煤粉工業(yè)鍋爐耦合熱泵系統(tǒng)的余熱利用技術(shù)分析

李美軍

（1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京100013）

我國能源利用率低下與能源發(fā)展模式的不合理，是導(dǎo)致能源供需緊張的主要原因[1]。2016年全國“兩會”審議并通過的“十三五”規(guī)劃綱要中提出，要大力發(fā)展環(huán)保技術(shù)裝備，推廣能效較高的節(jié)能裝置，如熱泵等。2018年國務(wù)院提出了“打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃”，要求開展對燃煤鍋爐的綜合治理，加快供熱管網(wǎng)建設(shè)，充分釋放和提高供熱能力[2]。我國正處于經(jīng)濟發(fā)展的調(diào)整時期，為保證經(jīng)濟穩(wěn)健發(fā)展，需要繼續(xù)堅持節(jié)能降耗、提高能源利用效率的發(fā)展路線。自主研發(fā)的以逆噴旋流燃燒器為核心的高效煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)具有燃燒效率高、污染物排放低、即開即停、操作性強等顯著優(yōu)勢。該系統(tǒng)采用高倍率灰鈣循環(huán)煙氣脫硫技術(shù)（NGD），即通過增濕循環(huán)脫除煙氣中SO2等酸性氣體及粉塵以達到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，其煙氣中水蒸氣含量高達20%以上。高濕度煙氣中含有的大量全熱（包括顯熱和潛熱）和水資源，其溫度每增加10℃，排煙熱損失增加0.6%～1.0%，耗煤量增加1.2%～2.4%[3]。回收煙氣全熱和水，不但可提高鍋爐的熱效率，還可節(jié)約水資源。吸收式熱泵以高溫?zé)嵩礊轵?qū)動力，回收低溫?zé)崃?，可使鍋爐煙氣實現(xiàn)深度冷卻，提高一次能源利用率，其性能系數(shù)可達1.5～2.5，具有節(jié)能顯著、耗功量小、污染少、技術(shù)穩(wěn)定等特點[4-9]。

F.Steimle通過比較吸收式熱泵與電力驅(qū)動熱泵的優(yōu)缺點，表明應(yīng)用吸收式熱泵可與熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合，實現(xiàn)余熱的有效回收和利用，并提高一次能源利用效率[10]。我國學(xué)者在燃煤電站熱電聯(lián)供及天然氣鍋爐供熱系統(tǒng)的余熱利用方面做了大量工作，取得較大成果并開始工業(yè)化應(yīng)用。燃煤電站熱電聯(lián)供方面，清華大學(xué)深入研究并分析不同型式熱泵的工作特點及影響熱泵回收余熱效果的參數(shù)，闡明了吸收式熱泵應(yīng)用于工業(yè)余熱回收領(lǐng)域的可行性，于2008年提出了基于Co-ah循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方法，利用雙效吸收式熱泵機組配合單效吸收熱泵機組的方式，實現(xiàn)依靠熱電廠冷凝乏汽、冷凝余熱及汽輪機抽汽對熱網(wǎng)回水升溫[11]。太原理工大學(xué)根據(jù)山西某熱電廠冷凝抽汽工況條件設(shè)計了基于單效吸收式熱泵機組的新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)熱網(wǎng)供熱負荷增大、熱電廠一次能源利用率提高、節(jié)能減排的目標(biāo)[12]。天然氣鍋爐供熱方面，清華大學(xué)[13]早在2003年通過模擬研究表明吸收式熱泵系統(tǒng)的效率相對于冷凝熱回收系統(tǒng)可提高11%，并提出利用吸收式熱泵制取20℃的冷凍水通過換熱器將150～200℃的煙氣降至30℃后排出，實現(xiàn)煙氣的深度余熱回收[14]。Garlmella等[15]介紹了一種由煙氣驅(qū)動的吸收式熱泵，可以同時產(chǎn)生冷水和熱水，用于空間調(diào)節(jié)或工藝加熱，具有很好的節(jié)能性和經(jīng)濟性。Zhu等[16]分析了實際情況下吸收式熱泵的熱回收性能，發(fā)現(xiàn)鍋爐效率可提高至13.6%，煙氣溫度降為30℃。以300 MW供熱機組為例，配置兩臺46.4 MW溴化鋰吸收式熱泵后，熱耗降低29 GJ/h，年節(jié)煤量約2 849.539 t，可實現(xiàn)減排CO27 465 t，SO224 t，NOx21 t，節(jié)能減排潛力明顯[17]。

綜上所述，利用吸收式熱泵技術(shù)進行余熱利用的優(yōu)點在于可以方便靈活地實現(xiàn)供熱量與用戶需求之間的“質(zhì)”與“量”的匹配以及能源梯級利用，對原熱力系統(tǒng)影響較小[18-20]。利用吸收式熱泵技術(shù)對高效煤粉工業(yè)鍋爐供熱系統(tǒng)進行煙氣余熱利用，可大大增強該系統(tǒng)的靈活性和經(jīng)濟性，符合我國節(jié)能減排的政策導(dǎo)向，但目前缺乏相關(guān)研究和應(yīng)用。本文通過將煤粉熱水鍋爐系統(tǒng)與吸收式熱泵系統(tǒng)進行定制化耦合，建立煤粉熱水鍋爐耦合雙效吸收式熱泵的集成系統(tǒng)熱力學(xué)分析的基本方法，掌握系統(tǒng)熱能品位梯級利用的原則，提出70 MW煤粉熱水鍋爐耦合14 MW雙效吸收式熱泵的“嵌入式”增效型集成系統(tǒng)，通過熱能計算和經(jīng)濟性分析可知，該系統(tǒng)可完成熱網(wǎng)水的梯級加熱和供給，實現(xiàn)煙氣全熱的深度利用和水資源回收，有效提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和能源綜合利用效率。

1 系統(tǒng)簡介

煤粉熱水鍋爐耦合雙效溴化鋰吸收式熱泵增強型集成系統(tǒng)工藝原理見圖1。煤粉工業(yè)鍋爐耦合吸收式熱泵系統(tǒng)共包含兩個子系統(tǒng)：鍋爐子系統(tǒng)及熱泵子系統(tǒng)。其中鍋爐子系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機、熱水鍋爐、省煤器、空氣預(yù)熱器、NGD脫硫、引風(fēng)機、煙囪、中和過濾器和冷凝水收集器等。熱泵子系統(tǒng)包括高壓發(fā)生器、高溫溶液熱交換器、減壓閥、低壓發(fā)生器、低溫溶液熱交換器、溶液泵、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器和取熱器等。該系統(tǒng)特色為：①“嵌入式”高溫?zé)煔鉄崃刻菁壚?，通過發(fā)生器與高溫?zé)煔獾摹爸比际健苯Y(jié)合，提高高溫?zé)煔獾臒峤粨Q率；②低溫?zé)煔馍疃扔酂岷退厥绽?，對低溫?zé)煔膺M行深度冷卻，達到同時回收余熱和水資源的作用。

圖1 煤粉熱水鍋爐耦合雙效溴化鋰吸收式熱泵增強型集成系統(tǒng)工藝原理圖

煤粉為一次能源輸入，鍋爐產(chǎn)生的高溫含硫煙氣作為吸收式熱泵的高溫?zé)嵩矗c發(fā)生器換熱，經(jīng)過NGD處理后的低溫潔凈煙氣作為低溫?zé)嵩?，與蒸發(fā)器換熱，熱網(wǎng)回水經(jīng)過吸收器和冷凝器的二次加熱后用于供暖，低溫潔凈煙氣換熱后形成的冷凝水作為NGD和熱網(wǎng)水的供水。將熱水鍋爐產(chǎn)生的部分高溫含硫煙氣作為高溫?zé)嵩醇訜嵯到y(tǒng)中的高壓發(fā)生器，低溫潔凈煙氣與中介水換熱，被加熱的中介水作為低溫?zé)嵩醇訜嵴舭l(fā)器。熱網(wǎng)回水依次流入吸收器和冷凝器換熱，升溫后并入供暖管網(wǎng)，低溫?zé)煔鈸Q熱后產(chǎn)生的冷凝水一部分補給NGD增濕水，一部分補給熱網(wǎng)水。煤粉熱水鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生90℃的管網(wǎng)上水，并生成約900℃的高溫?zé)煔?。高溫?zé)煔獾囊徊糠忠胛帐綗岜米鳛楦邷責(zé)嵩础＝?jīng)吸收式熱泵冷卻后，均降為350℃后進入脫硝裝置。煙氣脫硝后進入省煤器和空氣預(yù)熱器，溫度降為130℃，而后進入NGD脫硫凈化，溫度降為75℃，含濕量增為73 g/kg（干空氣）。然后，凈化煙氣進入取熱器與熱泵中介水換熱，溫度降為30℃，低于露點溫度（47℃），因此凈化煙氣中有大量冷凝水析出。冷凝水進入收集器，呈弱酸性，需經(jīng)中和過濾等措施，成為NGD的增濕水和管網(wǎng)補水等。

吸收式熱泵系統(tǒng)中，發(fā)生器的高溫驅(qū)動熱源為引入的900℃煙氣。35℃的中介水與蒸發(fā)器換熱后降溫為20℃，再次進入取熱器與凈化煙氣換熱。吸收器和冷凝器依次將大部分管網(wǎng)回水加熱，使其從50℃升為65℃，加熱后的管網(wǎng)回水與剩余小部分的50℃管網(wǎng)回水混合后作為鍋爐給水。

2 節(jié)能性分析

2.1 燃燒特性計算

以工程實測的神東煤數(shù)據(jù)為例，詳細的工業(yè)分析和元素分析見表1。

表1 煤粉的工業(yè)分析和元素分析

以70 MW煤粉熱水鍋爐為研究對象，鍋爐熱效率為90%，進行煤粉燃燒特性計算，主要計算過程及結(jié)果詳見表2。

表2 燃燒特性計算

2.2 煙氣熱能余熱計算

煙氣排煙余熱包括兩部分：煙氣的顯熱和煙氣中水蒸氣的汽化潛熱。

2.2.1 顯熱計算

根據(jù)《標(biāo)態(tài)下氣體平均體積定壓比熱容表》，可查得相應(yīng)溫度下的煙氣各組分的定壓比熱容，進而可得出煙氣的焓值，不同排煙溫度下的焓差即為煙氣的顯熱回收量。NGD排出的煙氣溫度為75℃，含濕量為0.073 kg/kg（干空氣），對應(yīng)露點溫度為47℃，計算可得煙氣的顯熱回收量為：

2.2.2 潛熱計算

潛熱主要是煙氣中水蒸氣凝結(jié)過程中釋放出的熱量。根據(jù)不同溫度下煙氣的含濕量，可計算出不同溫度下煙氣的潛熱的焓，通過計算焓差可得到煙氣潛熱回收量。煙氣的潛熱回收量為：

2.2.3 回收量計算

煙氣深度利用即主要利用回收排煙中水蒸氣的汽化潛熱，提高系統(tǒng)熱效率。因此回收水量能直接反映煙氣深度利用系統(tǒng)的回收熱量能力的高低。

回收水量為：

總回收余熱量為：

高溫?zé)嵩垂崃繛椋?/p>

鍋爐熱效率提高為：

3 經(jīng)濟性分析

3.1 經(jīng)濟效益分析

由節(jié)能性計算可知，高溫?zé)嵩垂崃繛? MW，回收余熱量為4.93 MW。吸收式熱泵總功率為高溫供熱和回收余熱量之和，為14 MW。熱泵的性能系數(shù)COP為1.54。熱網(wǎng)回水進入熱泵的溫度為50℃，流出溫度為65℃，計算可得熱網(wǎng)回水流量約為805.30 t/h，占總熱網(wǎng)回水量的81%。按照每個供暖季天數(shù)為120 d，煤粉的低位發(fā)熱值為24 310 kJ/kg，煤粉平均價格（含運費）為1 000元/t，工業(yè)用水平均價格8元/t計算，可得采用吸收式熱泵系統(tǒng)后，每年供暖季節(jié)省煤粉費210.15萬元，節(jié)省水費11.24萬元，共計節(jié)省總成本約221.4萬元。具體參數(shù)見表3。

表3 煙氣余熱回收經(jīng)濟參數(shù)

3.2 投資費用分析

煙氣余熱回收系統(tǒng)作為關(guān)鍵設(shè)備，主要包括吸收式熱泵系統(tǒng)和取熱器。溴化鋰吸收式熱泵的功率約14 MW，約200萬元，安裝工程費用約10萬元；取熱器采用涂層或耐腐蝕材質(zhì)，制作及安裝費用約為20萬元，相關(guān)的水泵、閥門、儀表等費用約10萬元。另外集中供熱部分，需對熱力站進行改造，需投資約20萬元。由此計算，煙氣余熱回收改造工程的初投資總費用，包括設(shè)備購置費、建筑安裝費等，共計260萬元，其中設(shè)備購置費220萬元（見表4）。

表4 煙氣余熱回收工程初投資費用

3.3 運行費用分析

煙氣余熱回收及利用工程中所應(yīng)用的設(shè)備，需要考慮其年運行維護費用、折舊費用和用電費用。其中運行維護方面，包括對各設(shè)備儀器的檢修及更換所需費用。運行維護費用，按照設(shè)備投資費用的3%來計算；取熱器、溴化鋰吸收式熱泵機組和再熱器的折舊費，按照使用年限15年計算，殘值率按照5%計算：

年運行維護費用：380×3%=11.4萬元

年設(shè)備折舊費用：380×（1-5%）÷15=24.1萬元

設(shè)備運行電費，工業(yè)用電價約為0.6元/（kW·h），每年供暖季為120 d，由此計算，可得每年供暖季煙氣余熱回收系統(tǒng)用電費用約為34.6萬元。

因此，煙氣余熱回收系統(tǒng)年運行總費用為運行維護費用、設(shè)備折舊費用和電費之和，共計70.1萬元，又由前面分析煙氣余熱回收節(jié)約總成本費用為221.4萬元，可得，該余熱回收系統(tǒng)年凈節(jié)約費用為151.3萬元（見表5）。

表5 煙氣余熱回收工程運行費用分析

3.4 靜態(tài)投資回收期計算

靜態(tài)回收期計算公式為：

4 結(jié)論

為實現(xiàn)煙氣全熱的深度利用和水資源回收，本文提出了70 MW煤粉熱水鍋爐耦合14 MW雙效吸收式熱泵的“嵌入式”增效型集成系統(tǒng)，建立了煤粉熱水鍋爐耦合雙效吸收式熱泵的集成系統(tǒng)熱力學(xué)分析的基本方法，為煤粉熱水鍋爐煙氣余熱利用的研究和設(shè)計應(yīng)用提供參考。具體結(jié)論如下：

（1）對于利用NGD脫硫的70 MW煤粉熱水鍋爐系統(tǒng)，燃燒后煙氣中水蒸氣含量比無NGD的增加一倍，采用吸收式熱泵系統(tǒng)深度回收煙氣潛熱，系統(tǒng)熱效率可以提高7%以上。

（2）采用14 MW的吸收式熱泵系統(tǒng)，以每年采暖季為120 d計算，年回收煙氣余熱量達51 088 GJ，年節(jié)省煤粉量2 102 t，年回收水量14 051 t。

（3）通過經(jīng)濟性計算，該系統(tǒng)年節(jié)省煤粉費用為210.15萬元，年節(jié)省水費為11.24萬元，靜態(tài)投資回收期為1.72年。