吸收式熱泵機組在北方某垃圾焚燒廠的應用經濟分析

2021-08-28 12:06:28陳圓

能源與環境 2021年4期

陳圓

（上海康恒環境股份有限公司上海 201703）

隨著社會經濟的不斷發展，能源的需求量也變得越來越多。由于煤炭、石油、天然氣等不可再生能源儲量有限，同時燃燒也會對人類及環境產生不良影響，因此，新能源的開發和各種先進能源及節能技術的研究越來越受到人們關注和重視。

在能源消耗量大的行業如冶金鋼鐵、石油化工、火力發電等行業，各種節能技術應用相對廣泛且經濟。這些行業熱量損失大、余熱資源豐富，如我國冷凝式發電廠的平均發電效率不到40%，熱量損失達50%以上［1］。對較低品質的熱量加以回收利用，可以提高熱電廠的能源效率。

隨著吸收式熱泵技術的不斷發展與成熟，其吸收環境熱能或者回收低溫廢熱來制取高溫熱水的技術也得到了充分發展與應用。傳統的熱電廠在低溫蒸汽（汽機抽汽）的驅動下，利用熱泵技術提取循環冷卻水中的低溫廢熱熱能，將供暖水進行加熱處理，既能充分利用余熱資源提高電廠能源利用率，又能滿足冬季供暖需求。

1 吸收式熱泵技術介紹

1.1 吸收式熱泵技術基本理論

熱泵技術的工作原理是將熱能從低溫熱源提取到較高溫度熱媒中去利用的一種技術。根據熱力學第二定律，不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化，即熱量不會自發地從低溫物體傳遞到高溫物體。若要使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，則需要付出一定的代價。

吸收式熱泵是以熱能為驅動熱源，利用溶液（溴化鋰溶液或氨水）的吸收特性來實現將熱量從低溫熱源向高溫熱源輸送的一種熱泵機組。根據驅動熱源的不同可分為第一類吸收式熱泵和第二類吸收式熱泵。

（1）第一類吸收式熱泵，也稱增熱型熱泵。它是以消耗高溫熱能（蒸汽、燃料、熱水）作為代價，通過向系統輸入高溫熱能，進而從低溫熱源中回收一部分熱能提高其溫位，以中溫位的熱能供給用戶。

（2）第二類吸收式熱泵，也稱增溫型熱泵。它是以中溫熱能（通常是廢熱）驅動系統運行，將其中一部分熱能的溫位提高，即吸收過程放出的熱量送至用戶，而另一部分熱能則排放到環境中。

吸收式熱泵機組工作原理如圖1。即廢熱源Q1在驅動熱源Q2的驅動下通過吸收式熱泵機組輸出的熱水吸收熱量Q3為回收的廢熱源熱量與消耗驅動熱源熱量之和。吸收式熱泵性能系數等于熱水吸收熱量與驅動熱源熱量之比，即

圖1 吸收式熱泵工作原理圖

根據不同工況條件，且當前技術條件下，第一類吸收式熱泵的COP 一般為1.65～1.85［2］，即使用1 kW 的高溫熱能，驅動吸收式熱泵可以吸收0.65 kW～0.85 kW 的低溫熱能，整體輸出熱能為1.65 kW～1.85 kW。

對于第二類熱泵，利用低位熱源的溫度一般在70 ℃以上（不同廠家生產的設備利用低位熱源的溫度可能有所差別）［3］。北方熱電廠循環冷卻水回水冬季溫度一般在28 ℃～30 ℃，因此本文只針對第一類吸收式熱泵而做相關技術分析。

2.2 吸收式熱泵技術在熱電廠的應用

熱電廠內汽輪機冷凝器的乏汽通常采用循環水進行冷卻處理，而循環水又通過冷卻塔與空氣進行對流換熱冷卻，造成了乏汽余熱損失。國內很多熱電廠通過吸收式熱泵回收循環水低溫余熱并應用到供暖系統［1］。該節能技術的基本設計方案為采用吸收式熱泵機組，以28 ℃左右的循環冷卻水作為低溫熱源，以汽輪機抽汽（0.6 MPa～0.8 MPa）作為驅動熱源，加熱供暖熱水，被降溫后的循環水（22 ℃）又送入冷凝器循環利用。具體系統流程如圖2 所示。

圖2 吸收式熱泵供暖系統流程

通過吸收式熱泵技術的應用，不僅可以回收循環水余熱，提供熱電廠供暖熱量，同時也提高了熱電廠總的能源利用效率。另外，采用該技術在冬季供暖期可以取代冷卻塔的運行，降低全廠用電率；同時循環水冷卻改為閉式循環運行，可以最大程度地節約循環水的蒸發損失，減少資源浪費，提高生產效益。因此，吸收式熱泵技術在回收熱電廠冷凝排熱、用于冬季采暖供熱是經濟可行的。

2 垃圾發電廠工程應用經濟分析

隨著我國經濟的快速發展，人民生活水平的不斷提高，城市生活垃圾處理問題也變得越來越嚴重。近些年，隨著垃圾焚燒處理技術的不斷發展及其在實踐過程中所體現出來的優勢以及國家政策上的支持，全國掀起垃圾焚燒電廠的建設高潮。截至2018 年年底，我國建成并投入運行的生活垃圾焚燒發電廠約364 座，2019 年全國范圍內擬建設的涉及垃圾焚燒的項目多達426 項，覆蓋了全國29 個省、市、自治區，預計到2020年年末，全國城市垃圾焚燒建成的投運項目有望達到550 座［4］。

針對傳統熱電廠采用吸收式熱泵技術回收乏汽冷凝排熱成功應用經驗，筆者嘗試探索其在垃圾焚燒電廠的適用性。

2.1 垃圾焚燒電廠基本情況

本文以北方某省垃圾焚燒發電廠為例，其垃圾處理規模為1 500 t/d，焚燒線采用2×750 t/d 臺機械爐排爐，配置主蒸汽參數為4.0 MPa（g）、450 ℃的臥式余熱鍋爐，汽輪機容量為2×15 MW，發電機2×15 MW；MCR 工況運行下2 臺余熱鍋爐可提供約123.4 t/h 蒸汽供發電，按全年運行8 000 h 計，年發電量約2.14×108kWh/a，年上網電量約1.75×108kWh/a；煙氣凈化工藝采用“SNCR［氨水］＋半干法［Ca（OH）2］＋干法［Ca（OH）2］+活性碳吸附＋袋式除塵器”，排放標準執行國標《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485—2014）；全廠總循環冷卻水流量約為8 400 m3/h。

該廠位于北方，冬季室溫較低，按規范要求設置了全廠生活和生產車間供暖系統。

2.2 垃圾焚燒發電廠應用經濟分析

（1）供暖熱負荷及熱源型式。全廠生活及生產車間供暖換熱站位于綜合廠房內0 m 層，換熱站總供暖熱負荷為2.71 MW。熱源為汽輪機抽汽（P=0.355 MPa，T=202 ℃），由立式半即熱式換熱器交換成85/60 ℃采暖熱水，經循環水泵輸送到各熱用戶并通過散熱器向空間供暖。本系統蒸汽耗量Qh約為4.12 t/h（換熱效率按95%考慮），冷凝水溫度按90 ℃考慮。

擬采用方案：在車間設置吸收式溴化鋰熱泵機組，使用汽機抽汽作為驅動熱源，利用廠區循環冷卻水（冬季溫度約28 ℃～33 ℃）作為低溫余熱熱源，通過機組系統對全廠生活及車間提供供暖熱水，以減少汽機抽汽耗量，達到節能提高全廠能源利用率的目的。吸收式熱泵站房供暖系統流程可參考圖2。

（2）經濟性估算分析。通過上文描述，查詢相關技術資料，蒸汽技術參數如表1 所示。