也包括电厂烟气处理这一领域[6-15]。例如，Harkin 等 [7-8]结合夹点技术和线性编程优化方法得出通过 有效的热集成可降低 50%能耗的结论。Abbas 等[10] 将二氧化碳捕集单元与电厂耦合，利用夹点分析讨 论了系统的换热网络，总结出能量优化可以使能量 损耗率降低 12.3%。Tan 等[11-13]提出一种将夹点理 论应用于 CCS 产能部分初步改造计划的方法。 王成 运等[14-15]对小产量 CO2 捕集系统进行夹点分析，仅 考虑了 CO2 捕集局部单元。电厂烟气的处理包括脱 硝、脱硫和脱碳 3 个环节，CO2 的捕集只是其子系 统，王照亮等也没有考虑烟气热量的回收利用，最 终只给出一个新的换热网络，没有对不同的综合换 热网络进行对比分析。 本文采用某发电厂与 660MW 热电联产装置相配套的烟气处理系统和相应数据来 进行研究分析，不仅着眼于捕集 CO2 环节，还考虑 了烟气脱硫单元，首先通过问题表法确定换热网络 的夹点温度，然后利用夹点技术对系统网络进行优 化， 回收高温烟气的余热， 得出 3 种新的换热网络， 并对这些新换热网络进行节能率和投资成本的比 较，得出最优换热网络。
图1
烟气处理系统流程
第 10 期
刘中良等：基于夹点技术的烟气处理系统的优化与评价
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应后的烟气从吸收塔顶部排入大气。富含 CO2 的醇 胺溶液通过热交换器获得能量之后进入解吸塔， 100～140℃的温度下，CO2 被解吸出来并从解吸塔 顶部流出而进入下一个处理环节，同时贫液从解吸 塔流出通过热交换器降温之后被泵入吸收塔以重新 吸收 CO2。大部分的加热任务由电厂所抽取蒸汽来 完成。 1.2 烟气处理系统物流数据的提取 采用某发电厂与 660MW 热电联产装置相配套 的烟气处理系统和相应数据来进行研究，对该系统 进行热力学分析所需的各物流的相关信息均为已 知。依据物流平衡数据，将 6 股物流的参数都列于 表 1 中。
Abstract：Energy saving technologies for CO2 capture systems are receiving extensive attentions from both academic researchers and industries. However，most of these researches focused on the CO2 capture 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 CO2 capture 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 water
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2014 年第 33 卷第 10 期
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CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
应用技术 基于夹点技术的烟气处理系统的优化与评价
刘中良 1，王远亚 1，张克舫 1 2，李艳霞 1
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（1 北京工业大学环境与能源工程学院，教育部传热强化与过程节能重点实验室，北京 100124；2 中国石油 大学（华东）储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580） 摘要：二氧化碳捕集系统节能技术受到了人们的广泛关注，但基本上集中在系统本身，鲜见有关烟气余热回收 利用方面的研究报道，缺少具体的应用方案。然而，要进一步提高二氧化碳捕集系统的效率，就必须对烟气余 热进行有效利用。为此，本文以某发电厂与 660MW 热电联产装置相配套的烟气处理系统为研究对象，首先采用 问题表法确定了换热网络的夹点温度，然后通过冷、热物流间的“新”匹配对原换热网络进行改造，得出 3 种 改造方案：烟气余热回收一级换热网络是高温烟气与胺补液之间进行匹配；烟气余热直接回收二级换热网络是 高温烟气依次与富液、胺补液之间进行匹配；而烟气余热间接回收二级换热网络包括高温烟气与富液之间的间 接换热。通过对以上 3 种改造方案投资费用的比较，发现烟气余热回收一级换热网络的投资成本最低，是最优 改造方案。 关键词：烟道气；二氧化碳捕集；夹点技术；优化；回收；投资成本 中图分类号：TQ 025 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2014）10–2801–05 DOI：10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.047