基于吸收式熱泵的煙氣余熱回收技術(shù)應(yīng)用

文_李松 北京首都機(jī)場(chǎng)動(dòng)力能源有限公司

首都機(jī)場(chǎng)集中供熱站主要負(fù)責(zé)機(jī)場(chǎng)航站樓及其附近生活區(qū)、工作區(qū)的冬季供暖工作，總面積約為458萬m2，其熱源側(cè)均為燃?xì)忮仩t，載熱介質(zhì)主要是蒸汽和熱水。本文針對(duì)首都機(jī)場(chǎng)集中供熱站供熱系統(tǒng)，以煙氣冷凝換熱器、基于吸收式熱泵的煙氣余熱回收技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)煙氣中的水蒸氣潛熱和顯熱加以回收利用，從而推動(dòng)首都機(jī)場(chǎng)供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

1 煙氣余熱回收潛力分析

燃?xì)忮仩t的熱損失主要包括氣體不完全燃燒熱損失、排煙熱損失、散熱損失。通常情況下，鍋爐熱損失中排煙熱損失占比最大，其影響因素主要是排煙溫度和煙氣容積，其中煙氣容積則主要受爐膛過量空氣系數(shù)的影響，燃?xì)忮仩t的過量空氣系數(shù)一般在1.05～1.3。天然氣燃燒產(chǎn)生的煙氣中N2、H2O和CO2分別占比70.66%、17.08%和9.70%，還有少量O2、SO2等，可見水蒸氣占比較高，所以煙氣中水蒸氣的含量隨過量空氣系數(shù)的增大而升高，進(jìn)而水蒸氣產(chǎn)生的冷凝熱量就越多。一般而言，燃?xì)忮仩t的排煙溫度每遞增10℃，排煙熱損失增加0.5%~1%，所以應(yīng)盡量降低鍋爐排煙溫度。排煙溫度越低，鍋爐效率越高。當(dāng)達(dá)到臨界點(diǎn)（露點(diǎn)溫度）后，潛熱開始被回收利用，鍋爐效率得到大幅提升。

目前，燃?xì)忮仩t的排煙溫度為90～130℃，但是集中供熱站的7臺(tái)燃?xì)忮仩t由于建設(shè)較早，在余熱回收利用方面僅僅設(shè)計(jì)了空預(yù)器和省煤器，該裝置只能用來回收煙氣中的顯熱，造成了潛熱的浪費(fèi)。每年嚴(yán)寒時(shí)期，高負(fù)荷運(yùn)行的鍋爐排煙溫度均在100℃以上，其中58MW的熱水鍋爐超過95%額定熱負(fù)荷時(shí)，其排煙溫度的實(shí)際值已經(jīng)超過160℃。集中供熱站的7臺(tái)鍋爐共用一個(gè)公共煙道，導(dǎo)致混合后的煙氣溫度高達(dá)120℃～150℃。燃?xì)忮仩t燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵苯优欧胖镰h(huán)境中，由于其攜帶的巨大熱量，既造成了熱污染，也造成了能源浪費(fèi)。

2 熱泵在煙氣余熱回收方面的應(yīng)用

熱泵是一種基于熱轉(zhuǎn)換技術(shù)回收利用余熱的裝置，它可以完成低品位熱向高品位熱的轉(zhuǎn)化。溴化鋰吸收式熱泵以水作為制冷劑，溴化鋰溶液作為吸收劑，它利用高溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)，從低溫?zé)嵩粗刑崛崃浚M(jìn)而得到中溫?zé)崮?，提高熱能利用率。在余熱回收系統(tǒng)中熱泵性能直接影響到系統(tǒng)能否安全、高效、穩(wěn)定輸出熱能，因此熱泵設(shè)備的選擇是余熱回收系統(tǒng)的關(guān)鍵。

蒸發(fā)器：水在負(fù)壓下低溫蒸發(fā)，從低溫?zé)嵩粗腥帷?/p>

吸收器：濃溴化鋰溶液在吸收低溫蒸汽的過程中釋放熱量，加熱冷媒。

發(fā)生器：利用驅(qū)動(dòng)熱源（燃?xì)狻⒏邷責(zé)崴?、蒸汽）將溴化鋰稀溶液加熱，冷劑水吸收熱量后蒸發(fā)，溴化鋰稀溶液濃度升高，變?yōu)闈馊芤?，再次進(jìn)入吸收器，完成溶液的循環(huán)；蒸發(fā)出的水蒸氣即制冷劑，進(jìn)入冷凝器。

冷凝器：水蒸汽冷凝成水放熱，加熱冷媒。冷凝器中由于放熱而冷凝的水進(jìn)入蒸發(fā)器，形成冷劑水的循環(huán)。

目前，從驅(qū)動(dòng)力來區(qū)分主要有電驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵、燃?xì)馕帐綗岜煤驼羝弯寤囄帐綗岜脵C(jī)組。

電驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵主要特點(diǎn)是通過電能為壓縮機(jī)提供能量，主機(jī)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥等組成。熱泵中的工質(zhì)于蒸發(fā)器中吸收煙氣攜帶的熱量后蒸發(fā)，進(jìn)入壓縮機(jī)，被壓縮機(jī)壓縮變?yōu)楦邷馗邏汗べ|(zhì)，在冷凝器中將攜帶的熱量傳遞給熱網(wǎng)水，自身冷凝變?yōu)橐簯B(tài)，最后熱泵工質(zhì)經(jīng)過節(jié)流閥后回到蒸發(fā)器。電驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵熱效率較高，COP可達(dá)到5左右，但電驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵系統(tǒng)耗電量大、運(yùn)行費(fèi)用較高、單機(jī)容量小、系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜。

燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組以天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量為驅(qū)動(dòng)力，以溴化鋰和水組成的二元溶液為工質(zhì)，主機(jī)系統(tǒng)有溶液泵、吸收器、發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥等。天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量驅(qū)使溴化鋰溶液中的水蒸氣析出，從而進(jìn)入冷凝器，水蒸氣在冷凝器中冷凝釋放出熱量加熱熱網(wǎng)回水，供給用戶；在冷凝器中冷凝后產(chǎn)生的飽和液經(jīng)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器吸收高溫?zé)煔庵械臒崃?。燃?xì)馕帐綗岜猛ㄟ^消耗天然氣回收煙氣中熱量，具有電能消耗少、系統(tǒng)可靠性高、一次能源利用率高、循環(huán)工質(zhì)無污染、運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)，但燃?xì)怛?qū)動(dòng)熱泵會(huì)有排煙熱量損失、燃燒效率損失等熱量損失。

蒸汽型溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組以高溫蒸汽攜帶的熱量為驅(qū)動(dòng)力，以溴化鋰濃溶液為吸收劑，水為制冷劑。該裝置利用水在低壓低真空狀態(tài)下具有低沸點(diǎn)沸騰的特性，將低溫?zé)嵩粗械臒崃刻崛〕鰜恚糜诓膳蛏钣盟?/p>

電驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵相對(duì)于燃?xì)?、蒸汽吸收式熱泵來說，其能耗成本比較低，但是采用電驅(qū)動(dòng)熱泵，需要增加2×1400kW的電負(fù)荷需求，同時(shí)還需增加水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的電耗。目前，首都機(jī)場(chǎng)電負(fù)荷利用率較高，原配電系統(tǒng)無法滿足用電需求，需增容改造，改造成本很大，而且現(xiàn)狀供熱站變配電室無法滿足增容改造的條件。因此，考慮首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)燃?xì)鈨r(jià)格、蒸汽價(jià)格等因素，最終選用蒸汽型溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組。

3 煙氣余熱深度回收技術(shù)方案

根據(jù)首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)供熱規(guī)模，當(dāng)前集中供熱站內(nèi)安裝了3臺(tái)58MW燃?xì)鉄崴仩t、3臺(tái)75t/h燃?xì)庹羝仩t和1臺(tái)45t/h燃?xì)庹羝仩t。根據(jù)《2015-2018供暖季首都機(jī)場(chǎng)運(yùn)行日?qǐng)?bào)》數(shù)據(jù)可知，集中供熱站鍋爐長(zhǎng)期運(yùn)行1臺(tái)58MW燃?xì)鉄崴仩t和1臺(tái)75t/h燃?xì)庹羝仩t，供暖高峰期再運(yùn)行其他一臺(tái)鍋爐進(jìn)行調(diào)峰。

供暖期間鍋爐供回水溫度依據(jù)見表1。

表1 供暖期供回水溫度表

根據(jù)歷年氣象資料的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，每年11月到次年3月期間室外平均溫度為-0.6℃，供暖期內(nèi)平均供水溫度為88.5℃，平均回水溫度為55℃。

集中供熱站各鍋爐的煙氣經(jīng)過引風(fēng)機(jī)匯入公共煙道后再排入大氣。北側(cè)公共煙道煙氣溫度115℃，南側(cè)公共煙道煙氣溫度150℃；選用深度余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，煙氣溫度115℃、150℃進(jìn)入熱泵系統(tǒng)與70℃左右的煙氣進(jìn)入余熱利用系統(tǒng)相比，前者比后者的熱泵投資初投資要高10%，因此先上一級(jí)換熱器，將煙氣溫度先降至70℃，再進(jìn)入熱泵系統(tǒng)。

燃?xì)忮仩t燃燒產(chǎn)生的煙氣先進(jìn)入煙氣冷凝換熱器，再利用中介水將煙氣中的低溫余熱置換出來，最后中介水進(jìn)入吸收式熱泵機(jī)組，將攜帶的部分熱量傳遞給一次熱網(wǎng)回水。煙氣先后經(jīng)過煙氣換熱器、吸收式熱泵，其溫度可降至30℃。若運(yùn)行過程中煙氣余熱深度回收設(shè)備發(fā)生故障，關(guān)閉煙道及熱網(wǎng)水進(jìn)出口電動(dòng)閥門，則原有供熱系統(tǒng)照常使用。

集中供熱站北側(cè)公共煙道安裝1臺(tái)0.72MW的一級(jí)換熱器和1臺(tái)8.5MW蒸汽型溴化鋰機(jī)組配套直接接觸式換熱器；南側(cè)公共煙道安裝1臺(tái)1.28MW一級(jí)換熱器和1臺(tái)8.5MW蒸汽型溴化鋰機(jī)組配套直接接觸式換熱器。煙氣先經(jīng)過一級(jí)換熱器，溫度由115℃、150℃（北側(cè)公共煙道煙溫115℃，南側(cè)公共煙道煙溫150℃）降至70℃時(shí)，然后再進(jìn)入直接接觸式換熱器，煙氣溫度由70℃降至30℃。經(jīng)過計(jì)算，單套熱泵回收煙氣余熱量3.5MW，共計(jì)9MW。

采用該方案后，鍋爐向環(huán)境中排放的煙氣溫度可降至30℃，比煙氣的露點(diǎn)溫度58℃還要低，所以可以將煙氣中的顯熱和潛熱均回收利用，從而提高了能源利用率，減少了鍋爐排煙損失和天然氣消耗量。此方案能夠最大程度的回收煙氣的顯熱和潛熱，單套機(jī)組最大可吸收煙氣余熱量4.78MW，共回收煙氣余熱9MW；回水溫度可從55℃加熱至近68℃，節(jié)能效果非常顯著。

3.1 熱泵系統(tǒng)

蒸汽溴化鋰機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)如下：

驅(qū)動(dòng)熱源為蒸汽，蒸汽壓力為0.8MPa，蒸汽溫度為170.4℃，凝結(jié)水溫度為90℃，凝結(jié)水壓力為0.05MPa，蒸汽耗量為7.53t/h，余熱回收熱量Q1=3.5MW，額定輸出功率Q=8.5MW，余熱冷水側(cè)設(shè)計(jì)壓力P1=1.0MPa，余熱冷水側(cè)供水溫度t1=25℃，余熱冷水側(cè)回水溫度t2=35℃，余熱冷水側(cè)流量為301t/h，余熱溫水側(cè)設(shè)計(jì)壓力P2=1.6MPa，余熱溫水側(cè)供水溫度t3=67.57℃，余熱溫水側(cè)回水溫度t4=56.32℃，余熱溫水側(cè)流量為650t/h，排煙溫度T=30℃，制熱COPε=1.7。

3.2 熱泵蒸汽系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用蒸汽熱泵溴化鋰機(jī)組，鍋爐房蒸汽參數(shù)為1.05MPa，235℃。新建一蒸汽管道，通過降溫減壓后變?yōu)?.8MPa、170.4℃的蒸汽，將其作為熱泵的驅(qū)動(dòng)熱源。單臺(tái)機(jī)組蒸汽耗量約7.53t/h，共設(shè)置2臺(tái)機(jī)組。進(jìn)入熱泵的蒸汽經(jīng)換熱后變?yōu)?0℃的凝結(jié)水，壓力為0.05MPa，總凝結(jié)水量約15.06t/h。

3.3 余熱水系統(tǒng)

煙氣進(jìn)入余熱回收機(jī)組后，在噴淋換熱器中進(jìn)行換熱，其溫度可降至30℃以下。考慮到煙氣余熱回收裝置的安全性，需要將進(jìn)水溫度和流量控制在合理的范圍內(nèi)。本項(xiàng)目一次熱網(wǎng)回水平均溫度55℃左右，平均流量1300m3/h，故將一次熱網(wǎng)回水作為煙氣余熱回收裝置的冷水。煙氣余熱回收裝置的供水取自鍋爐回水母管除污器后與循環(huán)水泵入口之間直管段上，首先進(jìn)入一級(jí)換熱器換熱，水溫由55℃加熱至56.32℃，然后進(jìn)入余熱回收裝置，經(jīng)再次加熱后熱網(wǎng)回水可達(dá)到67.57℃左右, 最后將熱網(wǎng)回水引入鍋爐。

單套余熱系統(tǒng)配套設(shè)備見表2。

表2 單套余熱系統(tǒng)配套設(shè)備

煙氣余熱回收設(shè)備參數(shù)見表3。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過煙氣余熱深度回收技術(shù)的應(yīng)用，本項(xiàng)目回收煙氣余熱量同改造前相比一個(gè)采暖季可以節(jié)約天然氣約286萬Nm3，但是煙氣余熱回收裝置的增加導(dǎo)致了電耗的增加，約為207.3萬kWh。目前天然氣和電的結(jié)算價(jià)格分別為2.39元/Nm3、0.6元/kWh。經(jīng)過計(jì)算可知，通過加裝煙氣余熱回收裝置，每個(gè)供暖季可節(jié)約天然氣費(fèi)用684.6萬元，增加電耗費(fèi)用約124.4萬元，所以每個(gè)采暖季凈經(jīng)濟(jì)效益預(yù)估可達(dá)560.2萬元。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)煙氣余熱深度回收技術(shù)及其應(yīng)用前景進(jìn)行了介紹，結(jié)合首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)集中供熱站現(xiàn)有鍋爐的狀況，提出了利用一級(jí)換熱器換熱和煙氣余熱回收機(jī)組相結(jié)合的余熱回收模式，最大程度的回收了煙氣的顯熱和潛熱，既降低了排煙溫度，又減少了排煙熱損失。單套機(jī)組最大可吸收煙氣余熱量4.78MW，共回收煙氣余熱9MW；每個(gè)供暖季節(jié)約天然氣量約為286萬Nm3，綜合經(jīng)濟(jì)效益提升560.2萬元，節(jié)能效果非常顯著。

表3 煙氣余熱回收設(shè)備參數(shù)表