吸收式熱泵技術(shù)在燃氣供熱廠煙氣余熱深度回收中的應(yīng)用

延煒

（西安市熱力集團有限責(zé)任公司，陜西 西安 710016）

根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)采暖的節(jié)能、空氣預(yù)熱器等節(jié)能技術(shù)，開展了基于吸收熱泵的煙道深度循環(huán)利用技術(shù)，并根據(jù)某熱力公司的實際情況，進行了節(jié)能經(jīng)濟評價。某熱力公司供熱面積達4580000m2，主要以蒸汽和熱水為主。利用煙道凝結(jié)換熱器、吸收式熱泵為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了利用余熱和顯熱的綜合利用，達到了節(jié)能減排目的。

1 煙氣余熱深度回收技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

在燃煤電廠燃氣鍋爐的煙氣余熱回收方面，已有不少學(xué)者進行了深入的探索。在實際中，為減少由煙溫鍋爐排放的包括顯熱和潛熱在內(nèi)的排氣產(chǎn)生的熱，在鍋爐尾部添加“煙氣-水”式熱交換器或/以及用于在煙道中預(yù)熱和/或空氣的空氣預(yù)熱器，其作用是通過對煙道中的顯熱進行再利用，在某種程度上改善了鍋爐的效能。但在常規(guī)采暖方式中，“煙氣-水”型的采暖方式主要是通過對煙氣中的熱量進行吸熱，并不能有效地回收潛熱。在采暖期間，空氣溫度普遍比煙氣的露點要低得多，利用空氣預(yù)熱器是一種有效的利用方式。但是，空氣預(yù)熱器的不足之處是，當(dāng)煙氣溫度低于露點時，其一側(cè)會出現(xiàn)相轉(zhuǎn)變，而空氣側(cè)則不會出現(xiàn)。所以，僅有少量的煙氣余熱被風(fēng)吸收。煙氣中的蒸發(fā)器氣化潛熱是煙道中的重要組成部分，當(dāng)煙氣的溫度在露點以下時，會有大量的冷凝水沉淀出來，使其產(chǎn)生潛熱。當(dāng)利用回收的汽化潛熱進行加熱管網(wǎng)的回水時，必須保證系統(tǒng)的回水水溫處于低位。而常規(guī)供暖方式中，回?zé)崞鞯幕責(zé)釡囟纫话阍?0～60℃，無法直接使用蒸發(fā)器的汽化潛熱，嚴(yán)重影響了其循環(huán)再利用。利用傳統(tǒng)的廢熱回收技術(shù)，可以降低爐膛中的煙溫至60℃，提高了3%～4%的利用率。由于傳統(tǒng)的煙氣廢熱回收技術(shù)存在局限性，因此，利用吸熱式熱泵來循環(huán)利用煙氣中的熱量。采用吸熱式制冷系統(tǒng)，通過采用高熱量的熱量來生產(chǎn)低溫水，并將其與低溫水進行直接的接觸，從而達到低于30℃的目的。該技術(shù)突破了常規(guī)熱水管網(wǎng)回?zé)岬南拗?，適合高回水率的采暖。在煙氣與低溫冷凝之間，采用噴射式換熱器進行換熱，使其達到最大的換熱效果，并使煙氣中的潛熱和顯熱得到最大化。鑒于煙氣中CO2含量也很高，CO2溶解后，煙氣中的CO2會導(dǎo)致凝結(jié)水呈現(xiàn)酸性，因此，建議增設(shè)一套加堿設(shè)備，以防止腐蝕問題。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)點

（1）煙氣余熱深度回收，排煙溫度低。常規(guī)的循環(huán)工藝，煙氣溫度一般只能降至55℃左右，冷凝熱未被充分回收，通過該系統(tǒng)，煙氣溫度降至30℃，同時，也可以將更多的蒸汽和顯熱的空氣循環(huán)利用起來。

（2）以熱能為動力，節(jié)約電耗。常規(guī)的循環(huán)利用方法，必須采用循環(huán)水泵作替代的換熱器，以提高電能消耗。另外，常規(guī)的循環(huán)方法需要較大的換熱面積和較多的冷凝器，會增加煙氣的阻力，導(dǎo)致煙氣倒煙和煙道振動過大等問題的出現(xiàn)。而利用燃氣的熱能為能源，以溴化鋰為能源，可以實現(xiàn)對溴化鋰的蒸發(fā)與吸附，極大地節(jié)省了能源消耗，解決以上問題。

（3）閃蒸熱阻低。常規(guī)的再生方法大都采用隔墻換熱器，但由于隔墻的導(dǎo)熱系數(shù)較高，而且由于高溫?zé)煔獾那治g，導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降，熱阻增大，但其導(dǎo)熱系數(shù)比隔板要小得多。

（4）溴化鋰水溶液無臭、無毒，使之作為工質(zhì)能夠滿足環(huán)保的要求。溴化鋰的特性是穩(wěn)定的，不會在空氣中溶解，也不會變質(zhì)，遇水后會變成無色的液體，沒有異味，無毒性，對環(huán)境沒有任何污染，完全符合環(huán)保要求。隨著我國燃氣消耗量的不斷增加，如何有效地改善供暖系統(tǒng)的熱效率已成為當(dāng)前迫切需要解決的問題。供暖鍋爐的排煙溫度通常為80℃，如果將其直接排入大氣，不但會造成巨大的能耗損失，而且在供暖季節(jié)，由于煙氣與冷風(fēng)的接觸，會產(chǎn)生白色的煙霧，從而產(chǎn)生導(dǎo)致環(huán)境污染。

2 熱泵在煙氣余熱回收方面的應(yīng)用

熱泵是一種通過熱變換技術(shù)進行廢熱回收再利用的設(shè)備。溴化鋰吸收式熱泵是以水為冷卻劑，溴化鋰溶液為吸附劑，利用高溫?zé)嵩吹膭恿Γ瑢⑵滢D(zhuǎn)化為中溫的熱能，從而提高熱能的利用率。熱泵的工作特性決定著系統(tǒng)能否安全、高效、穩(wěn)定地輸出熱能。蒸發(fā)器：在負(fù)壓的情況下，通過低溫的方式將水分蒸發(fā)，從而獲得熱量。吸收劑：濃縮的溴化鋰溶液，通過吸收低溫水蒸氣，使冷媒發(fā)熱。發(fā)生器：由燃氣、高溫?zé)崴?、蒸汽等熱能來源來對溴化鋰進行加溫，使其在吸收熱能后汽化，經(jīng)稀釋的氯化鋰溶液在濃縮時會產(chǎn)生濃縮的液體，再次進行回收。蒸發(fā)的水蒸氣，即制冷劑，進入一個冷凝裝置。由于熱量的釋放，冷凝器中的濕氣會被凍結(jié)，從而在蒸發(fā)器中產(chǎn)生一個循環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)熱泵功率的不同，可分為吸收熱泵和溴化鋰蒸發(fā)吸收熱泵。電動壓縮熱泵主要由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、氣門等組成。主要工作原理是利用電能作為壓縮機的能源。熱泵的工作液通過蒸發(fā)器吸收蒸發(fā)器的熱量，并將其壓縮成高溫高壓的工作液，用冷卻塔將其加熱后的熱能傳輸?shù)郊訜峋W(wǎng)絡(luò)，然后用節(jié)氣門將其送到蒸發(fā)器。電傳動式壓縮熱泵是一種高效節(jié)能型的新型熱源，它的能耗高、操作成本高、設(shè)備容量低、系統(tǒng)維修難度大。吸收式熱泵是以甲烷的熱量為工作媒介，以溴化鋰和水組成的二元溶液為工作媒質(zhì)，它的工作原理是：液泵管、吸收機、發(fā)電機、凝汽機、汽化器、節(jié)氣門等。氣體的熱量把溴化鋰中的水蒸氣送到一個冷凝裝置，再由一個冷凝裝置把它排放出去，再把它再循環(huán)給使用者；凝結(jié)的蒸汽由節(jié)氣門進行壓縮，由蒸發(fā)器將蒸汽從高溫?zé)煔庵形?。使用燃氣作為熱量的吸收劑，不僅消耗能量少，而且系統(tǒng)的可靠性高，而且一次能量的利用效率高，而且沒有對循環(huán)體的環(huán)境造成的環(huán)境污染，而且操作和維修都比較容易。與燃氣和蒸汽吸收型的熱泵比較，電傳動式的熱泵能耗要小，但采用電傳動式的熱泵，需要增加2×1400kW的功率，并增加水泵、風(fēng)機等設(shè)備的能耗。當(dāng)前，某供熱公司所承擔(dān)的電能比重很高，原有的配電系統(tǒng)無法適應(yīng)供電需求，必須進行擴建，投資巨大，而且現(xiàn)有配電房已無法適應(yīng)擴建的需求。根據(jù)某供熱公司的燃氣及水汽的實際情況，選用了水蒸氣溴化鋰吸附熱泵。目前，國內(nèi)的燃氣資源較為匱乏，采用燃氣－熱水鍋爐的煙氣余熱深度利用技術(shù)，可以使鍋爐的排煙溫度低于30℃，并可通過回收煙道的余熱來提高供暖效率。該系統(tǒng)在一定程度上改善了鍋爐的節(jié)能效果，在理想條件下，單位采暖面積內(nèi)的燃氣消耗量可減少10%。

3 煙氣余熱深度回收技術(shù)方案

根據(jù)某供熱公司供熱能力，現(xiàn)有58MW燃氣熱水鍋爐3套、75t/h燃氣蒸汽鍋爐1套。《2015-2018供暖季某供熱公司運行日報》的資料顯示，供暖期間1套58MW的燃氣熱水鍋爐和1套75t/h的燃氣蒸汽鍋爐在供暖期間不間斷地使用。本文對供暖期間的鍋爐供水進行了分析。根據(jù)歷年來的氣象數(shù)據(jù)，計算出：在冬季，室外溫度為-0.6℃，冬季的平均溫度為88.5℃，冬季供暖時的溫度為55℃。采暖系統(tǒng)的煙塵經(jīng)通風(fēng)管道排出，最終排入空氣。北部公用煙道為115℃，南部公用煙道為150℃；在采用深式廢熱綜合利用系統(tǒng)的方案中，采用115℃和150℃的煙氣引入熱泵，與70℃的煙氣相比，該方法的前期投入要多10%。所以在進入熱泵系統(tǒng)前，要先將煙氣溫度降低到70℃。燃氣鍋爐燃燒后的煙氣通過中介水將其排出，最終通過中間水輸送到吸收式熱泵系統(tǒng)，將其所帶來的熱量轉(zhuǎn)移到一次熱網(wǎng)。煙氣依次通過煙氣換熱器、吸收式熱泵，使煙氣的溫度降低到30℃。如果在運行期間，煙氣余熱回收裝置出現(xiàn)故障，我們可以將煙道和熱網(wǎng)的入口和入口的電動閥門關(guān)閉，那么原有的供暖系統(tǒng)將正常運轉(zhuǎn)。在集中供暖站北面的公用管道上，設(shè)置1個0.7MW的一級換熱器，1個8.5MW的蒸發(fā)器；在南側(cè)的公用管道上，設(shè)置1個1.28MW的一級換熱器，1個8.5MW的蒸發(fā)器，一種是與熱交換器的直接接觸。當(dāng)煙氣從115～150℃（北部公共煙道的煙溫115℃，南部公共煙道的煙溫150℃）至70℃時，經(jīng)過一次換熱裝置，煙塵的溫度從70～30℃降低。經(jīng)過計算，該單機熱泵系統(tǒng)能有效地利用3500萬千瓦的余熱，共計900萬千瓦。采用此工藝，可以將鍋爐排氣的煙溫降至30℃以下，實現(xiàn)了對蒸汽的有效利用，從而實現(xiàn)了節(jié)約能源、減少排放損失、減少燃氣消耗量等目的。此方法能最大程度地恢復(fù)煙道顯熱及潛熱，一套裝置最大可吸收煙道余熱量4.78MW，回收煙道余熱9MW；在此基礎(chǔ)上，對回水管進行了研究，具有很好的節(jié)能效果。

3.1 熱泵系統(tǒng)

溴化鋰蒸汽裝置的主要技術(shù)參數(shù)如下：驅(qū)動熱源－蒸汽、蒸汽壓力0.8MPa、蒸汽溫度170.4℃、凝結(jié)溫度90℃、凝結(jié)壓力0.05MPa、蒸汽消耗7.53t/h、余熱回收Q=3.5MW、額定輸出功率Q=8.5MW、余熱冷卻水側(cè)設(shè)計壓力P1=1.0MPa，余熱冷卻水側(cè)水溫t1=25℃，余熱冷卻水側(cè)回水溫度t=35℃，熱冷卻水流量301t/t，余熱熱水側(cè)計算壓力p2=1.6MPa，余熱熱水側(cè)水溫t=67.57℃，廢熱熱水側(cè)回水溫度T4=56.32℃，剩余熱水側(cè)流量650t/h，排氣溫度T=30℃，Cop Epsilon加熱=1.7。

3.2 熱泵蒸汽系統(tǒng)

該工程使用的是蒸氣熱泵溴化鋰裝置，鍋爐內(nèi)的蒸氣參數(shù)為1.05MPa，溫度為235℃。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一條蒸汽管線，經(jīng)冷卻、減壓后，蒸汽流量達到了0.8MPa，溫度為170.4℃。單機蒸氣消耗量為7.53t/h，共設(shè)兩個裝置。經(jīng)過換熱后，進入熱泵中的蒸汽變成90℃的凝結(jié)水，其壓力為0.05MPa，凝結(jié)水量為15.06t/h。

3.3 余熱水系統(tǒng)

煙氣經(jīng)廢熱回收裝置后，經(jīng)噴淋式換熱器的傳熱，其溫度可低于30℃。為了保證煙氣余熱回收系統(tǒng)的安全運行，必須對入口溫度、流量進行合理的控制。由于該工程一次熱網(wǎng)回水的平均水溫為55℃，平均流量為1300m3/h。煙氣廢熱回收設(shè)備在從鍋爐回水母管除污器和循環(huán)水泵進口的直管部分取水，從55℃升到56.32℃，再進入廢熱回收系統(tǒng)，經(jīng)過再熱處理后，系統(tǒng)回水溫度可達67.57℃，最后通過熱網(wǎng)回水導(dǎo)入鍋爐。表2列出了一套與該系統(tǒng)相配套的設(shè)備。

3.4 經(jīng)濟效益分析

通過對煙道余熱進行深循環(huán)利用，一次供暖季節(jié)可以節(jié)約2860000Nm3的燃氣，而由于煙道廢熱回收設(shè)備的增多，使其能耗達到207.3000kWh左右。當(dāng)前，我國的燃氣、電能價格分別為2.39元/Nm3、0.6元/kWh。經(jīng)測算，在供熱季節(jié)增設(shè)煙塵廢熱回收系統(tǒng)，可節(jié)省燃氣成本684.6萬元，增加電力成本124.4萬元，因此，在每個供暖季節(jié)，實現(xiàn)的凈利將達到560.2萬元。

4 結(jié)語

本文闡述了煙氣余熱的深度回收技術(shù)及應(yīng)用前景，針對某供熱公司現(xiàn)有的實際情況，提出了利用一次熱交換器和煙道廢熱的綜合利用方法，實現(xiàn)了對煙道顯熱和潛熱的最大化利用，實現(xiàn)了對環(huán)境的節(jié)約和減少污染。一套裝置可以最大吸收4.78MW的煙道廢熱，并可將9MW的煙道廢熱進行再利用；供暖期可節(jié)約燃氣2860000Nm3，新增經(jīng)濟效益560.2萬元，達到了十分明顯的節(jié)能效果。本文介紹了一種利用吸收熱泵進行煙氣余熱深度回收的新工藝，并結(jié)合工程實例，對工藝措施、系統(tǒng)工藝進行了簡要的分析。這表明，此工藝具有許多優(yōu)點，可以有效地改善環(huán)境現(xiàn)狀和提升經(jīng)濟效益。