基于熱泵技術(shù)的燃?xì)忮仩t余熱回收節(jié)能效益分析

梁鵬飛郝世超張 沖梅 亮

中船重工（上海）新能源有限公司

1 前言

燃?xì)忮仩t排放煙氣中含有大量的水蒸氣，其氣化潛熱占天然氣低熱值的比例達(dá)到10%～11%，這部分水蒸氣排入大氣后冷凝，形成“白煙”現(xiàn)象，促使PM2.5排放指數(shù)增加。因此，深度回收利用包括水蒸氣氣化潛熱在內(nèi)的煙氣余熱對(duì)節(jié)省能源和減少污染物排放量都有重要意義。

針對(duì)燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收，可以采用的技術(shù)是加裝冷凝換熱器和空氣預(yù)熱器，但實(shí)際使用中受到熱網(wǎng)回水溫度和空氣溫度的限制，余熱回收效果非常有限[1-4]。采用文獻(xiàn)[5-7]中提到的熱泵技術(shù)，可有效將煙氣余熱深度回收，將水蒸氣大部分潛熱轉(zhuǎn)移至供暖熱水側(cè)。本文針對(duì)某燃?xì)夤徨仩t的節(jié)能改造項(xiàng)目，采用直燃式熱泵回收燃?xì)忮仩t排煙余熱，對(duì)技術(shù)指標(biāo)和節(jié)能效益進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。

2 技術(shù)方案

2.1 燃?xì)忮仩t指標(biāo)

本項(xiàng)目針對(duì)58MW燃?xì)夤徨仩t實(shí)施深度節(jié)能改造，燃?xì)忮仩t的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1：

表1 燃?xì)忮仩t基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

2.2 節(jié)能潛力分析

當(dāng)煙氣排煙溫度高于煙氣的露點(diǎn)溫度55℃時(shí)，回收熱量主要以煙氣顯熱為主，單位溫降釋放的熱量較少。當(dāng)煙氣溫度低于55℃時(shí)，煙氣中的水蒸氣開(kāi)始凝結(jié)，放出熱量比較集中。經(jīng)測(cè)算本改造項(xiàng)目排煙從110℃降溫至30℃時(shí)，煙氣余熱回收率為10%～13%，具有很高的節(jié)能潛力。

2.3 工藝方案設(shè)計(jì)

吸收式熱泵在天然氣燃燒高溫?zé)嵩吹尿?qū)動(dòng)下制取低溫冷水，鍋爐的煙氣作為吸收式熱泵的低溫?zé)嵩丛趪娏芩?nèi)同低溫冷水進(jìn)行直接接觸式換熱，由于冷水的溫度較低，因此煙氣的溫度可以降至25℃甚至更低。該技術(shù)突破了熱網(wǎng)回水溫度的限制，可應(yīng)用于回水溫度較高的供熱系統(tǒng)中。

圖1為煙氣余熱回收系統(tǒng)的工藝流程原理圖。燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)中增設(shè)了余熱回收裝置，該裝置主要包括直燃型熱泵、接觸式換熱器、水泵和閥門等其他附屬設(shè)施，同時(shí)增設(shè)了兩條煙管將余熱回收裝置與鍋爐排煙管路相連，煙氣閥1和煙氣閥2均設(shè)置在這兩條煙管上，在原排煙管路上增設(shè)煙氣閥3。當(dāng)煙氣余熱回收系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，煙氣閥1和煙氣閥2開(kāi)啟，煙氣閥3關(guān)閉。鍋爐煙氣和直燃型熱泵的煙氣混合后進(jìn)入接觸式換熱器，同直燃型熱泵所制取的用于噴淋煙氣的冷水進(jìn)行接觸式換熱，煙氣可被噴淋水冷卻至25℃，然后排入大氣。在噴淋水路中，噴淋水在接觸式換熱器中同煙氣換熱后溫度升高，通過(guò)噴淋水泵送入直燃型熱泵進(jìn)行降溫，然后返回接觸式換熱器繼續(xù)冷卻煙氣。在熱網(wǎng)回水管道中，水閥1關(guān)閉，水閥2、3開(kāi)啟，熱網(wǎng)回水首先進(jìn)入直燃型熱泵進(jìn)行加熱，然后進(jìn)入燃?xì)忮仩t加熱，送至用戶處供熱。

圖1 煙氣余熱回收系統(tǒng)工藝流程原理圖

2.4 主要設(shè)備選型

2.4.1 熱泵選型

熱泵形式可采用電壓縮式熱泵或吸收式熱泵。根據(jù)鍋爐容量的不同，適宜選取不同類型的熱泵，0.01～10MW的鍋爐適用于選用電壓縮式熱泵形式。吸收式熱泵投資成本較高且占用安裝空間較大，適用于更大規(guī)模燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收。

經(jīng)測(cè)算在相同等效能源利用率下，氣電價(jià)格比小于8時(shí)，吸收式熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于電驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵系統(tǒng)。

本項(xiàng)目規(guī)模負(fù)荷大于10MW，氣電價(jià)格比小于8，此外，直燃式熱泵可與燃?xì)忮仩t公用燃料，因此本項(xiàng)目采用直燃吸收式熱泵。

2.4.2 接觸式換熱器

本項(xiàng)目中與煙氣的換熱采用了直接接觸式換熱器，煙氣和水逆向流動(dòng)，煙氣自下而上流動(dòng)，而水自上而下運(yùn)行，相對(duì)于間壁式換熱方式，其優(yōu)勢(shì)在于：極大地增加了氣－液兩相接觸面積，瞬間完成傳熱和傳質(zhì)，達(dá)到強(qiáng)化換熱、減少換熱空間的目的。采用接觸換熱技術(shù)后，煙氣和水在很小溫差下即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定接觸換熱，不需用金屬換熱面，減小了換熱器的體積，大幅度降低了換熱器成本。

向下噴淋的水是從上部的配水管流出，為保持向下噴灑均勻，配水管上安裝定制的噴灑器，細(xì)小的水柱落到人字形擋水板上有被進(jìn)一步破碎成更細(xì)微的液滴，最大限度地增加了和煙氣的接觸面積，為減少煙氣帶出水汽，在換熱器上部裝設(shè)了除霧器。

3 建設(shè)成本

項(xiàng)目建設(shè)成本主要包括吸收式熱泵、換熱塔、水泵、水處理器、煙道、水管、燃?xì)夤艿馈㈦姎庀到y(tǒng)改造和設(shè)計(jì)施工等方面，經(jīng)測(cè)算項(xiàng)目總投資約12 000 000元。

4 運(yùn)營(yíng)成本

此項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)成本包括以下幾個(gè)方面：

（1）用電成本：熱回收系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中有一些設(shè)備需要消耗電能，主要包括循環(huán)冷卻水的主循環(huán)泵、噴淋泵和吸收式熱泵自帶的耗電部件，年電費(fèi)支出約395 000元。

（2）藥劑成本：廢液排放前需要進(jìn)行藥劑中和處理，藥劑費(fèi)支出300 000元/年。

（3）檢修成本：根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)設(shè)備年度檢修費(fèi)約20萬(wàn)元/年。

（4）人員成本：本項(xiàng)目運(yùn)行定員6人，可采用三班兩運(yùn)制，年運(yùn)行成本按100 000元/人年計(jì)，人員成本為600 000元/年。

（5）其他成本：暫不計(jì)其他成本。

5 運(yùn)營(yíng)收益

項(xiàng)目的直接效益為新增系統(tǒng)供熱的折算燃料量扣除熱泵消耗燃料量后的凈節(jié)約燃料量。所以運(yùn)營(yíng)收益由采暖期、鍋爐負(fù)荷率、燃?xì)鈨r(jià)格等方面決定。各項(xiàng)目指標(biāo)見(jiàn)表2。

6 敏感性分析

本項(xiàng)目敏感性分析是以投資回收年限做為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以4年回收期計(jì)算臨界點(diǎn)指標(biāo)，見(jiàn)表3。

比較上面敏感度系數(shù)的絕對(duì)值，可以看出燃?xì)鈨r(jià)格對(duì)項(xiàng)目效益指標(biāo)的影響程度相對(duì)較大，其次分別是鍋爐負(fù)荷率和有效供熱時(shí)間，電價(jià)對(duì)項(xiàng)目收益影響相對(duì)很小。

7 節(jié)能減排效益

7.1 節(jié)能效益

在本項(xiàng)目中，熱泵回收的余熱量分為兩部分，分別是原鍋爐排煙的余熱和熱泵排煙的余熱，其中原鍋爐排煙回收的余熱功率為6.96MW，提高原燃?xì)忮仩t的12%的能效。熱泵排煙余熱回收1.34MW，熱泵的燃料也同樣的得到深度利用。

7.2 減排效益

采用該系統(tǒng)回收余熱，減少了天然氣的耗量，相應(yīng)地也減少了污染物的排放量。在本項(xiàng)目中，相應(yīng)減少CO2排放量約4 000t/a。另外，在接觸式換熱器內(nèi)的噴淋過(guò)程中，煙氣中的不同污染物將會(huì)部分溶入噴淋水中，使得排煙中有害氣體含量降低，而噴淋水溶入污染物后，對(duì)其水質(zhì)影響并不大，鍋爐煙氣中氮的氧化物主要是NO，NO2含量較少。只需要加入堿性物質(zhì)如NaCO3、NaOH等進(jìn)行中和，就可以達(dá)到中水水質(zhì)要求進(jìn)行排放或他用。本項(xiàng)目天然氣中不含硫，不設(shè)置專門的脫硫設(shè)備。

7.3 節(jié)水效益

煙氣降溫至30℃，每立方米天然氣可以脫除80%的水蒸氣 ，回收冷凝水1.24kg，在本項(xiàng)目中，凝結(jié)水總量為18 000t/a，凝結(jié)水經(jīng)處理后可再利用。

表2 項(xiàng)目指標(biāo)匯總表

表3 不確定因素分析表

8 節(jié)能效益計(jì)量方式

節(jié)能效益的計(jì)量方式見(jiàn)圖2，新增計(jì)量?jī)x表有2#燃?xì)獗怼?#溫度變送、2#溫度變送、流量變送和電表，所有表計(jì)均應(yīng)滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)過(guò)標(biāo)定和雙方認(rèn)可。2#燃?xì)獗砻總€(gè)月抄表計(jì)量。兩臺(tái)溫度變送和流量變送計(jì)量鍋爐給水側(cè)單月獲得的熱量，折合成燃料量后減去2#燃?xì)獗碛涗浀脑氯剂舷牧浚玫焦?jié)約的燃料量，乘以燃料單價(jià)并扣除電費(fèi)后作為客戶應(yīng)返回的節(jié)能效益。

圖2 節(jié)能效益計(jì)量示意圖

9 結(jié)論

本項(xiàng)目針對(duì)燃?xì)忮仩t采用吸收式熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)余熱深度利用，主要設(shè)備吸收式熱泵為成熟產(chǎn)品，直接接觸式換熱器做配套定制，整體技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較低，項(xiàng)目投資回收期為2.95年，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，煙氣中的水分被脫除約80%，解決了冬季供暖中燃?xì)忮仩t釋放白煙的問(wèn)題，回收了水資源18 100t/a，凈化了煙氣和降低NOx排放，由此說(shuō)明了采用熱泵技術(shù)進(jìn)行燃?xì)忮仩t余熱回收具有很好的社會(huì)效益。