基于吸收式熱泵的煙氣余熱回收技術應用

文_李松 北京首都機場動力能源有限公司

首都機場集中供熱站主要負責機場航站樓及其附近生活區(qū)、工作區(qū)的冬季供暖工作，總面積約為458萬m2，其熱源側均為燃氣鍋爐，載熱介質(zhì)主要是蒸汽和熱水。本文針對首都機場集中供熱站供熱系統(tǒng)，以煙氣冷凝換熱器、基于吸收式熱泵的煙氣余熱回收技術為基礎，對煙氣中的水蒸氣潛熱和顯熱加以回收利用，從而推動首都機場供熱系統(tǒng)實現(xiàn)高效經(jīng)濟運行，達到節(jié)能減排的效果。

1 煙氣余熱回收潛力分析

燃氣鍋爐的熱損失主要包括氣體不完全燃燒熱損失、排煙熱損失、散熱損失。通常情況下，鍋爐熱損失中排煙熱損失占比最大，其影響因素主要是排煙溫度和煙氣容積，其中煙氣容積則主要受爐膛過量空氣系數(shù)的影響，燃氣鍋爐的過量空氣系數(shù)一般在1.05～1.3。天然氣燃燒產(chǎn)生的煙氣中N2、H2O和CO2分別占比70.66%、17.08%和9.70%，還有少量O2、SO2等，可見水蒸氣占比較高，所以煙氣中水蒸氣的含量隨過量空氣系數(shù)的增大而升高，進而水蒸氣產(chǎn)生的冷凝熱量就越多。一般而言，燃氣鍋爐的排煙溫度每遞增10℃，排煙熱損失增加0.5%~1%，所以應盡量降低鍋爐排煙溫度。排煙溫度越低，鍋爐效率越高。當達到臨界點（露點溫度）后，潛熱開始被回收利用，鍋爐效率得到大幅提升。

目前，燃氣鍋爐的排煙溫度為90～130℃，但是集中供熱站的7臺燃氣鍋爐由于建設較早，在余熱回收利用方面僅僅設計了空預器和省煤器，該裝置只能用來回收煙氣中的顯熱，造成了潛熱的浪費。每年嚴寒時期，高負荷運行的鍋爐排煙溫度均在100℃以上，其中58MW的熱水鍋爐超過95%額定熱負荷時，其排煙溫度的實際值已經(jīng)超過160℃。集中供熱站的7臺鍋爐共用一個公共煙道，導致混合后的煙氣溫度高達120℃～150℃。燃氣鍋爐燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣直接排放至環(huán)境中，由于其攜帶的巨大熱量，既造成了熱污染，也造成了能源浪費。

2 熱泵在煙氣余熱回收方面的應用

熱泵是一種基于熱轉換技術回收利用余熱的裝置，它可以完成低品位熱向高品位熱的轉化。溴化鋰吸收式熱泵以水作為制冷劑，溴化鋰溶液作為吸收劑，它利用高溫熱源驅(qū)動，從低溫熱源中提取熱量，進而得到中溫熱能，提高熱能利用率。在余熱回收系統(tǒng)中熱泵性能直接影響到系統(tǒng)能否安全、高效、穩(wěn)定輸出熱能，因此熱泵設備的選擇是余熱回收系統(tǒng)的關鍵。

蒸發(fā)器：水在負壓下低溫蒸發(fā)，從低溫熱源中取熱。

吸收器：濃溴化鋰溶液在吸收低溫蒸汽的過程中釋放熱量，加熱冷媒。

發(fā)生器：利用驅(qū)動熱源（燃氣、高溫熱水、蒸汽）將溴化鋰稀溶液加熱，冷劑水吸收熱量后蒸發(fā)，溴化鋰稀溶液濃度升高，變?yōu)闈馊芤海俅芜M入吸收器，完成溶液的循環(huán)；蒸發(fā)出的水蒸氣即制冷劑，進入冷凝器。

冷凝器：水蒸汽冷凝成水放熱，加熱冷媒。冷凝器中由于放熱而冷凝的水進入蒸發(fā)器，形成冷劑水的循環(huán)。

目前，從驅(qū)動力來區(qū)分主要有電驅(qū)動壓縮式熱泵、燃氣吸收式熱泵和蒸汽型溴化鋰吸收式熱泵機組。

電驅(qū)動壓縮式熱泵主要特點是通過電能為壓縮機提供能量，主機系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥等組成。熱泵中的工質(zhì)于蒸發(fā)器中吸收煙氣攜帶的熱量后蒸發(fā)，進入壓縮機，被壓縮機壓縮變?yōu)楦邷馗邏汗べ|(zhì)，在冷凝器中將攜帶的熱量傳遞給熱網(wǎng)水，自身冷凝變?yōu)橐簯B(tài)，最后熱泵工質(zhì)經(jīng)過節(jié)流閥后回到蒸發(fā)器。電驅(qū)動壓縮式熱泵熱效率較高，COP可達到5左右，但電驅(qū)動壓縮式熱泵系統(tǒng)耗電量大、運行費用較高、單機容量小、系統(tǒng)維護復雜。

燃氣吸收式熱泵機組以天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量為驅(qū)動力，以溴化鋰和水組成的二元溶液為工質(zhì)，主機系統(tǒng)有溶液泵、吸收器、發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥等。天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量驅(qū)使溴化鋰溶液中的水蒸氣析出，從而進入冷凝器，水蒸氣在冷凝器中冷凝釋放出熱量加熱熱網(wǎng)回水，供給用戶；在冷凝器中冷凝后產(chǎn)生的飽和液經(jīng)節(jié)流閥降壓后進入蒸發(fā)器吸收高溫煙氣中的熱量。燃氣吸收式熱泵通過消耗天然氣回收煙氣中熱量，具有電能消耗少、系統(tǒng)可靠性高、一次能源利用率高、循環(huán)工質(zhì)無污染、運行維護方便等特點，但燃氣驅(qū)動熱泵會有排煙熱量損失、燃燒效率損失等熱量損失。

蒸汽型溴化鋰吸收式熱泵機組以高溫蒸汽攜帶的熱量為驅(qū)動力，以溴化鋰濃溶液為吸收劑，水為制冷劑。該裝置利用水在低壓低真空狀態(tài)下具有低沸點沸騰的特性，將低溫熱源中的熱量提取出來，用于采暖或生活用水。

電驅(qū)動壓縮式熱泵相對于燃氣、蒸汽吸收式熱泵來說，其能耗成本比較低，但是采用電驅(qū)動熱泵，需要增加2×1400kW的電負荷需求，同時還需增加水泵、風機等設備的電耗。目前，首都機場電負荷利用率較高，原配電系統(tǒng)無法滿足用電需求，需增容改造，改造成本很大，而且現(xiàn)狀供熱站變配電室無法滿足增容改造的條件。因此，考慮首都國際機場燃氣價格、蒸汽價格等因素，最終選用蒸汽型溴化鋰吸收式熱泵機組。

3 煙氣余熱深度回收技術方案

根據(jù)首都國際機場供熱規(guī)模，當前集中供熱站內(nèi)安裝了3臺58MW燃氣熱水鍋爐、3臺75t/h燃氣蒸汽鍋爐和1臺45t/h燃氣蒸汽鍋爐。根據(jù)《2015-2018供暖季首都機場運行日報》數(shù)據(jù)可知，集中供熱站鍋爐長期運行1臺58MW燃氣熱水鍋爐和1臺75t/h燃氣蒸汽鍋爐，供暖高峰期再運行其他一臺鍋爐進行調(diào)峰。

供暖期間鍋爐供回水溫度依據(jù)見表1。

表1 供暖期供回水溫度表

根據(jù)歷年氣象資料的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知，每年11月到次年3月期間室外平均溫度為-0.6℃，供暖期內(nèi)平均供水溫度為88.5℃，平均回水溫度為55℃。

集中供熱站各鍋爐的煙氣經(jīng)過引風機匯入公共煙道后再排入大氣。北側公共煙道煙氣溫度115℃，南側公共煙道煙氣溫度150℃；選用深度余熱利用系統(tǒng)進行方案設計時，煙氣溫度115℃、150℃進入熱泵系統(tǒng)與70℃左右的煙氣進入余熱利用系統(tǒng)相比，前者比后者的熱泵投資初投資要高10%，因此先上一級換熱器，將煙氣溫度先降至70℃，再進入熱泵系統(tǒng)。

燃氣鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣先進入煙氣冷凝換熱器，再利用中介水將煙氣中的低溫余熱置換出來，最后中介水進入吸收式熱泵機組，將攜帶的部分熱量傳遞給一次熱網(wǎng)回水。煙氣先后經(jīng)過煙氣換熱器、吸收式熱泵，其溫度可降至30℃。若運行過程中煙氣余熱深度回收設備發(fā)生故障，關閉煙道及熱網(wǎng)水進出口電動閥門，則原有供熱系統(tǒng)照常使用。

集中供熱站北側公共煙道安裝1臺0.72MW的一級換熱器和1臺8.5MW蒸汽型溴化鋰機組配套直接接觸式換熱器；南側公共煙道安裝1臺1.28MW一級換熱器和1臺8.5MW蒸汽型溴化鋰機組配套直接接觸式換熱器。煙氣先經(jīng)過一級換熱器，溫度由115℃、150℃（北側公共煙道煙溫115℃，南側公共煙道煙溫150℃）降至70℃時，然后再進入直接接觸式換熱器，煙氣溫度由70℃降至30℃。經(jīng)過計算，單套熱泵回收煙氣余熱量3.5MW，共計9MW。

采用該方案后，鍋爐向環(huán)境中排放的煙氣溫度可降至30℃，比煙氣的露點溫度58℃還要低，所以可以將煙氣中的顯熱和潛熱均回收利用，從而提高了能源利用率，減少了鍋爐排煙損失和天然氣消耗量。此方案能夠最大程度的回收煙氣的顯熱和潛熱，單套機組最大可吸收煙氣余熱量4.78MW，共回收煙氣余熱9MW；回水溫度可從55℃加熱至近68℃，節(jié)能效果非常顯著。

3.1 熱泵系統(tǒng)

蒸汽溴化鋰機組的主要技術參數(shù)如下：

驅(qū)動熱源為蒸汽，蒸汽壓力為0.8MPa，蒸汽溫度為170.4℃，凝結水溫度為90℃，凝結水壓力為0.05MPa，蒸汽耗量為7.53t/h，余熱回收熱量Q1=3.5MW，額定輸出功率Q=8.5MW，余熱冷水側設計壓力P1=1.0MPa，余熱冷水側供水溫度t1=25℃，余熱冷水側回水溫度t2=35℃，余熱冷水側流量為301t/h，余熱溫水側設計壓力P2=1.6MPa，余熱溫水側供水溫度t3=67.57℃，余熱溫水側回水溫度t4=56.32℃，余熱溫水側流量為650t/h，排煙溫度T=30℃，制熱COPε=1.7。

3.2 熱泵蒸汽系統(tǒng)

本項目采用蒸汽熱泵溴化鋰機組，鍋爐房蒸汽參數(shù)為1.05MPa，235℃。新建一蒸汽管道，通過降溫減壓后變?yōu)?.8MPa、170.4℃的蒸汽，將其作為熱泵的驅(qū)動熱源。單臺機組蒸汽耗量約7.53t/h，共設置2臺機組。進入熱泵的蒸汽經(jīng)換熱后變?yōu)?0℃的凝結水，壓力為0.05MPa，總凝結水量約15.06t/h。

3.3 余熱水系統(tǒng)

煙氣進入余熱回收機組后，在噴淋換熱器中進行換熱，其溫度可降至30℃以下。考慮到煙氣余熱回收裝置的安全性，需要將進水溫度和流量控制在合理的范圍內(nèi)。本項目一次熱網(wǎng)回水平均溫度55℃左右，平均流量1300m3/h，故將一次熱網(wǎng)回水作為煙氣余熱回收裝置的冷水。煙氣余熱回收裝置的供水取自鍋爐回水母管除污器后與循環(huán)水泵入口之間直管段上，首先進入一級換熱器換熱，水溫由55℃加熱至56.32℃，然后進入余熱回收裝置，經(jīng)再次加熱后熱網(wǎng)回水可達到67.57℃左右, 最后將熱網(wǎng)回水引入鍋爐。

單套余熱系統(tǒng)配套設備見表2。

表2 單套余熱系統(tǒng)配套設備

煙氣余熱回收設備參數(shù)見表3。

4 經(jīng)濟效益分析

通過煙氣余熱深度回收技術的應用，本項目回收煙氣余熱量同改造前相比一個采暖季可以節(jié)約天然氣約286萬Nm3，但是煙氣余熱回收裝置的增加導致了電耗的增加，約為207.3萬kWh。目前天然氣和電的結算價格分別為2.39元/Nm3、0.6元/kWh。經(jīng)過計算可知，通過加裝煙氣余熱回收裝置，每個供暖季可節(jié)約天然氣費用684.6萬元，增加電耗費用約124.4萬元，所以每個采暖季凈經(jīng)濟效益預估可達560.2萬元。

5 結語

本文針對煙氣余熱深度回收技術及其應用前景進行了介紹，結合首都國際機場集中供熱站現(xiàn)有鍋爐的狀況，提出了利用一級換熱器換熱和煙氣余熱回收機組相結合的余熱回收模式，最大程度的回收了煙氣的顯熱和潛熱，既降低了排煙溫度，又減少了排煙熱損失。單套機組最大可吸收煙氣余熱量4.78MW，共回收煙氣余熱9MW；每個供暖季節(jié)約天然氣量約為286萬Nm3，綜合經(jīng)濟效益提升560.2萬元，節(jié)能效果非常顯著。

表3 煙氣余熱回收設備參數(shù)表