吸收式熱泵技術在燃煤機組煙羽治理中的應用分析

文_單永華 河北國華定州發電有限責任公司

國內火電廠基本已經完成新一輪的超低排放環保技術改造。從目前的情況看，火電廠經過爐內低氮燃燒改造、煙氣脫硝改造、除塵器改造、脫硫改造等，煙氣排放標準滿足超低排放NOx、SO2和煙塵排放標準。脫硫塔（濕式電除塵器）出口濕飽和煙氣直接通過煙囪排放，雖然污染物排放量有限，但在煙囪出口形成了白色煙羽，在冬季和環境濕度較大的地區，白色煙羽尾跡較長，伴隨光照時，白色煙羽呈現出黑灰色，造成了嚴重的可凝結顆粒物污染。

煙氣脫白已經被上海、浙江、天津、河北等地方政府陸續列入大氣治理指標，要求燃煤電廠應采取相技術降低煙氣排放溫度和含濕量,目前國內主流的脫白技術路線為煙氣冷凝+再熱技術，通過冷凝器將脫硫后飽和煙氣降溫，脫去煙氣中的部分水蒸汽，隨后加熱到合適的排放溫度，提高煙氣抬升力。雖然能夠起到消除白煙的作用，但是煙氣余熱沒有得到利用。如何充分回收利用這部分冷凝熱成為行業關注的熱點。本文以國華定州電廠3號機組運行參數為例，介紹吸收式熱泵在煙氣脫白治理中的方案，不僅可以收集余熱，還可以通過收集煙氣中過飽和水蒸汽中水分,減少煙氣中可溶性鹽、硫酸霧、有機物等可凝結顆粒物的排放，改善視覺污染，解決煙囪冒白煙的問題。

1 吸收式熱泵的工作原理

吸收式熱泵是一種利用低品位熱源，實現將熱量從低溫熱源向高溫熱源泵送的循環系統。是回收利用低溫位熱能的有效裝置，具有節約能源、保護環境的雙重作用。吸收式熱泵由蒸發器、冷凝器、吸收器、發生器和換熱器等五個大的部分組成。以蒸汽為驅動熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，利用水在低壓 真空狀態下低沸點沸騰的特性，提取低品位熱源中的熱量，通過回收轉換制取采暖用 高品位的熱水。

發生器內制冷劑形成過程：吸收器出口的稀溴化鋰溶液經過溶液熱交換器換熱升溫之后進入發生器，被燃燒器輸入的熱量加熱沸騰，產生高溫高壓冷劑蒸汽。發生器內濃溴化鋰溶液經溶液熱交換器換熱降溫后進入吸收器，冷劑水蒸汽從頂部出口進入冷凝器內。

冷凝器內冷凝、加熱過程：從發生器進入冷凝器的冷劑水蒸汽在冷凝器內與工作介質換熱凝結成飽和冷劑水，通過節流降壓進入蒸發器。

蒸發器內的熱回收過程：在低壓下，從冷凝器來的冷劑水在蒸發器內吸收低溫熱源的熱量蒸發，汽化潛熱即為回收的熱量。

吸收器內的吸收、加熱過程：從發生器來的濃溶液進入吸收器，吸收由蒸發器蒸發的冷劑水蒸汽，并放出熱量對工作介質加熱。

通過以上四個工作過程實現利用高品位熱能做驅動熱源來提升低位熱能的溫位，回收更多的低品位熱能，從而提高總能量利用率的目的。

溴化鋰吸收式熱泵可以有效地回收各種行業的工藝余熱和大自然中的低溫余熱，從而實現節約能源、降低碳排放、大幅降低生產運行損耗和成本的目的，已經在供熱機組中有了較為普遍的應用。

2 工程設想

2.1 基礎參數

本次設計的煙氣參數見表1，吸收塔出口溫度冬季按照50℃，夏季按照51℃進行計算。根據《河北省鋼鐵、焦化、電力行業深度減排攻堅方案》165號文件要求，按照夏季吸收塔出口溫度由51℃冷凝至48℃，再由48℃升溫至64℃；冬季吸收塔出口溫度由50℃冷凝至45℃，再由45℃升溫至60℃，具體的冷凝及加熱參數見表2。

表1 FGD入口煙氣參數

表2 煙氣冷凝及加熱參數

2.2 設計方案

2.2.1 設計原則

本設計方案考慮了北方地區煙氣脫白冷源及冬季供暖需求，通過汽輪機抽汽驅動溴化鋰吸收式熱泵，冷媒水對煙氣低品位余熱進行回收，夏季將汽輪機凝水加熱到合適的溫度，如果有多余的熱量則通過暖風機加熱空氣，提高進入爐膛空氣溫度，提高燃燒效率。冬季則全部用于加熱供熱回收，節約汽輪機的供熱蒸汽，工作原理見圖1。

設計方案如圖2所示，夏季從中壓排汽抽汽，冬季從中、低壓缸連通管抽汽（冬季抽汽量約95.4t/h、夏季抽氣量約57t/h用于驅動熱泵，回收脫硫塔后煙氣冷凝余熱，用于加熱冷凝后煙氣，同時夏天加熱凝水，冬季則加熱供熱回水。蒸汽驅動熱泵做功后的凝結水回除氧器，回水溫度為149℃。在煙氣冷凝器后設置一級煙道除霧器，用抽汽于收集煙氣降溫后的凝結水。

2.2.2 煙氣冷凝器

增設的煙氣冷凝器布置在吸收塔出口水平凈煙道上。煙氣冷凝器以熱泵的循環冷卻水作為冷源，通過把循環冷卻水引入煙氣冷凝器，冬季將吸收塔出口煙氣溫度由50℃冷卻到45℃，煙氣溫度降低釋放的熱量約為43.9MW，每小時從煙氣中析出水59.86t，析出的水通過冷凝器底部及增設的煙道除霧器收集至冷凝液收集水箱中。

2.2.3 吸收式熱泵

溴化鋰熱泵回收余熱量43.9/28.8MW(冬/夏)，假設熱泵COP為1.7，則需要從5號低加抽汽62.7/41.1MW(冬/夏),供熱量為106.6/69.9MW(冬/夏)。

冬季供熱量106.6MW，其中14.93MW用于加熱煙氣（其中熱媒水進口溫度82℃，出口溫度60℃），剩余91.67MW熱量用來將供熱回水從60℃加熱到82℃，減少汽輪機供熱抽汽（回水直接進入熱泵）。

夏季69.9MW余熱中，16.2MW用于加熱煙氣（其中熱媒水進口溫度82℃，出口溫度60℃），46.17MW熱量用于加熱從凝汽器中出來的全部凝水，將凝水從56.1℃，加熱到82℃后進入7號低加（凝水直接進入熱泵），該過程排擠了7號低加部分抽汽。剩余7.53MW熱量用于加熱爐膛進風。

因此，需要配備溴化鋰熱泵3臺，一臺供熱量23.73MW（用于夏季加熱煙氣及預熱空氣；冬季14.93MW用于加熱煙氣，剩余7.53MW熱量加熱供熱回水），一臺供熱量46.17MW（夏季加熱凝水、冬季加熱供熱回水），一臺36.7MW（夏季停用）。

2.2.4 煙氣再熱器及暖風器

增設的煙氣再熱器布置在濕式電除塵器出口煙道上。煙氣再熱器以熱泵的一路熱水作為熱源，通過把循環熱水引入煙氣冷凝器，冬季將煙氣溫度由45℃加熱到60℃，夏季將煙氣溫度由48℃加熱到64℃。

每塔機組增設2臺熱媒水循環泵，按一用一備配置。熱媒水循環泵的流量650m3/h、揚程35m、電機功率為90kW。

2.2.5 運行策略

冷凝器冷卻水路運行策略：由于冬季、夏季冷凝所需冷量不同，因此將冷凝器冷水母管分成兩路，一路接入冷凝器上部排冷水管，另一路接入冷凝器下部排冷水管，夏季關閉下路冷水管閥門，冷凝水從上部冷水管中進入冷凝煙氣，冬季全開。

回熱器熱媒水路運行策略：由于冬季、夏季煙氣加熱所需熱量不同，因此將再熱器熱媒水母管分成兩路，一路接入再熱器上部排熱媒水管，另一路接入再熱器下部排熱媒水管，冬季關閉下路熱媒水管閥門，熱媒水從上部熱媒水管中進入加熱煙氣，夏天全開，暖風機夏季運行，冬季不運行。

2.3 吸收式熱泵對機組運行影響

使用吸收式熱泵對煙囪出口進行消白治理，由于設備增加同時采用蒸汽驅動會造成風機、水泵耗功增加和汽輪機高品位抽汽量增加（表3），但是相應的也會排擠了部分低品位抽汽量，同時由于冬天一期、二期機組將回收的煙氣余熱全部用于供熱，減少了供熱抽汽量。

同時采用熱泵技術消除煙羽方案，可回收煙氣中的熱量用于冬季供熱。經計算，單臺機組可回收43.9MW熱量（單臺）。按照單個采暖季供熱天數121天、供熱價格27元/GJ計算，單個采暖季收益為2478.3萬元。

采用吸收式熱泵技術雖然初期的投資較大，但是具有較高的節能效益和經濟效益，使煙囪消白煙的改造不僅僅局限于環保效益，更有益于降低成本，提高企業改造的積極性。

3 結語

本文介紹了一種基于吸收式熱泵的煙氣消白的技術，并以國華定州電廠3號機組為例，介紹了工程設想、系統工藝，簡單分析了經濟性。該技術方案有效利用了煙氣余熱中的低品位熱量 ，切實提高了機組整體的節能效果，降低了生產成本，減少了污染物排放，能夠有效提高經濟和環保效益，為燃煤電廠的煙氣脫白技術提供了一個新的思路。

表3 功耗參數