燃氣電廠噴淋冷凝式余熱深度回收利用系統的應用分析

王彥琳 陳振

（北京京能未來燃氣熱電有限公司，北京 102209）

燃氣電廠噴淋冷凝式余熱深度回收利用系統的應用分析

王彥琳 陳振

（北京京能未來燃氣熱電有限公司，北京 102209）

針對燃氣-蒸汽聯合循環機組余熱鍋爐尾部受熱面在煙氣結露情況下會發生腐蝕，難以回收煙氣潛熱的問題，本文介紹了一種基于噴淋冷凝式的余熱深度回收利用系統。噴淋塔噴淋的冷水與煙氣直接接觸換熱，回收煙氣中大部分顯熱和潛熱，并通過吸收式熱泵將吸收的熱量用于對一次熱網回水的加熱，從而達到節能減排的目的。

煙氣余熱回收；噴淋冷凝式；煙氣潛熱；煙氣露點

1 研究背景

1.1 余熱利用技術的意義及發展歷史

節能減排是我國經濟和社會發展的一項長遠戰略方針，也是一項極為緊迫的任務。回收余熱降低能耗對我國實現節能減排、環保發展戰略具有重要的現實意義。同時，余熱利用在改善勞動條件、節約能源、增加生產、提高產品質量、降低產品成本等方面起著較大作用，已經成為工業生產中不可分割的重要組成部分。在能源問題已成為經濟社會發展瓶頸的今天，提高能源利用率，回收低位煙氣余熱，將其作為二次能源資源化利用，已成為我國節能減排戰略中最具潛力的研究方向。余熱深度回收技術作為國家發展改革委員會第三批重點節能技術推廣目錄發布，充分彰顯了此項技術的發展潛力。“低位煙氣余熱”是指現階段尚未回收利用的、廢棄的、高于環境溫度的、仍具有進一步回收利用價值的煙氣熱能。低位煙氣余熱深度回收對提高設備熱效率具有顯著作用。對于燃氣鍋爐，在未發生冷凝的條件下，排煙溫度每降低20℃，燃料利用率可提高大約2%；在發生冷凝的條件下，當煙氣溫度從60℃降低至40℃時，燃料的利用率大約提高8%［1］。

1.2 余熱利用技術的發展歷程

①2000年開始研究煙氣余熱回收技術。2001年，在清華大學推出熱電聯產技術；2005年，在清華大學超低能耗示范樓建立熱電冷三聯供系統（間壁式換熱器）；2008年，北京南站運用了熱電冷三聯供系統（間壁式換熱器）。

②2010年天津西站項目。開發出專用于煙氣余熱深度回收項目的吸收式熱泵（采用間壁式換熱器）。

③2011年東壩鍋爐房煙氣余熱回收項目。該技術首次應用于燃氣鍋爐煙氣余熱回收（采用直接接觸式換熱器）。

④2012-2013年北京市科委兩大示范工程。應用于總后干休所鍋爐房、竹木廠小區鍋爐房（采用直接接觸式換熱器、一體化設計）。

⑤2014年開始推廣燃氣電廠噴淋冷凝式余熱回收利用系統。該技術首次應用于未來燃氣熱電廠煙氣余熱回收項目（噴淋冷凝式余熱深度回收利用）。

2 燃氣電廠噴淋冷凝式余熱深度回收利用實例分析

2.1 項目簡介

本煙氣余熱深度利用是在一套E級聯合循環機組余熱鍋爐之后設置一座直接接觸式換熱塔，機組余熱鍋爐的排煙全部通過換熱塔，與中介水接觸回收熱量，直接接觸式換熱技術采用噴嘴噴淋中介水與煙氣混合，通過熱煙氣與噴淋中介水的直接接觸傳熱實現煙氣余熱熱量的回收，回收熱量設計值為48MW，回收的熱量通過蒸汽驅動的熱泵實現余熱利用，以加熱熱網水，共安裝4臺（一期2臺）供熱量為28MW/臺的吸收式熱泵機組。

2.2 深度余熱利用原理及各組成系統介紹

整個煙氣余熱系統的原理是在余熱鍋爐之后設置深度利用煙氣冷凝換熱器，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89℃降低到33℃。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。通過中介水，置換出煙氣的低溫余熱，將中介水由28℃加熱到38℃并使其進入吸收式熱泵。43℃的熱網回水利用吸收式熱泵技術在驅動蒸汽作用下吸收中介水的熱量，轉化為80℃的熱網供水。煙氣余熱深度利用系統如圖1所示。

圖1 煙氣余熱深度利用系統圖

余熱鍋爐排放煙氣經深度利用后煙氣溫度降低，煙氣中的水分部分凝結后回收用作廠內循環水補水，減少了電廠的用水量。因此，本系統對節能、節水、提高系統的綜合利用效率都有重要意義。

煙氣余熱深度利用系統主要包括余熱塔煙氣系統（IGCC工藝）、加熱蒸汽系統，熱網水系統、水系統（中介水系統及疏水系統）。

2.2.1 煙氣系統。煙氣系統包括煙道、煙氣增壓風機、煙氣余熱噴淋塔、擋板門等。煙氣的流程為：余熱鍋爐出口煙氣由原有煙囪下部抽出，抽出的煙氣經過增壓風機增壓后進入煙氣余熱噴淋塔底部，由下至上經過余熱噴淋塔，經風道至原煙囪上部排出，在余熱噴淋塔進出口連接煙道設置擋板門，以便于在余熱噴淋塔停運時實現余熱噴淋塔煙氣系統與聯合循環煙氣系統的隔離。在余熱噴淋塔中，煙氣中的熱量被噴淋中介水吸收，溫度由89℃降為33℃。

與常規的聯合循環機組相比，在聯合循環機組余熱鍋爐尾部設置余熱噴淋塔增加了煙氣的流動阻力，造成燃機背壓升高［2］。為避免增設余熱噴淋塔對聯合循環系統中煙氣流動阻力的影響，在余熱噴淋塔前設置了增壓風機，克服余熱噴淋塔系統新增的阻力損失，保證煙氣流動的通暢。煙氣主要設計參數如表1所示。

表1 煙氣主要設計參數

2.2.2 水系統。余熱噴淋塔水系統包括噴淋裝置（見圖2）、集水槽。余熱噴淋塔水系統流程為：噴淋中介水自廠內熱泵機組余熱回收后進入余熱噴淋塔系統，中介水進入余熱噴淋塔中噴淋裝置后通過噴嘴霧化為小液滴，噴淋液滴與煙氣直接接觸換熱實現煙氣余熱的回收，經過煙氣加熱的液滴在重力作用下落入設置在余熱噴淋塔底部的集水槽中。余熱噴淋塔集水槽設置有出水口，集水槽中的中介水通過中介水泵進入熱泵裝置進行余熱回收。由于煙氣中含有水蒸氣，中介水噴淋液滴與煙氣逆流接觸換熱過程中，煙氣中的水蒸氣將發生部分冷凝，釋放出一定量的汽化潛熱，同時凝結成液態水。該部分凝結液態水與中介水混合，送出塔后作為中介水。隨著運行時間的增加，冷凝水量增加，運行過程中通過排出多余的中介水實現循環中介水量的穩定，排出的中介水送往循環水系統作為循環水補水。中介水參數如表2所示。

圖2 噴淋塔中介水噴淋層布置圖

表2 中介水參數

表3 實際運行與設計參數對比表

2.2.3 熱網水系統。煙氣深度余熱利用系統熱網水側和聯合循環機組熱網站串聯設計。自廠外的40℃熱網回水首先進入煙氣深度余熱利用系統的余熱利用熱泵機組，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若發生故障，也不會影響聯合循環機組熱網系統的正常運行。

經煙氣深度余熱利用系統，熱網水側壓降不大，不需設置熱網循環水升壓泵。

2.2.4 吸收式的熱泵換熱機組。吸收式熱泵以高溫熱源驅動，把低溫熱源的熱量提高到中溫，從而提高系統能源的利用效率。

圖3為單效溴化鋰吸收式熱泵的工作原理：熱泵由發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器、溶液熱交換器、節流裝置、溶液泵及冷劑泵等組成；為了提高機組的熱力系數，還設有溶液熱交換器；為了使裝置能連續工作，使工質在各設備中進行循環，因而，還裝有溶液泵、冷劑泵及相應的連接管道、閥門等。

圖3 吸收式的熱泵換熱機組

2.3 實際運行與設計參數對比

通過表3可以看出實際出力未達到設計值，具體是因為：①由于區域能源是獨立的熱網，熱網回水溫度比較難控制，熱網回水溫度高于設計值；②由于北京京能未來燃氣熱電有限公司投入外置式擴大省煤器運行，使煙氣溫度提前降至70℃左右，低于設計入口煙溫。

2.4 該項目的創新點和關鍵技術

2.4.1 該項目的推廣優勢點。①燃氣蒸汽聯合循環機組國際上首次使用此技術；②將煙氣出口溫度降低到露點以下；③燃氣電廠國內第一座直接接觸式換熱塔；④充分吸收煙氣余熱，提高供熱能力24%；⑤節水，可收集冷凝水約12萬t/a；⑥與主機同步設計、一體化實施，降低了項目實施的成本。

2.4.2 該項目的關鍵技術應用

2.4.2.1 重大裝備的應用。第一，大功率煙氣冷凝換熱器的應用。圖4為直接接觸式換熱器結構圖，噴淋式直接接觸式冷凝原理的熱回收，一般以水作為熱的載體，向煙氣中噴入比煙汽水蒸氣露點溫度更低的水，煙氣與水直接接觸換熱，二者之間不僅伴隨有顯熱交換，而且伴隨著潛熱交換。同時，煙氣中各種組分與水接觸的界面上吸附吸收，對延期具有洗滌凈化作用。從熱力學角度，在煙氣與水直接接觸換熱過程是動量、熱量、質量傳遞同時發生并且相互耦合、交叉影響，是負責的不可逆熱交換過程。

圖4 新型煙氣冷凝換熱器——直接接觸式換熱器三維仿真結構

采用噴淋式直接接觸換熱方式的優勢在于：極大地增加了煙氣-水兩相流體的接觸面積，瞬間完成傳熱和傳質，達到強化換熱，提高效率。

利用直接接觸式換熱器實現氣-水換熱的優點：①換熱效率高，端差小，有利于降低熱泵成本；②體積小、質量輕、成本低；③易防腐、壽命長，冷凝水集中處理回收。

第二，利用專用吸收式熱泵（見圖5）回收煙氣余熱。利用專用吸收式熱泵回收煙氣余熱的優點：①根據供熱工況設計，滿足初末寒期和嚴寒期的變工況要求；②具備一鍵運行、自動調節的功能，自適應鍋爐負荷；③完善的防腐措施；④兩級蒸發的特殊流程-增大冷卻水的溫降，深度回收煙氣余熱。

表4 污染物排放

表5 節約燃料量

圖5 現場實拍吸收式熱泵機組

2.4.2.2 煙氣余熱回收系統及設備防腐蝕問題。①冷卻水與煙氣直接接觸換熱，省去巨大的傳熱面積，避免了腐蝕問題，同時降低了流動阻力，提高了傳熱效率；②噴淋塔的殼體利用陶瓷粉末涂料來防腐，并且申請有2項發明專利；③熱泵——抗腐蝕最強的材料。

3經濟及社會效益、結論

盡管燃氣是一種清潔能源，但仍然含有大量的CO2，少量的NOX及SO2。采取余熱回收后，相應可減少天然氣的燃燒和CO2、NOX的排放，減少的污染排放量見表4。

煙氣余熱深度節能效果明顯。煙氣余熱利用投產后，供熱量208MW,提高到256MW，回收利用冷凝水約12萬t。按照年利用小時數2 873h計算，可以計算年回收總熱量，以及熱量折合天然氣與標煤量見表5。

由此可見，其社會效益方面：第一，可減少天然氣燃燒過程中CO2、NOX的污染排放。CO2年減排為3.1萬t，NOx年減排為31.47t。第二，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。經濟效益方面：背壓工況下煙氣余熱深度利用節能折合天然氣：1 622萬Nm3（設計工況），折合經濟效益3 650萬元（設計工況）。

北京京能未來燃氣熱電有限公司2014-2015供暖季經濟效益：由于該公司2014-2015供暖季機組為連續運行，余熱利用機組還處于調試期，2臺熱泵機組只運行了465h，供回收余熱3 055MW。節能折合天然氣量35.8萬Nm3，經濟效益計算：35.8×2.25=80.55萬元。

總之，煙氣余熱深度利用投產后，供熱能力提高48MW；可收集冷凝水約12萬t/a，減少了電廠的用水量；大大降低大氣污染物的排放，減少了溫室氣體CO2的排放，改善了北京地區的空氣質量。

［1］ 李翠潔.天然氣鍋爐煙氣余熱回收系統優化配置研究［D］.北京：北京建筑大學，2015.

［2］ 陳康，趙巖，王隨林，等.熱電廠排煙余熱深度回收利用模擬試驗與節能分析［J］.暖通空調，2013（3）：53-58.

Application of Flue Gas Waste Heat Recovery and Utilization System Based on Spray Condensation Type

Wang YanlinChen Zhen
（Beijing Jingneng Future Gas Power Company Limited，Beijing 102209）

For the problem of Gas-steam combined cycle unit HRSG final heating surface corroding,recover?ing difficultly flue gaslatent heat in flue gas condensation,this paper introduced a waste heat recovery and utilization system based on spray condensation type,cold water of the spray tower and flue gas directly heat transfer,recovering the most sensible and latent heatin flue gas,the absorbed heat is used for heating a heating backwater by absorption heat pump,in order to achieve the purpose of energy-saving and emis?sion-reduction.

flue gas waste heat recovery；spray absorption type；flue gas latent heat；flue gas dew point

TU995

A

1003-5168（2017）11-0081-04

2017-10-09

王彥琳（1982-），男，工程師，本科，研究方向：熱能動力及供熱、制冷；陳振（1984-），男，本科，助理工程師，研究方向：熱能動力及供熱。