基于噴淋換熱的燃煤鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)建模及模型驗證

趙金姊 趙璽靈 王靜貽 付林 孫方田 張世鋼

（1北京建筑大學環(huán)境與能源工程學院 北京 100044；2清華大學建筑學院 北京 100084；3北京清華同衡規(guī)劃設計研究院有限公司能源規(guī)劃設計研究所 北京 100084）

基于噴淋換熱的燃煤鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)建模及模型驗證

趙金姊1趙璽靈2王靜貽2付林2孫方田1張世鋼3

（1北京建筑大學環(huán)境與能源工程學院 北京 100044；2清華大學建筑學院 北京 100084；3北京清華同衡規(guī)劃設計研究院有限公司能源規(guī)劃設計研究所 北京 100084）

在城市供熱領域，燃煤鍋爐和燃煤熱電廠作為主力供熱熱源，尚存在著系統(tǒng)排煙溫度高，熱損失嚴重的普遍現(xiàn)象。本文提出基于噴淋換熱的燃煤鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)，利用吸收式熱泵和噴淋塔有效回收煙氣余熱，對系統(tǒng)建立模型，并利用工程實測參數(shù)進行模型驗證，同時從節(jié)能減排效果及經(jīng)濟性方面進行評價。結(jié)果表明：模型的模擬結(jié)果與工程實測值變化趨勢一致，絕對誤差與相對誤差均維持在合理范圍內(nèi)，可認為模型可靠；鍋爐熱效率達104．5%；CO2、SO2、NOx等污染物排放明顯減少，煙氣的年冷凝水量可達1．8萬t，節(jié)能減排潛力巨大；經(jīng)計算，該系統(tǒng)增量投資回收期為3．96 a，回收期較短，具有較好的經(jīng)濟性。

余熱回收；EES建模；燃煤鍋爐；噴淋換熱；節(jié)能減排

2013年，我國北方城鎮(zhèn)建筑采暖能耗約占全國建筑能耗的25%［1］。采暖能耗大，采暖鍋爐排煙溫度高，煙氣余熱浪費嚴重。如果將排煙溫度降至露點溫度以下，可以有效回收煙氣汽化潛熱，提高鍋爐熱效率。

目前，燃煤鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)主要分為兩種：1）利用熱網(wǎng)回水或冷空氣回收煙氣余熱，2）利用熱泵制造低溫冷源回收煙氣余熱。

傳統(tǒng)煙氣余熱回收方法通常利用間壁式換熱器將煙氣與熱網(wǎng)回水或空氣換熱。李永毅等［2－3］通過對燃煤電廠空氣預熱器、省煤器的改造回收煙氣余熱，但排煙溫度還在100℃左右。Yuan Ye等［4］使用熱管煙氣換熱器可將煙氣溫度降到97℃。陳林等［5］研究了回收煙氣余熱的特種耐腐蝕塑料換熱器的性能，結(jié)果顯示煙氣可以降到80℃。M．Terhan等［6］理論分析顯示，利用10℃冷水在不銹鋼水平管束煙氣余熱回收器中可將煙溫降至40℃。陳康等［7］在具有防腐層的間壁式煙氣?水換熱器中，采用19～23℃的冷水使煙氣溫度降至30～39℃。由此可見，如果冷源溫度足夠低并且煙?水換熱器抗腐蝕，煙氣溫度可以降到露點以下。但目前城市供熱管網(wǎng)回水溫度往往高于露點溫度（50℃左右），無法回收煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，并且防腐型煙?水換熱器價格昂貴，約為普通換熱器的2倍，經(jīng)濟性較差。因此此類系統(tǒng)中，冷源不足和腐蝕問題依然是決定煙氣余熱回收效果的關鍵因素。

新型煙氣余熱回收方式采用熱泵制取低溫冷源。清華大學于2000年首先提出利用吸收式熱泵回收煙氣余熱的技術路線，并將吸收式熱泵＋間壁式換熱器余熱回收系統(tǒng)應用在清華大學建筑節(jié)能研究中心、北京南站、天津西站等［8－10］工程中。 實踐證明，該技術可使排煙溫度降低至25℃，供熱工況下系統(tǒng)效率可提高10%以上，煙囪冒白煙現(xiàn)象消除。王鵬等［11］對基于吸收式熱泵和間壁式換熱器的復合余熱回收系統(tǒng)進行了實測，測試數(shù)據(jù)分析表明，18～39℃的冷水可將鍋爐排煙溫度降至25～42℃。但是，間壁式換熱器依然存在腐蝕問題。

為解決上述問題，付林等［12］研發(fā)出一種吸收式熱泵和直接接觸式煙氣換熱器（噴淋塔）復合的系統(tǒng)，利用吸收式熱泵產(chǎn)生20℃的冷凍水在噴淋塔中可將鍋爐排煙溫度降至30℃，實現(xiàn)深度回收排煙余熱。該技術首先在燃氣鍋爐的煙氣余熱回收中成功應用。劉華等［13］研究結(jié)果表明，水汽比、換熱高度和霧化粒徑是影響噴淋塔熱、質(zhì)傳遞效率的主要因素。李鋒等［14－16］對此類系統(tǒng)的工程實際進行了測試，測試數(shù)據(jù)分析表明，鍋爐排煙溫度降至30℃，達到預期設計目標。 目前，此類系統(tǒng)已經(jīng)有多個應用［17－21］。Qu Ming等［22］對煙氣型、直燃型、熱水型三種吸收式熱泵分別和間壁式換熱器耦合的三種復合余熱回收系統(tǒng)進行了理論分析，均可把鍋爐排煙溫度降到30℃，實現(xiàn)鍋爐排煙余熱的深度回收利用，可提高鍋爐熱效率約16%。此類系統(tǒng)用噴淋塔替換了間壁式煙?水換熱器，沒有金屬換熱面，避免了普遍存在于間壁式換熱器中的換熱面腐蝕問題。并且利用吸收式熱泵持續(xù)產(chǎn)生低溫冷源，解決了冷源不足問題。

2016年，清華大學首次提出了熱泵與噴淋塔結(jié)合的燃煤煙氣余熱回收技術，并在濟南某燃煤熱電廠的實際工程中成功應用。本文對該系統(tǒng)進行建模，通過工程實測參數(shù)進行模型驗證，并對系統(tǒng)節(jié)能減排效果和經(jīng)濟性進行計算，進而指導工程建設。

1 燃煤鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)描述及模型建立

1.1 系統(tǒng)描述

圖1 煙氣余熱回收系統(tǒng)流程Fig．1 Flow of the waste heat recovery system

系統(tǒng)由燃煤鍋爐、脫硫塔、吸收式熱泵、噴淋塔、煙道、水路、水箱、板框壓濾機及其附屬裝置組成，如圖1所示。圖中虛線框為新增部分，鍋爐、脫硫塔及主煙道為原有設備。為實現(xiàn)煙氣的全熱回收，關閉風閥1，開啟風閥2，使煙氣流入噴淋塔降溫；吸收式熱泵由蒸氣驅(qū)動，制取的低溫水進入噴淋塔，與煙氣換熱。煙氣被冷卻后排出，低溫水被加熱后返回吸收式熱泵蒸發(fā)器再次降溫；熱網(wǎng)回水作為冷卻水首先進入吸收式熱泵的吸收器和冷凝器，吸收煙氣熱量與驅(qū)動熱源的熱量，之后進入鍋爐加熱至所需溫度。

由于燃煤煙氣中含有SO2、NOx及粉塵等污染物，酸性氣體溶于水對設備有腐蝕性并且影響洗滌煙氣效果。所以設置加藥裝置，加堿產(chǎn)生中和效果，保證噴淋水中性。粉塵溶于水會堵塞管路，所以設置板框壓濾機去除噴淋水中的污泥等雜質(zhì)。

1.2 模型建立

1.2.1 系統(tǒng)模型

1）吸收式熱泵模型

吸收式熱泵主要由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和吸收器四大部件組成，如圖2所示。

圖2 吸收式熱泵模型Fig．2 Model of absorption heat pump

溶液側(cè)：LiBr溶液在發(fā)生器中吸收來自驅(qū)動熱源的熱量，其中的水蒸氣蒸發(fā)，溶液變濃。濃溶液進入吸收器，吸收來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣，變成稀溶液同時釋放熱量給冷卻水（熱網(wǎng)回水）。制冷劑蒸氣出發(fā)生器后，進入冷凝器冷凝，釋放熱量給冷卻水（熱網(wǎng)回水），之后在蒸發(fā)器中吸收熱源水熱量再新蒸發(fā)，最后進入吸收器冷凝同時稀釋LiBr濃溶液，如此完成一個循環(huán)。

水側(cè)：冷卻水（熱網(wǎng)回水）依次進入吸收器和冷凝器加熱。熱源水在蒸發(fā)器內(nèi)放熱降溫。

質(zhì)量守恒方程：

進入部件與離開部件的單獨組分的質(zhì)量流量（即溶液質(zhì)量流量與溶液濃度的乘積）相等。

進入部件與離開部件的質(zhì)量流量相等：

能量守恒方程（水側(cè)與制冷劑側(cè)吸（放）熱量相等）：

吸收熱熱泵能量守恒：

式中：mi為單獨組分i的質(zhì)量流量，kg/s；ci為單獨組分i的質(zhì)量濃度，%；min、mout為進入和離開各部件的質(zhì)量流量，kg/s；mw、mr為水流量和制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；hw，in、hw，out為部件水側(cè)進出口單位焓值，kJ/kg；hr，in、hr，out為部件制冷劑側(cè)進出口單位焓值，kJ/kg；Qgen、Qeva、Qcon、Qabs為發(fā)生器、蒸發(fā)器、冷凝器、吸收器負荷，kW。

2）噴淋塔模型

煙氣與水在噴淋塔內(nèi)進行傳熱傳質(zhì)過程，遵循雙膜理論模型，即假設煙氣與水之間的熱質(zhì)傳遞是通過一層很薄的飽和煙氣層進行的，飽和煙氣層與主流煙氣不相混合和擾動。

按水流方向劃分微元，如圖3所示。

圖3順流直接接觸式煙氣?水換熱器模型Fig．3 Cocurrent flow model of direct contact smoke?water heat exchanger

氣?水熱交換過程：

氣?水質(zhì)交換過程：

氣?水能量平衡：

式中：mf為煙氣的質(zhì)量流量，kg/s；cp為煙氣的定壓比熱容，J/（kg·K）；dA為微元換熱面積，m2；df，daw為煙氣的主流和靠近水膜飽和空氣的含濕量，kg/kg干煙氣；tf，tw為煙氣的主流和凝結(jié)水膜的溫度，℃；h為煙氣側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）；hmd為以含濕量為基準的傳質(zhì)系數(shù)，kg/（m2·s）；mw為水的質(zhì)量流量，kg/s；cw為水的定壓比熱容，J/（kg·K）；dtw為微元段水溫變化；dif為微元段煙氣焓值變化。

3）管路模型

管路沿程損失：

管段局部損失折合為沿程損失的當量長度：

管段總壓降：

管網(wǎng)質(zhì)量守恒：

熱能平衡方程

式中：Ry為每米管長的沿程損失，Pa/m；ld為當量長度，m；λ為管道內(nèi)壁的摩擦阻力系數(shù)；Gt為管段的水流量，t/h；d為管子的內(nèi)直徑，m；ρ為水的密度，kg/m3；∑ξ為管段中總的局部阻力系數(shù)；l為管道的實際長度，m；Qtower為噴淋塔負荷，kW；△Q為管網(wǎng)能量損失，kW。

4）水泵模型

式中：g為重力加速度，m/s2；H為揚程，m；η為水泵效率。

將上述關鍵設備模型集成，構(gòu)成系統(tǒng)模型，進而對系統(tǒng)的參數(shù)進行模擬計算。

1.2.2 經(jīng)濟性模型

增量投資回收期是用經(jīng)營成本的節(jié)約或增量凈收益來補償增量投資的年限。靜態(tài)增量投資回收期定義為：

式中：（CI?CO）t為第t年的凈現(xiàn)金流量，萬元；Tp為投資回收期，a。

2 案例分析及模型驗證

2.1 案例分析

該技術在某熱電廠實際采用，應用對象為三臺130 t/h煤粉蒸氣鍋爐。三臺鍋爐均采用濕法脫硫。該市冬季采暖室外計算溫度為－7℃，室內(nèi)計算溫度為18℃，室外平均溫度為1.8℃，采暖期為120 d。一次網(wǎng)設計供回水溫度為120℃/60℃。

原流程：煙氣出鍋爐后，先進脫硫塔濕法脫硫降至約50℃，最后進入公共煙囪排入大氣。熱網(wǎng)回水經(jīng)凝汽器和汽輪機抽汽加熱至所需溫度。

現(xiàn)流程：煙氣出鍋爐后，首先進入脫硫塔，后進入余熱回收噴淋塔（簡稱噴淋塔），最后進入公共煙囪排入大氣。熱網(wǎng)回水經(jīng)凝汽器、吸收式熱泵和汽輪機抽汽梯級加熱至所需溫度。其中，吸收式熱泵由汽輪機抽汽驅(qū)動。

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)流程及工程實際，可以設計出系統(tǒng)參數(shù)。設計采暖總負荷為114.28 MW；吸收式熱泵設計承擔負荷為31 MW，余熱回收量為11.8 MW，COP為1.69；噴淋塔高8 m；冷凍水噴淋溫度30℃。本文主要研究吸收式熱泵和噴淋塔之間的設計、運行參數(shù)，在2015—2016年度采暖季進行系統(tǒng)測試。

2.2 模型驗證

根據(jù)2.1中對吸收式熱泵及噴淋塔建立的數(shù)學模型，在EES軟件平臺上編寫程序，輸入工程實測數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 模型輸入的工程實測參數(shù)Tab．1 Measured parameters of a project which input to the system model

模擬計算煙氣余熱回收系統(tǒng)在測試期間的排煙溫度和濕度、熱網(wǎng)水出口溫度、熱源水出噴淋塔溫度、熱源水出熱泵溫度等。

選取2015年12月22日15∶00的一組典型工況進行模型驗證。

可以看到，實驗值與測試值之間存在一定偏差，這是因為建立數(shù)學模型時，為了方便計算而對數(shù)學模型進行簡化引起的。以實測值為真值，模擬值與真值之間的誤差很小，大部分相對誤差維持在±5%以內(nèi)。為進一步驗證模型的準確性，用2015年12月22—23日的部分測試值進行模型驗證。測試及模擬值對比如圖4～圖6所示。

經(jīng)計算，上述測試值與模擬值之間的相對誤差基本保持在±5%之間，平均相對誤差為－2.43%。雖然真實值和模擬值之間存在一定的偏差，但是模型的模擬結(jié)果與實測值變化趨勢一致，絕對誤差與相對誤差均維持在較小的范圍里。因此，該模型可靠。

表2 一組典型工況下實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比Tab．2 The contrast of experimental data and simulated data under a typical working condition

圖4 煙氣、噴淋水出塔溫度測試及模擬值對比Fig．4 The contrast of experimental data and simulated data for flue gas and water temperature out of the direct contact heat exchanger

圖5 煙氣出塔含濕量測試值及模擬值對比Fig．5 The contrast of experimental data and simulated data for flue gas moisture content out of the direct contact heat exchanger

2.3 項目評價

1）經(jīng)濟性分析

安裝余熱回收系統(tǒng)無疑會增加投資，但同時回收的余熱又會逐年補償這部分支出。具體經(jīng)濟性分析見表3。

年凈收益CI為299.58萬元，固定投資與運行費用之和為支出項CO，可得增量投資回收期為3.96 a?；厥掌谳^短，具有較好的經(jīng)濟性。

圖6 熱源水、熱網(wǎng)水出熱泵溫度測試值及模擬值對比Fig．6 The contrast of experimental data and simulated data for chilled water and cooling water temperature out of AHP

表3 余熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟性分析Tab．3 Economic analysis of waste heat recovery system

2）節(jié)能減排分析

末端總負荷283萬GJ，熱泵承擔11.6%的末端負荷，余熱占末端負荷的4.3%。具體節(jié)能性分析見表4。

供暖負荷不變時，余熱回收使耗煤量降至原來的95.7%，并隨著煤量的降低，污染物排放明顯減少。同時，在噴淋塔內(nèi)，煙氣可降到露點溫度以下，冷凝液可達 6.3 t/h，年節(jié)水量約為 1.8 萬 t，可作為鍋爐沖灰水或脫硫塔補水加以利用。但由于增加了熱源水系統(tǒng)，水量有所增加，熱源水系統(tǒng)設計噴淋循環(huán)水量1 234.08 t/h，相應增加電耗 8.705 ×105（kW·h） /a。

表4 余熱回收前后供熱系統(tǒng)能耗分析Tab．4 Energy analysis of heating system before and after recover waste heat

3 結(jié)論

本文就吸收式熱泵與噴淋塔組合的余熱回收系統(tǒng)進行建模及模型驗證。通過對典型實測工況與模擬工況的對比，發(fā)現(xiàn)測試值與模擬值之間的相對誤差基本保持在±5%之間，平均相對誤差為－2.43%，且兩者趨勢相同，模型可靠。

應用模型計算一個采暖季的運行數(shù)據(jù)。得到，鍋爐熱效率提升至104.5%，污染物排放明顯減少，煙氣的冷凝水量巨大。安裝余熱回收系統(tǒng)，雖然投資增加，但是用余熱量折算收益補償支出，3.96 a可回收。節(jié)能性、經(jīng)濟性較好。

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Establishing and Validating a Model of Waste?heat Recovery System for Coal?fired Boilers based on Spray Tower

Zhao Jinzi1Zhao Xiling2Wang Jingyi2Fu Lin2Sun Fangtian1Zhang Shigang3
（1．School of Environment and Energy Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Bei?jing，100044，China；2．School of Architecture，Tsinghua University，Beijing，100084，China；3．Department of Energy Planning ＆ Design，Beijing Tsinghua Tongheng Urban Planning and Design Institute，Beijing，100084，Chi?na）

Coal?fired boilers and thermal power plants are the primary heating resource in the district heating field．However，they have great energy?saving potential because of the significant heat loss from the high?temperature discharging flue gas．In view of the existing problems，a waste?heat recovery system for coal?fired boilers based on a spray tower is presented．It could efficiently recover the latent heat and improve the system efficiency and economic performance by using a spray?tower heat exchanger and absorption heat pump．In this study，a model was built for this system and validated with measured data in a practical project．The system was then evaluated from the points of view of energy saving，emission reduction，and economic feasibility．The results show that the simulation results of the model are roughly in line with the trend of the observed results，and the absolute and relative errors are in a reasonable range，which proves that the model is reasonable．Meanwhile，the boiler thermal efficiency can rise to 104．5%，the pollutant emissions can obviously decrease，and the quantity of collected condensate water can reach 18，000 tons a year．In addition，the payback period is 3．96 years．In summary，the proposed system has higher energy efficiency and better economic benefits than existing systems．

waste heat recovery；EES；coal?fired boiler；direct?contact heat exchange；energy conservation and emission reduction

Zhao Xiling，female，professor of engineering，School of Archi?tecture，Tsinghua University，＋86 10?62788513，E?mail： zhaox?iling＠ 126．com．Research fields：urban heating，energy?saving transformation of industrial waste heat cascade utilization，com?bined cooling heating and power system based on natural gas，complementary optimization and upgrading of regional energy．

TK11＋5；TQ051．5

A

0253－4339（2017）06－0039－07

10.3969 /j.issn.0253 － 4339.2017.06.039

國家自然科學基金（51706115）資助項目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No．51706115）．）

2016年12月28日

趙璽靈，女，教授級高工，清華大學建筑學院，（010）62788513，E?mail： zhaoxiling＠126．com。 研究方向：城鎮(zhèn)供熱和工業(yè)余熱梯級利用節(jié)能改造、天然氣冷熱電三聯(lián)供、區(qū)域能源互補優(yōu)化升級。