煙氣余熱回收與儲能技術耦合應用的可行性研究

郭璞維，彭躍，鄧靖敏，李兵發，周興，胡鋆，郭海強，王金星

（1.三河發電有限責任公司，河北廊坊 065201；2.沈陽工程學院研究生部，沈陽 110136；3.河北師范大學中燃工學院，石家莊 050024；4.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206）

0 引言

2017 年，國家發改委等部門聯合發布《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》，確定了未來10 年內儲能發展的階段性目標［1］，明確了兩步實施方案。尤其在碳達峰、碳中和背景下［2-3］，為進一步加快新能源電力的發展，儲能技術將成為能源領域未來數年乃至數十年的重要發展內容。

煙氣余熱回收是提高煤電機組系統效率的最有效途徑之一，國內外學者在這一技術領域進行了大量的研究工作。Riffat 等［4］對一種開放式煙氣回收系統進行了研究，成功驗證了該系統從常規熱設備中回收煙氣余熱提高系統整體效率的可行性。Westerlund 等［5］以濕式生物質鍋爐為示范探索了一種煙氣驅動式回收系統。結果表明，生物質鍋爐回收熱量與傳統鍋爐相比增加了40.00%。Lazzarin等［6］對煙氣驅動的開放式回收系統進行模擬，結果表明，開放式系統中的電熱泵回收煙氣效果優于封閉式系統。Wei 等［7］建立了一個開放式煙氣余熱回收系統的仿真模型，為北京優選天然氣和電力價格提供了重要的參考信息。Ye 等［8］為了提高煙氣驅動式開放回收系統的效率，探索了一種根據熱源溫度自由切換單機或雙機模式的余熱回收方式。

儲能技術的發展為煙氣余熱回收提供了配套的應用保障。Sun 等［9］對以陶瓷為殼的熔融鹽蓄熱單元性能進行探索，這種復合相變材料可以在其熔點溫度下正常使用，有效預防堵塞和腐蝕的問題。Parsimehr 等［10］用玉米基碳制備的儲能電極，具有良好的電化學性能，可用來制作超級電容器的電極。Kohler等［11］以水沸石為吸附物質進行熱化學儲能研究，分別測量并計算了熱化學儲能的效率和能量密度，證明隨著吸附物質碳鏈長度的增加，解吸溫度會提高。在整個解吸溫度范圍內甲醇具有的能量密度最高，為402 kJ/kg。Wang等［12］提出了將抽水儲能與壓縮空氣儲能耦合的新型儲能系統，有助于解決風電儲能受限的問題。

燃煤電廠設計排煙溫度為120～150 ℃，實際運行排煙溫度往往高于設計標準。排煙熱損失超過鍋爐總熱損失的50.00%～80.00%［13］，是煤電機組熱損失最多的一項。因此，降低排煙熱損失具有重要意義［14-16］。將燃煤電廠煙氣余熱利用儲能技術儲存起來并加以利用，可極大地提高燃煤電廠的能源利用效率。結合煙氣余熱回收和儲能技術的特點及二者的溫度區間，探索燃煤電廠煙氣余熱回收與儲能技術耦合應用的可行性，以期對該技術的推廣與研究探索提供參考。

1 煙氣余熱回收的利用方式

1.1 變工況下煙氣余熱回收

變工況下煙氣余熱回收主要通過高壓省煤器和低壓省煤器實現。其中，煙氣余熱回收的循環部位是旁路煙氣管道，其溫度區間是350～400 ℃。將回收的余熱能量同時用于加熱鍋爐給水和凝結水，當旁路煙氣與總煙氣流量比為10.00%～30.00%時，能夠使鍋爐給水和凝結水的溫度達到前置空氣加熱器和空氣預熱器出口空氣溫度。低壓省煤器的進口煙氣溫度和排氣煙氣溫度等主要節點溫度均下降，系統的?效率降低，廢熱回收效率和能量等級替換系數提高。Wang 等［17］通過安裝低壓省煤器提高了600 MW 鍋爐的節煤效果。Stevanovic等［18］通過加裝高壓省煤器提高了620 MW 燃煤機組的煙氣余熱利用效率。Xu 等［19］提出在高溫空氣預熱器和低溫空氣預熱器之間加裝低溫節能器，有效減少?損失。Yan 等［20］通過改進濕法脫硫旁路系統實現煙氣余熱回收利用，使凈標準煤耗減少了5.38 g/（kW·h）。Yang 等［21］提出了一種概念性的煙氣余熱回收系統，包括高溫空氣預熱器、低溫空氣預熱器、主空氣預熱器，可用于加熱冷凝水。Liu 等［22］針對上述節煤和煙氣余熱改造，提出不同工況下煙氣余熱級聯回收系統（Flue Gas Waste Heat Cascade Recovery System，FWCRS），如圖1所示。

圖1 煙氣余熱級聯回收系統Fig.1 Flue gas waste heat cascade recovery system

圖2 是某1 000 MW 超超臨界雙再熱燃煤機組的工作原理［23］，來自鍋爐的高溫煙氣分成2 路，30.00%的旁路煙氣經過調節閥依次流過高壓省煤器和低壓省煤器，分別加熱冷凝水和鍋爐補給水，再經過旁路閥門與通過空氣預熱器的另一路煙氣匯合后進入反靜電除塵器和后續的煙氣脫硫裝置。由低壓省煤器和前置空氣預熱器組成循環裝置預熱來自送風機的冷空氣之后，再經過空氣預熱器加熱一次風和二次風并分別送入爐膛和磨煤機。

圖2 1 000 MW超超臨界雙再熱燃煤機組的FWCRS工作原理Fig.2 Working principle of the FWCRS in a 1 000 MW ultra?supercritical double reheat coal?fired unit

1.2 低溫省煤器-暖風器聯合運行

肖卓楠等［24-25］針對燃煤電廠設計排煙溫度低于實際排煙溫度的情況，提出3種可行的解決方案，分別是低溫省煤器-冷風加熱器聯合運行、低溫省煤器-空氣預熱器聯合運行、低溫省煤器-暖風器聯合運行，最后一種方案如圖3 所示。煙氣余熱回收的循環部位是暖風器，其溫度為122～160 ℃，將回收的余熱用于加熱汽輪機回熱加熱器中的混合凝結水，達到排煙溫度降到100 ℃的效果。研究結果表明，低溫省煤器-暖風器可起到較好的節煤效果，?損失效率最低，更適合降低煙氣的排煙溫度。

圖3 低溫省煤器-暖風器聯合運行Fig.3 Combined operation of low?temperature economizers and air heaters

1.3 直膨式熱泵型煙氣余熱回收裝置

直膨式熱泵型煙氣余熱回收裝置通過直膨式熱泵蒸發器換熱和高溫煙氣-水換熱器回收煙氣余熱，其工作溫度為77～180 ℃。回收的余熱用于加熱熱網回水，進而可計算得到余熱回收系統水流量與燃氣利用效率的關系。王明爽［26］為利用回水溫度約50 ℃的熱水管網對中小型鍋爐（10～10 000 kW）進行深度煙氣余熱回收，研究了直膨式熱泵型煙氣余熱回收系統，如圖4所示。試驗結果表明，直膨式熱泵型煙氣余熱回收系統的效果良好。

圖4 直膨式熱泵型煙氣余熱回收系統工作原理Fig.4 Working principle of the flue gas waste heat recovery system with direct expansion heat pumps

2 熱能儲存形式及應用特點

2.1 壓縮空氣儲能技術

壓縮空氣儲能技術的應用溫度區間為200～400 ℃，通常利用地下巖洞、熔巖洞或人工建造的管道系統等作為容器，將非峰值時段的電力通過壓縮空氣儲存在上述容器內［27］，在用電高峰時間段將壓縮空氣釋放、加熱、膨脹，利用渦輪發電機發電。該項技術可以更靈活地根據區域內的具體情況進行應用。壓縮空氣儲能的效率接近70.00%，預期運行周期為40 a［28］。目前該項技術包括以下2 個方面：一是在空氣膨脹過程中，重用壓縮熱來消除和減少排放階段和加濕壓縮空氣過程中消耗的燃料；二是直接利用壓縮泵儲存能量［29-30］，如圖5所示。

圖5 壓縮空氣儲能原理Fig.5 Principle of compressed air energy storage technology

2.2 液化空氣儲能技術

液化空氣儲能技術將電能以低溫液態空氣的形式儲存，其應用的溫度區間低于200 ℃。英國Highview Power Storage 公司率先將該技術應用于Slough工廠［31］，如圖6所示。該項技術第1階段類似于壓縮空氣儲能，區別是需要將壓縮空氣液化并在接近大氣壓力的情況下儲存在容器中。使用時可以用泵抽取液化空氣直接用于制冷；余下的廢熱可以用來進行膨脹做功產生電能。該技術的優點是液態空氣的體積僅為氣態空氣的1/700，即使是小容器也可以儲存大量的液態空氣。不足之處是該技術儲能效率較低，僅為40.00%～70.00%［32-33］，仍有可以提升和發展的空間。同時，在發電階段可以利用液化過程回收熱量，從而提高效率。

圖6 液化空氣儲能技術原理Fig.6 Principle of liquefied air energy storage technology

2.3 熱能存儲

熱能存儲的工作溫度區間為90～200 ℃，目前有3種應用方式［34］。

（1）顯熱儲能。該方式一般采用水、巖石等作為儲能材料，主要用來儲存溫度較低（≤150 ℃）的熱能［35］。該技術受限于儲熱材料的熱力學性能，儲能效率不高，僅適用于采暖。

（2）潛熱儲能。該方式是利用物質發生固體-液相變的相變潛熱進行儲能，因此具有較高的儲能容量［36］。目前用于潛熱儲存的原介質有氟化物、氯化物、磷酸鹽、硫酸鹽、亞硝酸鹽以及氫氧化合物的低共熔混合物。

（3）熱化學儲能。利用吸熱反應儲存能量，利用放熱反應釋放能量［37-38］。這種系統與潛熱儲能系統同樣具有在恒溫下存儲、釋放能量的優點。熱化學儲能系統不需要絕緣的儲能容器，但其反應裝置復雜、精密，必須由經過訓練的人員進行仔細維護，只適用于較大型的系統。

綜上所述，針對理論界探討和實踐中已有體現的處理機制，每一種都具有自身的局限性，都難以作為執行依據不明確的處理方式統一適用。

3 煙氣余熱回收耦合儲能應用方式

3.1 煙氣余熱回收系統耦合壓縮空氣儲能技術

壓縮空氣儲能技術有多種應用方式，如圖7 所示，可結合煙氣余熱回收系統溫度范圍進行選擇。

圖7 煙氣余熱回收裝置與壓縮空氣儲能的耦合Fig.7 Coupling of flue gas waste heat recovery devices and compressed air energy storage technologies

例如，德國Huntorf電站是世界上容量最大的壓縮空氣儲能電站，機組壓縮機功率60 MW，釋能輸出功率為290 MW［39］，具體原理如圖7a 所示。超臨界壓縮空氣儲能也是煙氣余熱回收利用的備選方案，以中科院工程熱物理所在廊坊所建1.5 MW 示范裝置為例，其以超臨界壓縮空氣為介質，循環效率可以達到67.41%［40］。該系統的蓄冷容量為10 GJ，裝置容積為60 m3，可承受-196 ℃的低溫，裝置承壓達到7 MPa，由此帶來造價較高、制造難度大等問題［41］。而通過如圖7b 所示的煙氣余熱回收系統與其進行耦合，可以降低對外部熱源的需求，進一步解決運行成本高的問題。

3.2 煙氣余熱回收耦合其他單一儲熱技術

根據煙氣余熱回收和低溫儲能技術的特點，可將二者進行耦合如圖8a 所示。其工作原理是利用電網低谷時段電量驅動壓縮機做功，獲得低溫或液態空氣，回收煙氣中的熱能并驅動透平主機發電。圖8b 和圖8c 分別展示了利用空氣預熱器和吸收式熱泵回收煙氣余熱的工作原理。空氣預熱器系統依靠來自汽輪機內的混合凝結水作為儲熱介質，熱泵型煙氣余熱回收系統主要利用蒸發器內流動的熱網低溫水為儲熱介質。

圖8 煙氣回收裝置與熱能存儲的3種耦合方式Fig.8 Three coupling ways of flue gas recovery devices and heat energy storage technologies

4 結論

介紹了3 種煙氣余熱回收形式和3 種儲熱應用技術，并結合煙氣余熱回收和儲熱技術的溫度區間特點提出了各種可行的耦合方式。其中，相變儲熱材料為煙氣余熱利用提供了新的發展方向。

從未來發展趨勢來看，煙氣余熱回收與壓縮空氣儲能技術耦合方案最具實際應用意義及發展潛力。該方案保留了現有系統中的大部分設備，在不造成試驗裝置失效浪費的前提下進行耦合，提高了能源的利用效率，符合國家高效、環保的能源理念。

最后，對不同煙氣余熱回收技術與熱能存儲技術的耦合方式進行了可行性分析，闡述了有效可行耦合方式的技術原理，為煙氣余熱回收技術與熱能存儲耦合技術開發提供參考。