熱泵耦合城市供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

崔朝陽,曹國金，高建民,杜 謙

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

受一次能源儲(chǔ)量、分布和能源發(fā)展等諸多因素制約，占我國能源資源70%的煤，成為我國北方地區(qū)城市傳統(tǒng)的熱源。目前經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)已采用電、天然氣等清潔能源，但無法在我國大面積推廣。冬季供暖以燃煤鍋爐為主是由我國國情所決定、長期無法改變的現(xiàn)實(shí)。因此，對以工業(yè)鍋爐為主體設(shè)備的供暖系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有極大的環(huán)保、節(jié)能及經(jīng)濟(jì)意義。我國是以煤為主要一次能源的經(jīng)濟(jì)大國，發(fā)電及供暖行業(yè)的迅速發(fā)展使得我國煤炭消耗量持續(xù)增長，同時(shí)我國建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的兩型社會(huì)對節(jié)能、節(jié)水、減排提出了明確要求?！豆?jié)水型社會(huì)建設(shè)“十三五”規(guī)劃》中，提出了節(jié)水要求，發(fā)布了19項(xiàng)高耗水行業(yè)取水定額國家標(biāo)準(zhǔn)，其中包括發(fā)電、煤炭行業(yè)。同時(shí)，《“十三五”節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，也提出了節(jié)能要求，將工業(yè)低品位余熱資源創(chuàng)新性地應(yīng)用于城市集中供熱等[1-4]。

冷凝換熱工藝可參考燃?xì)忮仩t的余熱回收技術(shù)路線，在鍋爐運(yùn)行中，存在熱利用率低、煙氣余熱溫度排放過高的問題。僅排煙熱損失就占總熱損失的70%～80%，國內(nèi)外發(fā)展出了大量的余熱回收裝置[5-8]，較為先進(jìn)的有翅片管式、熱管式換熱器，氟塑料換熱器等，但仍以傳統(tǒng)的間壁式換熱方式為主，存在著設(shè)備腐蝕、余熱利用不徹底、造價(jià)高昂等問題。近幾年國內(nèi)出現(xiàn)了直接接觸式換熱方式的余熱回收系統(tǒng)[9]，具有較高的余熱利用率和較好的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。處理對象是濕法脫硫后煙溫52.5 ℃左右的煙氣。

劉少卿[10]在直徑為250 mm的中試直接接觸冷凝塔內(nèi)，對125Y型規(guī)整填料內(nèi)的直接接觸冷凝傳熱過程進(jìn)行了研究。

譚長斌[11]以內(nèi)徑72 mm吸收塔為主體，研究了250X型金屬孔板波紋以及Dg16塑料階梯環(huán)兩種填料內(nèi)水蒸氣與SO2的傳質(zhì)過程。

李雪峰[12]研究了立裝250Y型金屬板波紋填料的流體力學(xué)及傳質(zhì)性能。

趙志強(qiáng)[13]研究了旋轉(zhuǎn)規(guī)整填料床內(nèi)氣相壓降的變化規(guī)律，采用NaOH溶液吸收CO2，測定傳質(zhì)能力。

本文對鍋爐最終排放的濕煙氣進(jìn)行余熱回收，研發(fā)出適用于燃煤鍋爐余熱回收的通用設(shè)備及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，達(dá)到提高熱電廠供暖能力、降低供暖能耗、降低熱源廠燃煤鍋爐耗煤量，并減排NOx、SO2、粉塵，降低供暖及環(huán)保成本。系統(tǒng)匹配方面，對供暖系統(tǒng)中的核心設(shè)備之一吸收式熱泵，通過Aspen Plus仿真的方式進(jìn)行理論計(jì)算，能夠?qū)崿F(xiàn)熱泵的理論設(shè)計(jì)計(jì)算及優(yōu)化運(yùn)行方案。

1 濕煙氣-水換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

搭建填料塔中試試驗(yàn)臺，模擬工程實(shí)際情況，研究煙氣-水逆流換熱過程中填料種類、空塔氣速及液氣比等因素影響下的換熱規(guī)律，以及填料種類、空塔氣速及液氣比等因素影響下的塔壓降規(guī)律。

如圖1所示,試驗(yàn)臺內(nèi)填充規(guī)整填料作為接觸構(gòu)件，塔身為三段式鋼管連接，底部焊接填料支撐板，填料逐層放置其上。填料層頂部安裝填料壓板，防止填料盤竄動(dòng)。噴淋水自水箱經(jīng)液體分布器分布到填料上，氣體自風(fēng)機(jī)從塔側(cè)面送入，直接入塔。填料塔中普遍存在的 “壁流”現(xiàn)象可通過在頂部填料安裝防壁流圈解決。填料塔還存在初始煙氣分布質(zhì)量及初始液體分布質(zhì)量不佳的問題，根據(jù)塔徑及工況設(shè)計(jì)煙氣入塔分布器及液體分布器，并在安裝時(shí)注意塔體調(diào)直及液體分布器調(diào)節(jié)水平，可保證填料塔具有良好的初始液體及氣體分布質(zhì)量，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確。同時(shí)，試驗(yàn)臺配備風(fēng)機(jī)、水泵等輔助設(shè)備，設(shè)計(jì)溫度測點(diǎn)、煙氣流速測點(diǎn)及噴淋水流量測點(diǎn)，和相應(yīng)的流量控制裝置，滿足試驗(yàn)工況所要求的空塔氣速、噴淋水量及測試要求。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖注：1-水床出口煙道；2-回?zé)煹y；3-送煙蝶閥；4-托盤式液體分布器；5-規(guī)整填料；6-水箱；7-填料塔本體；8-U型管；9-浮子流量計(jì)；10-球閥；11-離心水泵；12-離心風(fēng)機(jī)；13-翻板門；14-出水口及水封；V1-煙速測點(diǎn)；T1～T9-溫度測點(diǎn)

2 濕煙氣-水換熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 填料層氣相阻力特性

試驗(yàn)臺搭建及調(diào)試完畢，測量精度滿足要求，在脫硫后煙氣初始溫度、噴淋水初始溫度不同的現(xiàn)場條件下，調(diào)整空塔氣速及液氣比，進(jìn)行各工況下塔內(nèi)煙溫、水溫及填料層阻力的測量。本章為試驗(yàn)研究，結(jié)合壓降數(shù)據(jù)，主要介紹非液泛工況下HX-250Y規(guī)整填料的一維溫度場分布，分析溫度變化規(guī)律。

表1 填料層壓降測量噴淋水量表/m3·h-1

進(jìn)行壓降測量過程中發(fā)現(xiàn)，在0.5～1.5 m/s氣速下，增大液氣比至7 L/Nm3均未發(fā)現(xiàn)液泛現(xiàn)象，而在2.0 m/s氣速下，液氣比增至6.0 L/Nm3時(shí)發(fā)現(xiàn)壓降達(dá)到740 Pa，認(rèn)為以上工況下發(fā)生了液泛現(xiàn)象，并觀察到測溫槍泄流孔處有較多液體流出，說明此時(shí)液相被氣相夾帶發(fā)生逆流現(xiàn)象，至少已經(jīng)發(fā)生了霧沫夾帶液泛。

表2 HX-250Y填料壓降/Pa

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，壓降主要與填料空隙率及煙氣流量相關(guān)，與噴淋密度關(guān)系較小，濕塔壓降范圍在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，變化范圍較小?？紤]到熱態(tài)實(shí)驗(yàn)使用工質(zhì)為煙氣及溫水，受到煙道負(fù)壓及噴淋水量儲(chǔ)存的限制，將工況設(shè)置為空塔氣速0.5～2.0 m/s，對應(yīng)液氣比設(shè)置為1.0～4.5 L/Nm3，在非液泛工況下進(jìn)行后續(xù)溫度場測量。

2.2 填料層內(nèi)溫度分布特性

如圖2所示,2.0 m/s空塔氣速工況下，噴淋水溫度由頂層填料至底層填料逐漸升高，噴淋水初溫為27.5 ℃，最大溫升22.5 ℃，最小溫升7.5 ℃。較小液氣比下，噴淋水溫始終保持上升趨勢，隨液氣比增加，噴淋水溫上升趨勢逐漸平緩，60～120 cm高度填料層基本保持不變；入塔煙氣初溫為52 ℃，在進(jìn)入填料層之前，煙氣與入塔段內(nèi)水滴換熱，造成煙氣在底層填料處溫度下降，且隨液氣比增大，煙氣在入塔段的溫降越大，入填料層溫度越小。煙氣入填料層最高溫度51.5 ℃，最低溫度46.5 ℃，均高于同工況下水溫。液氣比較小時(shí)，煙氣溫度變化較為平緩，隨液氣比增加，煙氣溫降在0～60 cm高度填料層下降趨勢較大，在60～120 cm高度填料層趨于平緩，這與水溫變化反映的規(guī)律是一致的。

圖2 2.0 m/s空塔氣速下塔內(nèi)水溫及煙溫分布

2.3 填料層換熱特性

如圖3所示,0.5 m/s空塔氣速下，隨液氣比增加，煙氣總放熱量增加，并在3.5 L/Nm3液氣比開始趨于平穩(wěn)，穩(wěn)定在0.027 t/h左右，填料段換熱量先增加后減小，在3.5 L/Nm3液氣比達(dá)到最高值0.018 t/h，入塔段換熱量與填料層換熱量趨勢相反；1.0 m/s空塔氣速下，隨液氣比增加，煙氣總放熱量增加，并在3.0 L/Nm3液氣比開始趨于平穩(wěn)，穩(wěn)定在0.058 t/h左右，填料段換熱量先增加后減小，在2.0 L/Nm3液氣比逐漸下降，最大值0.028 t/h，入塔段換熱量與填料層換熱量趨勢相反；1.5 m/s空塔氣速下，隨液氣比增加，煙氣總放熱量增加，在較大液氣比下仍有較明顯的上升趨勢，可達(dá)0.085 t/h左右，填料段換熱量存在先增加后減小再增加再減小的趨勢，在3.0 L/Nm3液氣比下達(dá)到最大值0.052 t/h，入塔段換熱量與填料層換熱量趨勢相反；2.0 m/s空塔氣速下，隨液氣比增加，煙氣總放熱量增加，在3.0 L/Nm3后趨于平穩(wěn)，可達(dá)0.11 t/h左右，填料段換熱量存在先增加后減小的趨勢，在2.5 L/Nm3液氣比下達(dá)到最大值0.067 t/h。

圖3 HX-250Y填料塔內(nèi)換熱情況(初始水溫27.5 ℃/煙溫52.0 ℃)

3 吸收式熱泵Aspen Plus仿真

3.1 填料塔-吸收式熱泵耦合技術(shù)路線

通過增設(shè)填料塔及熱泵機(jī)組來回收煙氣余熱用于供暖，回收凝結(jié)水用于系統(tǒng)補(bǔ)水，降低排煙溫度并減輕煙囪冒白煙的現(xiàn)象。根據(jù)鍋爐額定負(fù)荷設(shè)計(jì)填料塔，根據(jù)鍋爐負(fù)荷及熱網(wǎng)的調(diào)研情況進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增設(shè)逆流填料塔使燃煤鍋爐脫硫后的煙氣溫度降低。

3.2 吸收式熱泵仿真計(jì)算

利用Aspen繪制了節(jié)能節(jié)水技術(shù)流程圖；參考文獻(xiàn)進(jìn)行熱泵系統(tǒng)的物熱平衡計(jì)算，確定各流股及設(shè)備的溫度、壓力及組分參數(shù)；得到了仿真結(jié)果。

圖4中，流股1～12代表熱泵內(nèi)部LiBr溶液及冷劑(水)，13代表驅(qū)動(dòng)蒸汽，17代表熱網(wǎng)水，15代表余熱水；B1及B2組成發(fā)生器，利用飽和蒸汽的熱量，將稀溶液部分冷劑(水)蒸發(fā)，濃溶液與水蒸氣分離，水蒸氣進(jìn)入冷凝器B3變?yōu)槟Y(jié)水并將熱網(wǎng)水再次升溫，之后凝結(jié)水經(jīng)B4膨脹閥變?yōu)槠旌衔镞M(jìn)入B5蒸發(fā)器，提取余熱水的熱量再次變?yōu)樗魵猓@部分水蒸氣及濃溶液一同進(jìn)入由B6、B9組成的吸收器，放出吸收熱，對熱網(wǎng)水進(jìn)行初次升溫，混合后變?yōu)橄∪芤航?jīng)溶液泵B10進(jìn)入發(fā)生器，完成循環(huán)；熱泵內(nèi)部通過B7、B11組成的溶液熱交換器進(jìn)行濃溶液向稀溶液的放熱Q1，稀溶液升溫、濃溶液降溫有利于促進(jìn)稀溶液在發(fā)生器內(nèi)沸騰及吸收器內(nèi)的水蒸氣吸收放熱過程。

圖4 第Ⅰ類LiBr吸收式熱泵流程圖

仿真過程：(1)Properties設(shè)定。使用Eiecnrtl方法電離LiBr溶液，Steamnbs方法應(yīng)用于自由水，使用Aspen自帶的Elec Wizard設(shè)定組分，如圖2所示；(2)搭建流程圖，如圖1所示；(3)Simulation設(shè)定。各流股(Steams，1～19)的溫度、壓力、流量及組分的輸入，注意流股的熱力狀態(tài)(液相、氣相或混合相)；各設(shè)備(Blocks，B1～B15)的溫度或壓力設(shè)定，熱力狀態(tài)設(shè)定。仿真結(jié)果見表3。

表3 Blocks，B1～B15的溫度或壓力設(shè)定

計(jì)算換熱量：COP為1.704。在仿真過程中，需要調(diào)整閃蒸罐的汽化分率滿足水蒸氣流量要求，調(diào)整蒸汽流量滿足熱量平衡要求，認(rèn)為除驅(qū)動(dòng)蒸汽、冷劑節(jié)流閥及蒸發(fā)器出口以外均為嚴(yán)格液相，否則存在氣相條件下，LiBr溶液的濃度無法定義，會(huì)造成誤差。

表4 換熱量情況

4 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研發(fā)了濕煙氣-水直接接觸式換熱器，用于濕法脫硫后低溫高濕煙氣處理，回收煙氣中的水分及余熱，并通過Aspen Plus仿真計(jì)算進(jìn)行了填料塔-吸收式熱泵耦合技術(shù)路線開發(fā)，完成了濕煙氣節(jié)能節(jié)水系統(tǒng)匹配。主要結(jié)論如下：

(1)填料塔可回收煙氣中50%以上的余熱，可提高鍋爐效率10%以上；與同類噴淋塔直接接觸式換熱器相比，填料塔具有低液氣比(約降低50%)、高換熱系數(shù)的特點(diǎn)，同時(shí)系統(tǒng)具有大溫差、小流量、低阻力的特性，可減小設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用。

(2)確定了規(guī)整填料塔的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)：空塔氣速2.0 m/s，液氣比4.0 L/Nm3，噴淋水初始水溫27.0 ℃，填料型號HX-250Y，填料層厚度1.2 m。

(3)LiBr型第一類吸收式熱泵與填料塔耦合，COP系數(shù)可達(dá)1.704，可實(shí)現(xiàn)提高熱電廠供暖能力、降低供暖能耗、降低熱源廠燃煤鍋爐耗煤量的目標(biāo)。