燃氣-蒸汽聯合循環機組余熱鍋爐排煙損失再利用研究

張云軒

（北京京西燃氣熱電有限公司，北京 100041）

目前國內的燃氣-蒸汽聯合循環機組，為保證能源的合理利用，一般采用熱、電、冷三聯產的供給方式，機組中的余熱鍋爐鍋爐的排煙溫度較高（150℃～250℃），并且煙氣中含有大量的水蒸氣，約占煙氣成分的15%～20%。這些水蒸氣如果直接排放到大氣中，不僅會攜帶走大量的汽化潛熱（占天然氣高位發熱量的10%～11%），導致鍋爐效率降低，而且會使空氣濕度增加，導致水霧以及霧霾的形成[1]。余熱鍋爐低壓省煤器后沒有設計受熱面，省煤器出口煙氣溫度高于水的露點和酸露點，處于過熱態，這是為了防止尾部受熱面的低溫腐蝕，但燃燒天然氣產生的煙氣非常純凈，使得鍋爐產生低溫腐蝕的SOx少到可以忽略不計，所以可以對余熱進行進一步的利用。煙氣溫度降低到煙氣露點溫度以下時，煙氣中的水蒸氣冷凝，放出大量的汽化潛熱。一標準立方米的天然氣燃燒后可以產生1.55kg、含有約3700kJ的汽化潛熱的水蒸汽，由此可見排煙熱損失是鍋爐熱損失里最大的一項。如果能對煙氣的排煙余熱再多加利用，可以提高鍋爐熱效率，節約能源，保護環境。

1 噴淋冷凝式換熱系統

噴淋冷凝式換熱屬于直接接觸式換熱技術，是使高溫流體與低溫流體直接換熱混合的一種強化傳熱、傳質方式。直接接觸換熱技術在石油、化工等行業具有廣闊的應用發展前景[2]。直接接觸式冷凝換熱器是向煙氣中直接噴入溫度低于煙氣中水蒸氣露點溫度的水，煙氣與水直接接觸進行換熱，煙氣和水在顯熱交換的同時還伴隨著潛熱交換；且煙氣中的各種組分在與水接觸時被吸附吸收，還可以對煙氣中的NOx等酸性氣體進行稀釋。

直接接觸式換熱器冷凝鍋爐換熱效果好，現有的直接接觸式冷凝換熱器一般可將排煙溫度降至鍋爐煙氣水露點以下。由于其結構特點，煙氣直接和水接觸發生熱傳遞，其換熱面積較其他換熱方式更大。簡單的結構易于安裝和制造，同時因為不存在間壁，所以沒有間壁熱損失和污垢熱阻，傳熱效率高，且進出口溫差小。因為煙氣與水直接接觸，所以可以稀釋煙氣中的污染物成分，降低煙氣污染物排放。但同時冷凝水被污染，含有少量的酸性，需要將換熱器某些部分的金屬材料換為耐腐蝕材料，冷凝水也需要后續的加藥處理。具體系統流程如圖1所示。

在國外，冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統已投入實際應用。如，1985年瑞典在垃圾焚燒場的煙氣余熱回收中使用了冷凝換熱器與熱泵聯合余熱回收系統[3]。

被抽風機抽出的鍋爐低壓省煤器出口煙氣，進入噴淋式換熱器與噴淋冷凝水進行換熱，可將160℃的高溫煙氣冷凝至100℃，增加了余熱煙氣的利用效率。而經過與水混合后的混合汽溫度低于煙氣酸露點，其煙氣成分中的NOx等被冷凝水冷凝并帶走，也大大降低了鍋爐出口處的NOx排放量。噴淋換熱器中層上部設置一組平行噴淋設備，將冷凝水向下噴淋與從鍋爐抽出的煙氣進行直接換熱，噴淋設備上部設置百葉結構的格柵，可通過物理凝結途徑有效回收水分，與燃燒1Nm3天然氣換熱約能回收約0.3kg～1.1kg的水，減少了系統補水水量。與煙氣換熱后的冷凝水中HNO3等酸性化合物含量上升，可以通過加入NaOH等化學藥劑改善，并通過定期排污與系統補水降低濃度。換熱后的煙氣回到鍋爐煙氣排放管段，與未被抽出的熱煙氣混合升溫超過煙氣水露點，這樣便解決了鍋爐出口大量水蒸氣凝結，從而返回鍋爐的危險。排放的煙氣中的NOx成分下降，使得鍋爐環保指標上升。

圖1 噴淋冷凝式換熱系統流程

2 溴化鋰吸收式制冷-熱泵系統

在制冷方面，電廠通常采用蒸汽噴射式制冷或者溴化鋰吸收式制冷，這兩種方式沒有需要使用電能驅動的壓縮機，降低了能源利用的品位，但由于蒸汽噴射式制冷會增加廠內的蒸汽汽耗量，所以現在多采用使用余熱熱水的溴化鋰吸收式制冷系統，其制冷系統如圖2所示。

以京西燃氣熱電廠為例，溴化鋰制冷機組的熱源水來自低壓省煤器出口支路，該方式利用了一部分的鍋爐余熱，但其熱源是從低省出口獲取，所以一定程度上降低了低壓汽包的上水流量與溫度。

在供熱上，聯合循環通常采用從蒸汽輪機側抽氣的抽凝方式，或甩掉汽輪機低壓缸的背壓方式，將抽出的中壓缸排氣、背壓下的低壓缸主蒸汽送入熱網加熱器（管殼式換熱器）中，與大約60℃的熱網回水進行換熱，然后供出場外。為加強鍋爐余熱利用效率，在熱網換熱系統中，增加煙氣水水換熱器的管路，也就是從低壓省煤器出口引出一路熱源到管殼換熱器中對熱網水進行小幅度加熱。這種利用方式與制冷時相同，使用了低省至低壓氣包的上水，存在不利因素。

圖2 溴化鋰制冷系統

而余熱爐煙氣自低壓省煤器后便不存在受熱面，使用常規的熱回收方法會存在低溫腐蝕等問題。溴化鋰吸收式熱泵技術是以消耗小部分高、中品位熱源(如利用天燃氣、電能或高溫熱能)作為補償驅動，通過內部熱力循環，把余熱源中的熱量輸送到需要使用的媒介中。吸收式熱泵可以分為兩類，第一類吸收式熱泵,也稱增熱型熱泵,是利用少量的高溫熱源，產生大量的中溫有用熱能"即利用高溫熱能驅動，把低溫熱源的熱能提高到中溫，從而提高了熱能的利用效率[4]。而第二類為吸熱型，由于其結構與現有電廠已投產的溴化鋰制冷機組不同，這里不做介紹。第一類吸收式熱泵的性能系數大于1，一般為1.5～2.5[5]。從工作原理上來看，第一類吸收式熱泵與吸收式制冷機的工作原理是一致的[6]。其制熱原理如圖3所示。

圖3 溴化鋰熱泵系統

為滿足已建燃氣-蒸汽聯合循環電廠對余熱鍋爐排煙熱損失再利用的需求，本文在這里提出一種溴化鋰吸收式制冷-熱泵系統方案流程，具體系統如圖4所示。

圖4 溴化鋰吸收式制冷-熱泵系統

目前，大部分的燃氣-蒸汽聯合循環電廠采用夏季使用溴化鋰機組供冷的方式，但溴機組的利用率不高，僅夏季使用。結合圖2與圖3的溴化鋰系統設備與工作原理可以看出，溴化鋰制冷系統和溴化鋰第一類吸收式熱泵的設備與流程相差不大，完全可以通過后期改造使得溴化鋰系統擁有制冷與熱泵相互切換的功能。將電廠現有的溴化鋰制冷設備進行改造，在制冷冷卻水供回水管路上添加供熱管路三通支路，與此同時在溴化鋰制冷系統冷凍水供回水管路上增設供熱循環水三通管路，制冷余熱管路可與供熱熱源管路共用。即可做到從讓溴化鋰吸收式系統在制冷與供熱兩種方式上的切換。這種改造大大增加了溴化鋰機組的全年使用頻率，并且滿足了除夏季以外季節的廠區供熱需求（由于熱電廠需要全年為外界供熱），同時降低煙氣水水換熱器從余熱爐低壓省煤器出口抽出的熱水流量，保證了更多流量的低壓汽包上水，提升了鍋爐的熱效率。整個溴化鋰系統增加2臺經過流動阻力計算的離心水泵，可以使得系統正常高效運行。

3 節能計算與經濟性分析

本次節能計算以北京京西燃氣熱電有限公司投產的“一拖一”燃氣-蒸汽聯合循環機組余熱爐參數為例，具體參數與計算如下。

燃氣輪機進口壓力2.8MPa，過量空氣系數選取為α=1.1，低壓省煤器出口煙氣溫度為160℃，冷凝式換熱器煙氣回流溫度100℃，溴化鋰吸收式熱泵的性能系數取為1.7。

排煙溫度為100℃時煙氣各組分的定壓比熱容分別為，cpCO2=0.8966kJ/(kg·℃ )；cpO2=0.9297kJ/(kg·℃ )；cpH2O=1.864kJ/(kg·℃ )；cpN2=1.039kJ/(kg·℃ )。

排煙溫度為160℃時煙氣各組分的定壓比熱容分別為，cpCO2=0.9546kJ/(kg·℃ )；cpO2=0.9420kJ/(kg·℃ )；cpH2O=1.8423kJ/(kg·℃ )；cpN2=1.034kJ/(kg·℃ )。

煙氣的比熱容等于各個成分的比熱容和他們質量分數的乘積：

計算得出，煙氣在100℃時和160℃時的定壓比熱容為1.068kJ/(kg·℃ )、1.075kJ/(kg·℃ )。

因為高峰時每小時用氣量約為128.6×104Nm3/h，所以每小時產生的煙氣質量計算方法如下式所示：

計算得出，每小時產生的煙氣的質量為220726.212kg/h。

當煙氣溫度為任意攝氏度時，所含的顯熱量等于該溫度下煙氣的定壓比熱容和其每小時產生的煙氣質量與溫度的乘積。

計算得出，100℃時煙氣所含的顯熱為23.57×106kJ/h、160℃時煙氣所含顯熱為23.72×106kJ/h。冷凝式噴淋余熱回收設備回收熱量為1.5×105kJ/h，相當于每小時節約17.6m3的天然氣或21.4kg的標準煤，全年節省天然氣11.57萬m3，全年減少二氧化碳排放1755.44t。全年除去夏季制冷工況下每個余熱爐可多節省29.7萬元人民幣。

則該系統全年除去夏季制冷工況外，可以向外界持續提供90℃、1200t/h、140GJ的熱水，按照北京市燃氣熱電廠熱力出廠價格84元/吉焦[7]，全年可多獲盈利7733萬元人民幣。

4 結論

本文對燃氣-蒸汽聯合循環機組余熱鍋爐機組提出了一種可以滿足現有余熱爐改造的鍋爐尾部煙氣余熱深度回收利用的系統方案。使用直接接觸式換熱器與吸收式熱泵結合和方法回收余熱爐低壓省煤器后具有一定品味的排煙煙氣。依據北京京西燃氣熱電“一拖一”機組進行了節能計算與經濟性分析。根據上文數據，得出以下結論。

（1）使用本文提出的冷凝式換熱器與溴化鋰吸收式制冷-熱泵系統時，每年可節省11.57萬m3的天然氣，折合人民幣約29.7萬元，供熱收益7733萬元人民幣，經濟效益顯著提高。

（2）煙氣余熱深度回收利用系統減少了燃料消耗，降低了煙氣排放量。其中，每年可減少的二氧化碳排放量約為1755.44t，對節能減排做出了貢獻。

（3）使用直接接觸式煙氣換熱器，換熱效率高且可以清洗煙氣中的污染物質和灰塵，對環境友好。

余熱爐排煙再利用系統雖然有很多優點，但仍存在一些目前不能克服的問題，如：經冷凝換熱器與煙氣換熱后的余熱水無法直接回收利用或排放，需經加藥裝置加藥調節酸堿度后再回收或排出、整體設備初投資較高等。這都需要未來能有更多人能對煙氣余熱回收進行更深層次的研究和改進。