熱電廠煙氣和循環(huán)冷卻水余熱利用技術(shù)途徑

張若瑜， 王海超， 李祥立， 端木琳

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116085)

1 概述

熱電聯(lián)供可實(shí)現(xiàn)一次能源的梯級利用和具有較高的整體能效，盡管如此，在熱電生產(chǎn)過程中仍存在大量低品位余熱未被有效利用的情況，尤其是鍋爐的煙氣余熱和凝汽器循環(huán)冷卻水(本文簡稱循環(huán)水)余熱沒有得到充分利用。

電廠燃煤鍋爐的省煤器、空氣預(yù)熱器僅能回收煙氣中部分顯熱，煙氣中的大量潛熱未被有效利用[1]。同時(shí)，循環(huán)水余熱一般直接通過冷卻塔(集中設(shè)置在空冷島)散失在環(huán)境中，未得到有效利用[2]。近年來，采用汽輪機(jī)低真空運(yùn)行技術(shù)提高凝汽器循環(huán)水的出水溫度直接用于供熱的方式在熱電廠得到了部分應(yīng)用，但該類技術(shù)的供熱效果受到機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的制約，而且凝汽器內(nèi)真空度的改變會(huì)對機(jī)組本身造成安全隱患。本文對熱電廠煙氣余熱回收在煙氣脫白工藝中的應(yīng)用和循環(huán)水余熱回收的研究進(jìn)展和技術(shù)手段進(jìn)行綜述。

2 煙氣余熱回收在脫白工藝中的應(yīng)用

目前，國內(nèi)大多數(shù)燃煤熱電廠的煙氣在向外界排放前均會(huì)經(jīng)過濕法脫硫，處理后的煙氣具有低溫高濕的特點(diǎn)，溫度通常為45～55 ℃，含有12%～16%的水蒸氣[3]，在脫硫過程中部分可溶性顆粒物、粉塵、硫化物等易溶解在水蒸氣中。若將濕法脫硫后的煙氣由煙囪直接排至大氣，由于環(huán)境溫度及含濕量低，煙氣會(huì)迅速降溫，其中的水蒸氣將凝結(jié)成濕煙羽，即“冒白煙”現(xiàn)象，對大氣造成污染。

傳統(tǒng)煙氣余熱回收技術(shù)手段通常將余熱用于鍋爐的回?zé)嵯到y(tǒng)中，余熱利用途徑較為單一。根據(jù)煙氣脫白機(jī)理，將煙氣余熱用于脫白工藝，成為煙氣余熱另一條利用途徑。

2.1 煙氣再熱法

煙氣再熱法是利用未經(jīng)處理的高溫?zé)煔饧訜崦摿蛱幚砗蟮牡蜏馗邼駸煔?，通常采取間接換熱的方式，主要以煙氣再熱器(Gas-Gas Heater，GGH)、中間熱媒體煙氣換熱器(Media Gas-Gas Heater，MGGH)兩種換熱裝置為主。自20世紀(jì)80年代，國內(nèi)初期建設(shè)的熱電廠脫硫工藝中均安裝了煙氣再熱器，以實(shí)現(xiàn)煙氣脫白。采用GGH的煙氣脫白工藝見圖1。由圖1可知，未經(jīng)處理的高溫?zé)煔庀冗M(jìn)入熱管換熱器與經(jīng)過脫硫處理的低溫高濕煙氣進(jìn)行換熱后進(jìn)入脫硫裝置脫硫，脫硫裝置出口的低溫高濕煙氣經(jīng)熱管換熱器加熱后排至煙囪。

圖1 采用GGH的煙氣脫白工藝

采用MGGH的煙氣脫白工藝流程見圖2?？諝忸A(yù)熱器出口未經(jīng)處理的高溫?zé)煔饨?jīng)煙氣冷卻器與換熱介質(zhì)換熱后進(jìn)入電除塵器進(jìn)行除塵，然后進(jìn)入脫硫塔。經(jīng)脫硫處理后，低溫高濕煙氣進(jìn)入煙氣再熱器被換熱介質(zhì)加熱升溫(排煙溫升有利于煙氣在排放時(shí)的抬升高度)。由于煙氣冷卻器布置在除塵器之前，使煙氣中的酸性蒸汽在冷凝后同粉塵顆粒的堿性物質(zhì)相結(jié)合，有利于被除塵器捕捉，從而去除部分硫化物，以減小后續(xù)設(shè)備受到低溫酸腐蝕。

無論是采用GGH，還是采用MGGH的煙氣脫白工藝，本質(zhì)上僅利用未經(jīng)處理的高溫?zé)煔庥酂崽岣吡伺艧煖囟?，但排煙中的水蒸氣含量并未顯著降低，

圖2 采用MGGH的煙氣脫白工藝流程

無法實(shí)現(xiàn)排煙除濕[4]，處理過程中存在低溫酸腐蝕情況。為解決低溫酸腐蝕問題，需要采用材料成本較高的換熱設(shè)備，環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益存在矛盾。

2.2 煙氣冷凝法

對濕法脫硫后的低溫高濕煙氣通過降溫冷凝的方法回收煙氣中的水蒸氣，是實(shí)現(xiàn)煙氣脫白的另一種思路。利用間接接觸式換熱器處理低溫高濕煙氣，需要較大的換熱面積和較高的防腐要求。而采用噴淋式直接接觸式換熱器的煙氣冷凝除濕系統(tǒng)(工藝流程見圖3)具有余熱回收效率高、回收凝結(jié)水量大、凈化效果好等優(yōu)點(diǎn)[5]。

脫硫后的低溫高濕煙氣進(jìn)入噴淋式直接接觸式換熱器，與低溫噴淋水以逆流形式進(jìn)行直接接觸時(shí)傳熱傳質(zhì)，煙氣流動(dòng)方向自下往上，噴淋水從上往下噴淋，煙氣中的水蒸氣放熱凝結(jié)后與噴淋水送至水處理裝置。經(jīng)噴淋式直接接觸式換熱器除濕后的煙氣，從換熱器頂部排出。在除濕過程中，低溫高濕煙氣內(nèi)殘留的顆粒物、粉塵以及硫化物也會(huì)溶解在噴淋水中，煙氣得到了進(jìn)一步凈化。

圖3 采用噴淋式直接接觸式換熱器的 煙氣冷凝除濕系統(tǒng)工藝流程

近年來，部分學(xué)者提出了吸收式熱泵結(jié)合噴淋式直接接觸式換熱器的燃煤熱電廠煙氣余熱回收系統(tǒng)[6]，工藝流程見圖4。將噴淋水吸收的煙氣余熱作為吸收式熱泵的低溫?zé)嵩醇訜釤峋W(wǎng)回水，該系統(tǒng)可制取20 ℃左右的低溫噴淋水用于與煙氣換熱，提高了換熱效率和除濕效果。魏茂林等人[7]將該系統(tǒng)用于燃煤熱電廠中，實(shí)測結(jié)果表明脫硫后的煙氣溫度由50 ℃降至39 ℃，余熱回收量可觀，煙氣中二氧化硫、氮氧化物的排放量進(jìn)一步降低。雖然煙氣冷凝法實(shí)現(xiàn)了煙氣脫白，并使得煙氣余熱得到了合理利用，但由于排煙溫度過低，易導(dǎo)致排煙抬升高度降低，不利于污染物的擴(kuò)散。

圖4 吸收式熱泵結(jié)合噴淋式直接接觸式換熱器的燃煤熱電廠煙氣余熱回收系統(tǒng)工藝流程

2.3 煙氣冷凝再熱法

煙氣冷凝再熱法是一種解決煙氣脫白的新工藝，通過采用多組不同的換熱器，實(shí)現(xiàn)不同煙溫段煙氣余熱的合理利用。煙氣冷凝再熱系統(tǒng)工藝流程見圖5。在采用MGGH的煙氣脫白工藝的基礎(chǔ)上，在脫硫裝置前設(shè)置煙氣冷卻器2，在脫硫裝置后設(shè)置噴淋式直接接觸式換熱器。鍋爐尾部高溫?zé)煔庖来瓮ㄟ^煙氣冷卻器1、干式電除塵器、煙氣冷卻器2、脫硫裝置、噴淋式直接接觸式換熱器、煙氣再熱器，完成冷凝至再熱升溫的全過程。設(shè)置兩組煙氣冷卻器可以將進(jìn)入脫硫裝置前的煙氣梯級冷卻至70～80 ℃，保證了脫硫裝置的工作效率。在滿足排煙溫度要求和系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，換熱介質(zhì)管路可以耦合鍋爐回?zé)嵫b置或熱網(wǎng)加熱裝置，將富裕熱量用于加熱鍋爐凝結(jié)水或熱網(wǎng)回水。此外，與采用MGGH的煙氣脫白工藝相比，進(jìn)入煙氣再熱器內(nèi)的煙氣含濕量較低，升溫所需熱量比較低。通常，煙氣再熱器出口煙氣60 ℃即可達(dá)到排煙要求，減少了煙氣再熱器的換熱面積。

舒喜等人[8]提出了煙氣冷凝再熱技術(shù)在熱電廠煙氣脫白的應(yīng)用，以某300 MW燃煤熱電機(jī)組為例，與采用MGGH的煙氣脫白工藝進(jìn)行分析比較。研究表明，煙氣冷凝再熱脫白工藝的節(jié)能、節(jié)水、減排效果更好。

圖5 煙氣冷凝再熱系統(tǒng)工藝流程

3 熱電廠循環(huán)水余熱利用途徑

傳統(tǒng)的低真空運(yùn)行技術(shù)存在熱電耦合的問題，凝汽器內(nèi)真空度的改變易影響發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，存在一定的安全隱患，因此僅適用于熱負(fù)荷較小且穩(wěn)定的供熱系統(tǒng)[9]。循環(huán)水余熱屬于低品位熱能，但蓄熱量大、水質(zhì)比較好，運(yùn)用熱泵技術(shù)回收循環(huán)水余熱用于集中供熱，不僅節(jié)能效果顯著，還可以降低電廠對外界的熱濕污染。按照熱泵的驅(qū)動(dòng)能源不同，可將用于熱電廠循環(huán)水余熱回收的熱泵分為吸收式熱泵、電驅(qū)動(dòng)熱泵。

3.1 吸收式熱泵

發(fā)達(dá)國家如日本、美國對于吸收式熱泵用于回收工業(yè)廢熱余熱的研究起步較早。近年來，國內(nèi)也開始推廣吸收式熱泵回收熱電廠循環(huán)水余熱，用于集中供熱[10-11]。典型的吸收式熱泵供熱系統(tǒng)工藝流程見圖6。吸收式熱泵以汽輪機(jī)抽汽為驅(qū)動(dòng)熱源，以循環(huán)水作為低溫?zé)嵩?，熱網(wǎng)回水先經(jīng)過吸收式熱泵經(jīng)第一次溫升，隨后進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器利用汽輪機(jī)抽汽對其進(jìn)行第二次溫升，達(dá)到供水溫度。受限于熱泵機(jī)組容量等原因，循環(huán)水余熱通常難以全部回收，因此部分循環(huán)水仍將被送至冷卻塔降溫。許國春等人[12]的研究表明，采用吸收式熱泵時(shí)，合理的余熱回收方案可顯著提高電廠的能源利用率和整體經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 典型的吸收式熱泵供熱系統(tǒng)工藝流程

吸收式熱泵余熱回收系統(tǒng)的運(yùn)行效率受到抽汽參數(shù)、低溫?zé)嵩礈囟纫约盁峋W(wǎng)水溫的限制，制熱效率較低，提高余熱回收效果是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。降低熱網(wǎng)回水溫度是提高吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱能力的一種思路[13-14]，可通過在各熱力站內(nèi)設(shè)置吸收式換熱機(jī)組(由吸收式熱泵與板式換熱器組成)，取代傳統(tǒng)的水-水換熱器，可在保證供水溫度不變的前提下大幅降低熱網(wǎng)回水溫度，實(shí)現(xiàn)大溫差供熱。

另一種思路是通過增設(shè)煙氣余熱回收裝置提高余熱回收量，最大限度地實(shí)現(xiàn)余熱的梯級利用。劉媛媛等人[15]提出了一種增設(shè)煙氣余熱回收裝置的吸收式熱泵供熱系統(tǒng)，工藝流程見圖7。在典型吸收熱泵供熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用高溫吸收式熱泵機(jī)組代替熱網(wǎng)加熱器，并增設(shè)煙氣余熱回收裝置(用于回收煙氣余熱)。兩臺(tái)吸收式熱泵(第一級吸收式熱泵可以采用雙效機(jī)組)均以汽輪機(jī)抽汽為驅(qū)動(dòng)熱源，凝汽器出口處的循環(huán)水經(jīng)過煙氣余熱回收裝置吸收煙氣余熱后，依次進(jìn)入兩級吸收式熱泵。熱網(wǎng)回水經(jīng)兩級吸收式熱泵機(jī)組加熱后，溫升至供水溫度。

圖7 增設(shè)煙氣余熱回收裝置的吸收式熱泵供熱系統(tǒng)工藝流程

3.2 電驅(qū)動(dòng)熱泵

國外基于以下原因，將電驅(qū)動(dòng)熱泵應(yīng)用于熱電廠循環(huán)水余熱回收領(lǐng)域[16-17]：電驅(qū)動(dòng)熱泵的制熱效率要遠(yuǎn)高于吸收式熱泵。吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱的效果受到機(jī)組抽汽參數(shù)的限制，而電驅(qū)動(dòng)熱泵直接以電力驅(qū)動(dòng)，控制方便，調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)。電驅(qū)動(dòng)熱泵消耗電能，具有成為電力調(diào)峰手段的潛力[18]。

國內(nèi)針對電驅(qū)動(dòng)熱泵在熱電廠循環(huán)水余熱回收方面的研究很少，主要原因在于國內(nèi)普遍認(rèn)為較高的電價(jià)易導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性較差；熱電廠以熱定電的運(yùn)行方式，往往導(dǎo)致用熱高峰期發(fā)電量過剩，對于風(fēng)力發(fā)電區(qū)域易引發(fā)“棄風(fēng)”。研究表明，配置蓄熱裝置的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，可大幅提高消納風(fēng)電的能力[19-20]。電驅(qū)動(dòng)熱泵聯(lián)合蓄熱裝置的供熱系統(tǒng)工藝流程見圖8。

圖8 電驅(qū)動(dòng)熱泵聯(lián)合蓄熱裝置的供熱系統(tǒng)工藝流程

在電負(fù)荷低谷期(往往對應(yīng)熱負(fù)荷高峰期)，蓄熱罐向外放熱，儲(chǔ)存的高溫水由頂部送入熱網(wǎng)供水管道中，部分熱網(wǎng)回水由底部進(jìn)入蓄熱罐內(nèi)。電驅(qū)動(dòng)熱泵回收循環(huán)水余熱，配合熱網(wǎng)加熱器加熱部分熱網(wǎng)回水。該階段，以電驅(qū)動(dòng)熱泵制熱為主，熱網(wǎng)加熱器加熱為輔，風(fēng)電上網(wǎng)空間增加。

在電負(fù)荷高峰期(往往對應(yīng)熱負(fù)荷低谷期)，蓄熱罐蓄熱，部分熱網(wǎng)供水由頂部進(jìn)入蓄熱罐，蓄熱罐內(nèi)的低溫水從底部匯入熱網(wǎng)回水中，熱網(wǎng)加熱器制熱功率增加，電驅(qū)動(dòng)熱泵配合完成蓄熱罐儲(chǔ)熱量與用戶熱負(fù)荷需求。

4 結(jié)論

利用煙氣余熱的煙氣脫白工藝包括煙氣再熱法、煙氣冷凝法、煙氣冷凝再熱法，煙氣冷凝再熱法通過多組不同的換熱器，實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的合理利用。熱電廠循環(huán)水余熱利用途徑可分為吸收式熱泵利用、電驅(qū)動(dòng)熱泵利用。為實(shí)現(xiàn)供熱，吸收式熱泵與熱網(wǎng)加熱器聯(lián)合運(yùn)行，或采用多臺(tái)吸收式熱泵梯級加熱熱網(wǎng)回水。電驅(qū)動(dòng)熱泵制熱能效比高，可消納風(fēng)電。