煙氣余熱深度回收技術在燃煤熱源廠的工程應用

1 研究背景

燃煤鍋爐排煙中蘊含的熱量占燃料熱值的 4%～ 8% ，回收這部分煙氣的熱量可以顯著提高鍋爐的熱效率，對于大部分的燃煤鍋爐，煙氣在排放之前需要經過濕法脫硫工藝，該處理過程會比較顯著地改變煙氣的熱力狀態，使其由高溫低濕煙氣變為低溫高濕煙氣，顯熱轉變成汽化潛熱，直接排放到環境中，造成的熱量損失可達 10% ，不僅帶來了能源的浪費，而且會形成煙囪冒“白煙\"現象[1-2]。隨著能源利用效率的提高和環境保護意識的增強，余熱回收技術越來越受到重視。

熱電廠在生產過程中會產生煙氣，由于電廠煙氣溫度在 50^°C 左右，屬于低品位熱能，直接利用范圍狹窄，利用量極少。同時，居民生活中冬季需要采暖，洗浴也需要熱水，目前這部分主要是通過燃煤鍋爐或高品質能源一電或蒸汽、燃氣來提供的，而電又是通過燃煤來獲得的。如果能提高煙氣中的熱量品位并向居民供熱，將會節約大量燃料，提高能源綜合利用率，實現燃煤電廠熱能的循環使用，大大節約能源，減少污染排放。要使回收后的熱量具有較高品質，需采用中高溫熱泵和高溫熱泵。本文針對火電廠自身能源的特點，提出基于吸收式熱泵機組的煙氣余熱回收技術，結合噴淋換熱器、吸收式熱泵，能深度回收煙氣余熱和煙氣凝結水，旨在有效利用煙氣中的余熱和水分，增加供熱能力，緩解補水壓力。

2余熱回收技術系統主要設備介紹

該技術是利用飽和凈煙氣在不同溫度下水蒸氣飽和分壓不同的原理，通過低溫循環水與飽和凈煙氣在噴淋換熱器內直接接觸換熱[3-4]，可以將煙氣溫度降低至 25^°C 左右，使煙氣中大部分水蒸氣冷凝析出，減少煙氣外排水蒸氣量，進而解決冒“白煙\"的問題，降溫釋放的余熱經吸收式熱泵機組回收傳遞至熱網系統或其他工藝系統實現高效利用。循環水在噴淋換熱器與熱泵機組間循環往復，實現煙氣余熱的轉移再利用。煙氣降溫析出的冷凝水，實際上來自于脫硫塔噴淋漿液蒸發的水分和燃煤自身攜帶的水分，經過水處理，可以作為脫硫塔的工藝補水或其他工藝補水，能有效緩解濕法脫硫工藝為電廠帶來的補水壓力。煙氣與循環水直接接觸實際上是煙氣的再次洗滌過程，能夠有效降低煙氣中 SO₂.NO_x 及粉塵濃度，減少最終污染物的排放量[56]。

2.1 溴化鋰吸收式熱泵

以高溫熱源驅動，把低溫熱源的熱量傳遞給需要的中溫熱源，從而提高系統能源的利用效率。熱泵由發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器、溶液熱交換器、節流裝置、溶液泵、冷劑泵等組成。

驅動熱源可以選用高溫蒸汽、天然氣、高溫熱水，低溫熱源是與煙氣換熱后的中介水，被加熱的熱水（中溫熱源）是集中供熱的熱網水。以高溫熱水為驅動能源 Q_H; ，產生制冷效應，回收與鍋爐煙氣換熱后的中介水熱量 Q_L ，加熱熱網回水。得到的有用熱量（熱網加熱量）為消耗的高溫熱水熱量和回收的余熱量之和 Q_H+Q_L 。熱泵的性能系數（COP）定義為得到的有用熱量與消耗的高溫熱水熱量之比，即COP=（Q_H+Q_L）/Q_H° 如單效吸收式熱泵 COP=1.7 ，即消耗1份高溫熱源熱量，回收0.7份低溫余熱，為熱網提供1.7份熱量，可見吸收式熱泵供熱量始終大于消耗的高品位熱源的熱量，具有顯著的節能優勢[7-8]。

2.2 噴淋換熱器

噴淋換熱器是一種煙氣/水直接接觸式換熱器，采用在高溫煙氣中直接噴淋冷卻水的方式進行換熱，結構上采用無填料設計，以減少運維成本，具有腐蝕小、無結垢、換熱效率高、傳熱溫差小、壓降小和投資費用低等優點[9-10]

3余熱回收系統優點介紹

3.1 余熱回收徹底，消白顯著

煙氣經過噴淋塔降溫幅度越大，排放煙氣含濕量越低，煙氣產生白煙的濃度越低，白煙越不明顯，常規脫硫后凈煙氣含濕量 15% （溫度 55^°C） ，經過降溫后可降至 3% （煙溫 25^°C? ，煙氣水蒸氣排放量可減少近 80% 。換熱器內采用降低煙氣流速設計，以提高除霧效率，除霧效率能夠達到 99% 以上。在北方多地，冬季環境溫度最低在 -10^°C 以下，排白煙現象得到了巨大改善[11-12]。

3.2 系統安全穩定、運維成本低

噴淋塔布置于濕式電除塵器之后，在煙氣余熱回收系統停運狀態下，由于噴淋塔采用低流速空塔噴淋工藝，流速下降，可大幅降低煙氣阻力，因此不會給煙氣系統帶來影響，系統安全性及穩定性高。

3.3 新增煙阻小

煙道上新增加了噴淋換熱器，會帶來部分額外的阻力，主要包括兩部分：一是由噴淋換熱器內部的結構布置導致的，主要包括除霧器部分阻力、噴淋管帶來的阻力以及噴水帶來的阻力；二是換熱導致煙氣溫度降低、密度增加，帶來的煙肉自拔力下降。噴淋塔經過合理設計，采用深度降溫、低流速的方式后對原煙風系統增加阻力在 600Pa 內，加上煙道改造增加的少量阻力，系統整體帶來的煙阻影響極小，一般引風機余量可以克服。

3.4 防腐性能好

系統的防腐設計主要有三個方面：一是通過對噴淋循環水的處理，減弱其本身的腐蝕性；二是使用耐腐蝕材料作為設備制作材料；三是對設備進行加內襯、刮玻璃鱗片等防腐處理。

3.5 熱泵自動滿足全采暖季供熱工況

1機組設計合理性。根據不同項自情況，煙氣余熱回收機組采用專門的定制設計，合理確定煙氣余熱回收機組四大器（煙氣換熱器、空氣預熱器、余熱鍋爐、風機）的比例及溴化鋰溶液濃度配比。

2機組設計制造運行的成熟可靠。設計制造階段，通過有限元分析和嚴格的強度試驗來保證機組結構強度，通過模擬保證機組的實際運行效果。此外，對煙氣余熱回收機組材質的選用非常慎重，換熱管選用優質厚壁的管材，保證機組的壽命和可靠性。

為保證煙氣余熱回收機組全工況高效運行，機組配備溶液/水自調節系統，配以獨創的自控策略，使機組在不同的外界條件下均可安全穩定運行，同時煙氣余熱回收機組實現了全工況調節，保證系統運行的穩定性、連續性和安全性。通過以上措施，煙氣余熱回收機組完全適應集中供熱工況，并可實現煙氣余熱回收機組與熱網設備之間的穩定配合，避免對系統造成影響[13-14]。

4余熱回收系統工程案例介紹

濟南某熱源廠現有6臺 100t/h 水煤漿鍋爐，每臺鍋爐的煙氣依次獨立進入脫硝、除塵裝置，隨后1#、2#、3#鍋爐煙氣匯總在一起，4#、5#、6#鍋爐煙氣匯總在一起，再分別進入兩臺脫硫塔，隨后再進入兩套濕式電除塵裝置，最后進入混凝土煙道排放。

4.1 系統及系統圖

項目采用煙氣余熱深度回收技術，利用燃氣直燃型吸收式熱泵回收水煤漿鍋爐煙氣余熱，集煙氣余熱深度回收技術、煙氣二次降污技術、煙氣凝水處理回收技術、煙氣再熱消白技術對鍋爐煙氣進行深度余熱回收后用于供熱。原則性熱力系統圖如圖1所示。

本套系統主要包括以下設備：直燃型吸收式熱泵機組、鍋爐噴淋塔、熱泵噴淋塔、中介水泵、除霧器沖洗水泵等。整套煙氣余熱回收系統主要包括以下分系統：煙氣系統、余熱回收系統、除霧沖洗系統[15-16]。

1）煙氣系統。煙氣余熱回收裝置設計為噴淋換熱塔，鍋爐脫硫后煙氣匯合再進入鍋爐噴淋塔與中介水液滴直接接觸，進行換熱、除塵和脫硫反應，煙氣中的熱量和污染物被中介水吸收，經過除霧器除去煙氣中的液滴后進入煙肉排放。熱泵煙氣進入熱泵噴淋塔與中介水換熱后排放。

②）余熱回收系統。低溫循環水在中間循環泵提供的壓力下進入塔內噴淋層，與煙氣充分接觸、換熱，吸收酸性物質及煙塵。升溫后的循環水通過吸收式熱泵機組將熱量傳遞給需要加熱的熱網水，實現了煙氣余熱的回收利用。循環水在噴淋塔與熱泵機組之間往復循環，除系統調試注水一次外，整個系統不產生水耗，同時會持續產生大量煙氣凝水。循環水匯集于水箱內，水箱設計可內置于塔底，也可外置獨立布置。水箱通過自然溢流或凝水泵排水的方式保持液位，防止循環泵出現汽蝕，同時將煙氣中大量凝結水回用于其他工藝補水，系統自動保持循環水量平衡。

③除霧沖洗系統。除霧器集成于噴淋塔內部，通過實時監測除霧器前后煙氣壓差來判斷除霧器是否有污垢堵塞，自動啟動除霧器沖洗水泵進行在線自動沖洗。

4.2 設備配置

通過詳細計算、設備選型，系統主要設備配置如表1所示。項目采用了大型噴淋換熱器換熱 + 大型燃氣驅動吸收式熱泵余熱回收機組回收余熱并消除煙肉“白煙”，熱泵系統總回收熱量44MW，總供熱量112MW 。

5余熱回收系統經濟性分析

本文所列項目增加供熱量 112MW ，約相當于增加 160t/h 鍋爐。按照帶余熱回收系統的燃氣鍋爐房投資25萬元／ Π（t/h） 計算，如果增加鍋爐，鍋爐房投資約為4000萬元，與之相比，余熱回收系統增量投資為3975.7萬元。

余熱回收系統中， 44MW 的燃煤鍋爐煙氣熱量不需要燃燒天然氣，相當于節省天然氣 4547.3Nm³/h 按照燃氣價格1.71元/ ΔNm³ 、全采暖滿負荷運行計算，每個采暖季可節省天然氣1309.6萬 Nm³ ，節省運行費用2239.4萬元。

社會效益：項目投產后，實際年可節約標準煤19 200t， 減排 CO₂49920t 減排 SO₂460t. 減排 NO_x 134t; ：年回收凝水 118000t 。

本項目共增加電耗 2132kW ，按0.8元/ （kW?h） 計算，每年增加運行電費343.8萬元；每年中和處理購堿費用約為15.7萬元。合計運行費用359.5萬元。

該項目增量投資3975.7萬元，每年額定凈收益1879.9萬元，靜態增量投資回收期2.1年[17-18]。

6 結論

1）熱源廠鍋爐排煙熱量很大，具有很高的回收價值，經計算靜態增量投資回收期為2.1年。

2）余熱回收系統產生大量冷凝水，經過深度處理后可進行再利用，經濟性進一步提高，且可實現鍋爐房的污水零排放。

3）每采暖季回收煙氣余量45.6萬GJ，回收煙氣 凝水13.3萬t，額定純收益1879.9萬元。

綜上所述，煙氣余熱深度回收技術可回收煙氣熱量，顯著提高系統供熱量，并大幅減少能源消耗，對于提高熱源廠供熱能力、減少燃氣消耗、提高經濟性具有明顯的改進作用，經濟效益、環境效益和社會效益明顯，具有很高的應用價值[19-21]。

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