吸收式熱泵在燃?xì)鉄犭姀S余熱回收中的應(yīng)用

文 _ 王軍 北京京西燃?xì)鉄犭娪邢薰?/p>

1 熱電廠余熱資源

余熱資源屬于二次能源，是一次能源或可燃物料轉(zhuǎn)換后的產(chǎn)物，或是燃料燃燒過程中所發(fā)出的熱量在完成某一工藝過程后所剩下的熱量。

工業(yè)余熱按照溫度品位一般分為600℃以上的高溫余熱、300～600℃的中溫余熱和300℃以下的低溫余熱；按照來源又可被分為煙氣余熱、冷卻介質(zhì)余熱、廢汽廢水余熱、化學(xué)反應(yīng)熱、高溫產(chǎn)品和爐渣余熱，以及可燃廢氣、廢料余熱。

煙氣余熱所攜帶的熱量屬于低溫余熱，主要包括兩部分：一是不可凝結(jié)氣體的顯熱；二是煙氣中水蒸汽的潛熱。尤其是對(duì)于天然氣等含氫量較高的燃?xì)?，其燃燒后的煙氣中含有大量水蒸汽。傳統(tǒng)工業(yè)鍋爐煙氣中水蒸汽均以氣態(tài)形式排放，水蒸汽的冷凝潛熱未得到利用。煙氣余熱在回收煙氣顯熱的同時(shí)還可回收水蒸汽冷凝潛熱，鍋爐熱效率可大大提高。

燃?xì)鉄犭姀S中的循環(huán)水所攜帶的熱量主要來源于蒸汽輪機(jī)中的乏汽熱量。根據(jù)朗肯循環(huán)可知，熱電廠中熱利用效率主要來源于盡可能高的蒸汽參數(shù)和盡可能低的真空環(huán)境。所以熱電廠普遍采用大量循環(huán)水降低循環(huán)中的終端參數(shù)，形成盡可能低的真空，導(dǎo)致蒸汽中的大量熱量被循環(huán)水帶走，這部分損失成為冷源損失。同時(shí)循環(huán)水中的廢熱需要循環(huán)水泵、泵和風(fēng)機(jī)向環(huán)境中散發(fā)，泵與風(fēng)機(jī)也同時(shí)消耗了大量的廠用電量，造成了能源浪費(fèi)。

2 北京市燃?xì)鉄犭姀S余熱回收前景分析

《2015-2020年中國余熱發(fā)電行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》顯示，我國能源利用率僅為33%左右，比發(fā)達(dá)國家低約10%，至少50%的工業(yè)耗能以各種形式的余熱被直接廢棄，工業(yè)余熱利用率低，能源(能量)沒有得到充分綜合利用是造成能耗高的重要原因。我國工業(yè)余熱資源豐富，廣泛存在于工業(yè)各行業(yè)生產(chǎn)過程中，余熱資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，其中可回收率達(dá)60%，余熱利用率提升空間大，節(jié)能潛力巨大，工業(yè)余熱回收利用又被認(rèn)為是一種“新能源”。

北京市燃?xì)鉄犭姀S煙囪排放余熱溫度約為100℃，資源基本能達(dá)到額定功率的10%。同時(shí)熱電機(jī)組通過冷卻塔向熱電廠周圍環(huán)境排放大量低溫余熱，數(shù)量巨大，可占到機(jī)組額定供熱量的30%以上。

按照《北京市“十三五”時(shí)期供熱發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，中心熱網(wǎng)供熱面積應(yīng)控制在2億m2以內(nèi)，熱源能力總需求約為1．2億MW。而目前，四大燃?xì)鉄犭娭行募盁嵩磸S的供熱能力不足1億MW，到2020年末，預(yù)計(jì)中心熱網(wǎng)將存在約2000MW的供熱缺口。

充分挖掘燃?xì)鉄犭姀S煙氣和循環(huán)水中的余熱資源將成為彌補(bǔ)可能出現(xiàn)的供熱缺口的重要方式。通過測算，到2020年，僅北京市中心大網(wǎng)內(nèi)熱電廠煙氣余熱利用潛力即可達(dá)到2000MW。

3 熱電廠余熱利用技術(shù)

3.1 利用壓縮式熱泵機(jī)組回收余熱

壓縮式熱泵基本循環(huán)過程(圖1)為：低溫低壓的制冷劑在蒸發(fā)器中將等壓吸收水源側(cè)熱量變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，再進(jìn)入冷凝器向用戶側(cè)等壓放熱后變成低溫高壓的液體，最后經(jīng)過節(jié)流閥絕熱節(jié)流后成為低溫低壓的制冷劑，制冷劑再流經(jīng)蒸發(fā)器開始新的循環(huán)。

3.2 利用吸收式熱泵機(jī)組回收余熱

吸收式熱泵是利用工質(zhì)的吸收循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱泵功能的一類裝置(圖2)。它采用熱能直接驅(qū)動(dòng),而不是依靠電能、機(jī)械能等其它能源。吸收式熱泵機(jī)組通過驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)，吸收內(nèi)循環(huán)水中的熱量，輸送到熱網(wǎng)回水，達(dá)到回收煙氣余熱的目的。

吸收式熱泵的工作介質(zhì)是一種二元溶液，溶液在吸收高溫?zé)嵩吹臒崃亢蟛糠制?，受熱汽化的工質(zhì)進(jìn)入冷凝器放出熱量，冷凝成液態(tài)。

4 吸收式熱泵在熱電廠余熱利用中優(yōu)勢分析

圖1 壓縮式熱泵原理圖

圖2 吸收式熱泵原理圖

吸收式熱泵可以利用各種熱能，如以蒸汽、熱水和燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣為驅(qū)動(dòng)熱源，將各種低品位熱源，如余熱、排熱、循環(huán)水等低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩幢盟?。與壓縮式熱泵系統(tǒng)相比，吸收式熱泵在燃?xì)鉄犭姀S余熱利用中具有兩個(gè)重要特點(diǎn)：一是可以利用熱電廠中煙囪余熱和循環(huán)水余熱的低品位余熱，節(jié)約能耗；二是以熱能為動(dòng)力，與壓縮式機(jī)組相比，可以節(jié)約電耗，適合于燃?xì)鉄犭姀S應(yīng)用場景。

以吸收式熱泵回收熱電廠煙囪余熱為例，在節(jié)能環(huán)保方面具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）不僅能回收煙氣中水蒸氣的顯熱，還能回收水蒸氣潛熱，回收的熱量為傳統(tǒng)的煙氣余熱回收裝置的5倍左右。

（2）可實(shí)現(xiàn)小溫差換熱，適用范圍遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)煙氣回收裝置。

（3）燃燒1m3天然氣能回收水約0．3～1．1kg。

（4）采用特有換熱方式和防腐材料，使用壽命高達(dá)15～20a。

（5）可廣泛應(yīng)用于熱電廠煙氣余熱回收、燃?xì)夤┡仩t房煙氣余熱回收和分布式能源中心煙氣余熱回收。在燃?xì)忮仩t房使用，可以提高效率10%～12%，在熱電廠使用，可提高供熱能力38%。

（6）通過吸收式熱泵機(jī)組，煙氣排放的品質(zhì)得到提升，降低NOX的排放。

（7）大量水汽被回收，避免直接排放到空氣中與灰塵等結(jié)合形成霧霾。

除此之外，吸收式熱泵機(jī)組無噪音、無毒環(huán)保、安全可靠、安裝簡單、運(yùn)行靈活、維護(hù)方便，適合既有熱電廠的改造應(yīng)用。

5 結(jié)論

回收不同溫度的余熱資源對(duì)降低企業(yè)能耗，實(shí)現(xiàn)我國節(jié)能減排、環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。吸收式熱泵機(jī)組在熱電廠余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可結(jié)合原有生產(chǎn)系統(tǒng)，充分考慮回收設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境和使用條件，保證回收系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行，適合在廣大新改擴(kuò)建熱電廠中應(yīng)用。

[1] 連紅奎,李艷,束光陽子,顧春偉.我國工業(yè)余熱回收利用技術(shù)綜述[J].節(jié)能技術(shù),2011,2.

[2] 2015-2020年中國余熱發(fā)電行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告[R]. 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院,2015.

[3] 肖偉東. 排煙及循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)在火力發(fā)電廠的設(shè)計(jì)[J]. 電力技術(shù),2017,24.