燃氣蒸汽聯合循環機組煙氣余熱深度回收技術的研究與應用

周軍橋

【摘 要】燃氣蒸汽聯合循環機組煙氣余熱深度回收技術是一種利用專利技術深度回收煙氣余熱的前沿技術。通過熱交換系統和熱泵系統，可同時回收煙氣中的顯熱和潛熱，實現煙氣余熱的深度回收。該技術已在北京未來科技城能源中心成功實施，節能減排效果顯著，具有很大的推廣價值。

【關鍵詞】燃氣電廠 煙氣余熱 深度回收

當今社會，環境污染和能源危機已成為威脅人類生存的頭等大事，如何解決這一問題，已成為全人類的課題。隨著世界各國對環境問題越來越重視，節能減排力度越來越大，天然氣作為清潔能源的優點日益突出，天然氣發電也迎來了快速發展的時期。然而，我國天然氣儲量少，對外依賴度高，天然氣的高效利用不僅符合我國節能減排的需要，也關系到國家整體能源安全。

燃氣電廠作為天然氣主要用戶，普遍存在排煙溫度較高的問題，一般為80～110℃，排煙熱損失約占聯合循環輸入總能量的10～15%，這不僅提高了電廠的運行成本，浪費了大量可貴的優質清潔燃料，又給天然氣供應緊張的局面帶來不利影響。降低燃氣電廠排煙溫度、提高天然氣利用效率，是有效緩解天然氣供應緊張、促進節能減排的有效手段。

燃氣蒸汽聯合循環機組煙氣余熱深度回收技術正是基于排煙溫度較高、熱損失較大而專門研究開發的一種新型專利技術。通過在余熱鍋爐尾部設置煙氣余熱深度利用裝置，將煙氣溫度降至露點以下，深度回收煙氣中顯熱和潛熱，提高聯合循環機組最大供熱量20%～25%，提高機組熱效率7%～10%。另外，煙氣余熱深度回收技術采用直接接觸式換熱，冷凝水可同時吸收部分CO2、NOX等酸性氣體，可有效減少CO2、NOX等大氣污染物排放，降低了PM2.5含量，節能減排效果顯著。

1煙氣余熱深度回收技術基本原理

燃氣電廠排放的煙氣中含有大量的顯熱和潛熱，進行煙氣余熱回收利用已得到業界廣泛的認可，并在多個燃氣電廠進行實施。傳統的煙氣余熱回收技術主要是通過間壁換熱的方式，即煙氣通過換熱管壁將熱量傳遞給冷水，加熱冷水的同時煙氣的溫度也得以降低，這種換熱方式的傳熱系數不高，一般低于80W/m2.K。這種傳統的煙氣余熱回收技術僅能回收部分顯熱，大量的潛熱無法回收，因而在降低煙氣溫度、回收顯熱的同時，將煙氣中的水蒸氣潛熱充分回收才能做到真正意義上的煙氣余熱回收。

燃氣電廠排放的煙氣中水蒸氣處于未飽和狀態，要回收這部分水蒸氣的潛熱，則必須通過降溫使水蒸氣冷凝析出，才能盡可能多的利用煙氣余熱。燃氣電廠排放的煙氣，其露點溫度一般在55～60℃，要想回收煙氣中水蒸氣潛熱，則必須將煙氣溫度降低至對應的露點溫度以下。因此，這就要求煙氣余熱回收裝置必須具備較強的換熱能力，將煙氣溫度降低到足夠低的溫度，才能充分回收煙氣中的顯熱和潛熱。

燃氣蒸汽聯合循環機組煙氣余熱深度回收技術的基本原理是在燃氣熱電聯產機組的余熱鍋爐之后設置煙氣冷凝換熱器，利用余熱鍋爐尾部低溫煙氣的余熱進行深度換熱，即進一步降低常規余熱鍋爐的排煙溫度，從約90℃降低到約30℃左右，同時由于煙氣中含有水蒸氣，當煙氣溫度低于水蒸氣的冷凝溫度時，水蒸氣將釋放出大量的汽化潛熱，同時凝結成液態水。通過中間介質，置換出煙氣中的低溫余熱，利用吸收式熱泵技術將低溫余熱加熱供熱回水，大幅提升了熱電聯產機組的能源利用效率。

本技術方案中采用的煙氣余熱回收裝置是一種自主研發的新型直接接觸式換熱器。本換熱器不同于傳統的間壁式換熱器，煙氣和水不再像傳統的換熱器那樣在分開的空間中流動，通過管壁進行換熱，而是在換熱器的容腔中直接接觸，通過循環的冷卻水噴淋的方式直接和流動的高溫煙氣接觸換熱。由于煙氣和水直接接觸，所以這種換熱方式具有很高的換熱效率，可將煙氣溫度降至露點溫度以下；同時，由于煙氣和水直接接觸，利用水的沖刷作用，能有效降低煙氣中CO2和NOx成分。

2 煙氣余熱深度回收技術的應用

2.1項目建設背景

未來科技城是中央和國務院為深入貫徹落實建設創新型國家和中央引進海外高層次人才“千人計劃”而建設的人才創新創業基地和研發機構集群。北京未來科技城能源中心以熱電為基礎，建設分布式區域能源中心、多功能蓄能調峰中心和分布式能源中心，通過智能一體化控制，優先使用可再生能源及余熱資源，實現能源的梯級、綜合高效利用，充分體現未來科技城“低碳、節能”之城；“創新、科技”之城的總體定位。

在建設節約型社會的背景下，隨著全國供熱體制改革的深入，節能降耗已成為全國熱力系統發展的緊迫要求。熱電聯產集中供熱是城市采暖供熱的主要方式，與其它供熱方式相比， 由于能耗低、經濟性好，因此是未來城市供熱發展的主要方向。

通過深入研究和分析目前熱電聯產集中供熱系統存在的問題及其節能潛力，2007年清華大學在世界上首次提出吸收式換熱循環（Co-ah循環）的概念并提出“基于吸收式換熱的新型熱電聯產集中供熱技術”（發明專利號：ZL 200810101065.X，以下簡稱新技術）。作為相關專利的共同專利權人，2008-2010年，北京華源泰盟科技發展有限公司與清華大學開展深度合作，相繼開發出“吸收式換熱機組”和“電廠余熱回收專用熱泵機組”等專利新產品。使得Co-ah循環從理論構想到工程實踐邁出了關鍵的一大步。

2.2項目實施情況

北京未來科技城能源中心新建1套200MW級聯合循環供熱機組，通過在能源中心建設煙氣余熱深度回收示范項目，實現全國首例大型燃氣蒸汽聯合循環機組煙氣余熱熱深度回收，技術方案簡要描述為：余熱鍋爐尾部低溫煙氣進入煙氣余熱回收裝置，通過噴淋換熱加熱中間介質，被加熱的中間介質進入吸收式熱泵作為低溫熱源加熱供熱回水，熱網回水由43℃被加熱到80℃左右再進入熱網加熱器，經熱網加熱器二次加熱后用于未來科技城區域集中供熱。經過煙氣余熱回收裝置的煙氣由90℃降低到33℃，通經煙囪排至大氣。燃氣電廠煙氣余熱深度回收系統流程圖如圖1。

圖1 燃氣蒸汽聯合循環機組煙氣余熱深度回收技術流程圖

項目實施后，節能減排效益顯著，回收的余熱量最大可達50萬GJ/采暖季，可最大增加供熱面積100 萬平方米，折合年減少CO2排放6萬噸、年減少NOx 排放26.5 噸。

3 技術方案分析

3.1系統簡介

煙氣余熱深度回收系統主要包括余熱塔煙氣系統、加熱蒸汽系統，熱網水系統、中介水系統及疏水系統。

3.1.1煙氣系統

煙氣系統包括煙道、煙氣增壓風機、煙氣余熱利用吸收塔、煙囪等。

為克服煙氣余熱吸收塔增加的煙氣阻力，煙氣系統設置了煙氣增壓風機。本項目煙氣系統設置1臺增壓風機，設置在煙氣余熱吸收塔與煙囪中間。煙氣的流程為：余熱鍋爐出口煙氣由原有煙囪抽出，通過增加風機進入到煙氣余熱吸收塔，在煙氣余熱吸收塔中，煙氣中的熱量被中介水吸收，溫度由89℃降低為33℃，最后煙氣通過煙氣深度余熱利用系統返回原煙囪排入大氣。煙氣余熱利用吸收塔主要參數見表1。

表1 煙氣余熱利用吸收塔主要參數

序號 參數 單位 數值

1 入口煙氣溫度 ℃ 89

2 出口煙氣溫度 ℃ 33

3 煙氣流量 kg/s 525.407

4 垂直段外形尺寸 m Φ15×26

3.1.2熱網水系統

煙氣余熱深度回收系統熱網水側和聯合循環機組熱網站串聯設計。自廠外的43℃熱網回水首先進入煙氣深度余熱利用系統的余熱利用專用機組，吸熱升溫至約80℃后引至聯合循環機組熱網站繼續加熱，加熱至120℃后對外供出。

煙氣深度余熱利用系統熱網水側設置有旁路，即煙氣深度余熱利用系統如發生故障，也不會影響聯合循環機組熱網系統的正常運行。

3.1.3中介水系統

中介水系統用于連接熱網水和煙氣以實現兩者之間能量的轉換。

中介水系統包括中間介質水循環泵、吸收式的熱泵換熱機組、補水定壓系統以及相應的供回水管道等。吸收式熱泵機組主要參數見表2。

中介循環水經中介水循環泵升壓后進入余熱回收專用機組，通過熱泵技術，將中介循環水從煙氣中吸收的余熱傳遞給熱網循環水，被冷卻后的低溫中介循環水再進煙氣余熱吸收塔繼續吸收煙氣的余熱，實現閉式循環。

表2 吸收式熱泵機組主要參數

序號 參數 單位 數值

1 機組供熱能力 MW 28

2 入口蒸汽壓力 MPa 0.3

3 入口蒸汽溫度 ℃ 165

4 入口蒸汽流量 t/h 23.8

5 出口凝水溫度 ℃ 70

6 熱水進口溫度 ℃ 43

7 熱水出口溫度 ℃ 75.6

8 電負荷 kW 50

9 單臺設備外形尺寸 m 12×4.5×8

3.1.4蒸汽及其疏水系統

蒸汽及其疏水系統包括加熱蒸汽管道、疏水管道、疏水泵等。

吸收式的熱泵技術特點是通過蒸汽驅動熱泵，從冷媒水中獲得熱量。從主廠房的蒸汽管道上引一路蒸汽至吸收式熱泵換熱機組。加熱蒸汽在熱泵換熱機組內被冷凝成疏水，疏水再通過疏水泵輸送回到主機的凝結水系統。

3.2關鍵技術解決措施

煙氣余熱深度回收的關鍵技術有三點，一是直接接觸式換熱器在換熱效率和換熱能力方面的設計；二是煙氣冷凝水呈酸性，如何處理；三是煙氣系統設計及燃機背壓保護。

3.2.1直接接觸式換熱器

煙氣余熱深度回收裝置是燃氣蒸汽聯合循環機組煙氣余熱深度回收系統的關鍵。我公司開發了高效、低能耗的煙氣余熱噴淋換熱技術，該技術將中介水通過換熱裝置噴淋系統彌散為小的液滴，液滴與進入換熱裝置的煙氣逆流接觸實現傳熱和傳質，在這個過程中中介水溫度逐漸升高，煙氣溫度逐漸降低，從而實現聯合循環排煙余熱的回收。在進行余熱回收的同時，通過噴淋直接接觸換熱將煙氣溫度降至露點以下，煙氣中的部分水凝結下來隨噴淋液回收至儲液池，從而實現了煙氣中水的回收。

通過理論研究，并且在小型燃氣鍋爐房進行煙氣余熱回收試驗，得到換熱系數、布風、布水等多方面的數據，為燃氣電廠煙氣余熱回收裝置提供了設計依據。

3.2.2煙氣冷凝水的無害化處理及排放

天然氣煙氣回收過程中會產生大量的冷凝水，同時由于煙氣中SO2、NOx等溶入水中，使水呈弱酸性。這種水如果在系統內循環，會對機組產生嚴重腐蝕；如果直接排放，也會對環境產生較大影響。

通過采用酸堿中和的方式處理冷凝水，并研發了一種自動加堿裝置，可以在冷凝水產生過程中，對水質進行中和，從而實現無害化處理，使產生的冷凝水無論是繼續參與內部循環還是直接排放或者回收再利用，都可以順利進行。

3.2.3煙氣系統設計及燃機背壓保護

煙氣系統包括煙道、煙氣增壓風機、煙氣換熱裝置、擋板門、旁路煙道等。煙氣的流程為：余熱鍋爐出口煙氣由原有煙囪下部引出，引出的煙氣經過增壓風機增壓后進入煙氣換熱裝置。在煙氣換熱裝置中，煙氣中的熱量被噴淋中介水吸收，溫度由89℃降低為33℃。降溫后的煙氣經過出口煙道進入原煙囪排入大氣。

本項目在煙氣換熱裝置進出口連接煙道設置擋板門，以便于在換熱裝置停運時實現換熱裝置煙氣系統與聯合循環煙氣系統的隔離。由于換熱裝置進出口均設置有擋板門，為防止擋板門誤動作以及增壓風機故障時產生燃機運行背壓升高，在換熱裝置系統中增加了旁路煙道，以保證主機的運行可靠性。在旁路煙道中設置快開擋板門，可以避免風機故障時產生的煙氣流動不暢、燃機背壓升高等問題，以達到提高聯合循環機組運行安全穩定性的目的。快開擋板執行機構為電動執行機構，確保10s內擋板門可開啟泄壓。

4 應用效果及分析

未來科技城煙氣余熱深度回收示范工程于2014年12月完成一期工程的建設，并對余熱回收系統進行了運行測試。測試期間煙氣余熱回收裝置、兩臺48MW吸收式熱泵機組全部啟動，配套中介水循環泵、疏水泵、增壓風機等也相應運行。

測試期間，分別對單臺熱泵的運行參數、兩臺熱泵的運行參數及相應的煙氣參數、中介水參數、熱網水參數、蒸汽參數等進行測試。

4.1測試數據處理

（1）測試數據以每一工況穩定時間區域為有效時段。

（2）對于同一參數多重測點，采取算數平均法。

4.2主要計算公式

（1）熱泵COP計算：

COP=QXS/QSY

式中：QXS—熱網水循化水增加熱量（kJ/h）

Qsy—驅動蒸汽輸入熱量（kJ/h）

（2）熱網水系統壓損計算：

△P=Prwr-Prwc

式中：△P—余熱系統熱網水系統壓損（MPa）

Prwr—預熱系統入口熱網水母管壓力（MPa）

Prwc—余熱系統出口熱網水壓力（MPa ）

4.3測試結果（見表3、表4）

表3 煙氣余熱深度回收熱力系統測試結果

序號 名稱 單位 單熱泵運行 雙熱泵運行

1 熱網水流量 t/h 950.545 1466.614

2 熱網水阻力 MPa 0.132 0.154

3 熱網水增能 MW/h 20.888 35.592

4 熱泵進汽壓力 MPa 0.168 0.173

5 熱泵進汽溫度 ℃ 143.474 141.150

6 熱泵進汽蒸汽能降 MW/h 13.542 21.075

7 1#熱泵中介水阻力壓損 MPa / 0.034

8 2#熱泵中介水阻力壓損 MPa 0.070 0.070

9 試驗熱泵組回收熱量 MW 7.35 14.52

10 試驗熱泵組COP值 1.54 1.69

11 修正后熱泵回收熱量 MW 12.56 25.33

12 修正后熱泵組COP值 1.83 1.84

表4 煙氣余熱深度回收煙氣系統測試結果

序號 名稱 單位 單熱泵運行 雙熱泵運行

余熱利用吸收塔入口

1 氧量 % 15.3 15.3

2 CO ppm 0 0

3 NOx ppm 6 6

4 NOx（實測） mg/m3 12.3 12.3

5 NOx（15%氧量） mg/m3 12.5 12.5

6 NO2 mg/m3 0.63 0.63

7 溫度 ℃ 75.0 100.7

余熱利用吸收塔出口

1 氧量 % 15.3 15.4

2 CO ppm 0 0

3 NOx ppm 5 5

4 NOx（實測） mg/m3 10.3 10.3

5 NOx（15%氧量） mg/m3 10.5 10.6

6 NO2 mg/m3 0.52 0.53

7 溫度 ℃ 40.9 40.2

4.4測試結果分析

（1）熱泵在試驗工況下的運行邊界條件與熱泵的設計邊界參數是不同的，為了得到準確的熱泵在設計邊界參數下的性能，根據設備廠商提供的熱泵設備在外界參數變化時的修正曲線，將試驗結果進行修正。修正后的結果如下：投運兩臺熱泵時，熱泵機組的COP為1.84，回收熱量為25.33MW；僅投運一臺熱泵時，熱泵機組的COP為1.83，回收熱量為12.56MW。

（2）通過對煙氣系統進行測試，在原有煙氣排放達標的基礎上，NOx可進一步去除16.7%。

5 系統評價

經過運行測試，燃氣蒸汽聯合循環機組煙氣余熱深度回收技術不僅可以提高能源利用效率，有效降低運行成本，同時還能減少NOx排放，降低對環境的污染，節能減排效果顯著。本技術為自主研發，已獲得國家專利，專利號：ZL 200810101065.X。

項目投產后，將大大緩解由于城市快速發展帶來的供熱缺口，對北京東北郊地區供熱提供了有利的保證。同時，本項目可收集冷凝水約11.5萬噸/年，相當于減少了電廠的用水量。另外，由于降低了煙氣排煙溫度，回收了大量水蒸氣，防止煙囪冒白煙現象，降低對周邊環境的影響。

此外，本項目還產生大量節能效益和環境效益，在提供清潔電力和熱能的同時（扣除新增電耗），折合節約天然氣耗量1589.39萬Nm3/年，節約標準煤1.93萬噸/年，減少燃煤帶來的污染，大大降低粉塵、SO2、NOx等大氣污染物，減少了溫室氣體CO2的排放，減排CO2 6萬噸/年；項目還對煙氣中的冷凝水進行回收，對NOx進行處理，經之前項目實際測試可使煙氣內NOx含量進一步降低16.7%左右。預計可實現減排NOx 26.11噸/年左右，對北京市控制大氣污染、降低PM2.5水平，緩解北京市環境壓力有十分積極作用，從資源再生利用和環境保護方面做出積極貢獻。

6 結語

燃氣蒸汽聯合循環機組煙氣余熱深度回收技術是利用原本排空的煙氣余熱，通過特有的換熱設備，充分回收煙氣中的顯熱和潛熱，實現煙氣余熱的深度回收。煙氣余熱深度回收技術在未來科技城能源中心的成功實施，不僅為該地區供熱提供了有利的保證，為投資者帶來了良好的經濟效益，并為北京的天然氣供應、環保排放做出了積極貢獻。

根據上述分析，燃氣蒸汽聯合循環機組煙氣余熱深度回收技術很適合應用于燃氣電廠，尤其是需要供熱的熱電聯產燃氣電廠，采用該技術后，電廠的運行模式要遠遠優于傳統的運行模式。煙氣余熱深度回收技術可實現供熱系統及能源消耗的優化，將能源利用效率發揮到最大狀態，以達到節約資金和保護環境的目的。

開發利用余熱資源，在提高能源利用效率的同時，減少污染，保護環境，是北京市推進節能降耗、保護環境及可持續發展的重要戰略。本項目的成功實施，對在北京地區推廣使用燃氣蒸汽聯合循環機組煙氣余熱深度回收技術起到了良好的示范作用。

參考文獻：

[1]馮亦武，陳志剛.燃氣蒸汽聯合循環機組余熱利用及控制技術研究.發電行業資源綜合利用大會，2013.08：152-158.

[2]周聰，王正興，賈向東 等.燃氣供熱鍋爐房煙氣余熱深度回收技術應用及分析.發電行業資源綜合利用大會.2013.08：176-180.

[3]張瑞青，楊旭昊，王雷.不同抽汽工況下供熱機組熱經濟性分析.熱力透平，2011.03（1）：70-72.