燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐排煙損失再利用研究

張?jiān)栖?/p>

（北京京西燃?xì)鉄犭娪邢薰荆本?100041）

目前國(guó)內(nèi)的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，為保證能源的合理利用，一般采用熱、電、冷三聯(lián)產(chǎn)的供給方式，機(jī)組中的余熱鍋爐鍋爐的排煙溫度較高（150℃～250℃），并且煙氣中含有大量的水蒸氣，約占煙氣成分的15%～20%。這些水蒸氣如果直接排放到大氣中，不僅會(huì)攜帶走大量的汽化潛熱（占天然氣高位發(fā)熱量的10%～11%），導(dǎo)致鍋爐效率降低，而且會(huì)使空氣濕度增加，導(dǎo)致水霧以及霧霾的形成[1]。余熱鍋爐低壓省煤器后沒(méi)有設(shè)計(jì)受熱面，省煤器出口煙氣溫度高于水的露點(diǎn)和酸露點(diǎn)，處于過(guò)熱態(tài)，這是為了防止尾部受熱面的低溫腐蝕，但燃燒天然氣產(chǎn)生的煙氣非常純凈，使得鍋爐產(chǎn)生低溫腐蝕的SOx少到可以忽略不計(jì)，所以可以對(duì)余熱進(jìn)行進(jìn)一步的利用。煙氣溫度降低到煙氣露點(diǎn)溫度以下時(shí)，煙氣中的水蒸氣冷凝，放出大量的汽化潛熱。一標(biāo)準(zhǔn)立方米的天然氣燃燒后可以產(chǎn)生1.55kg、含有約3700kJ的汽化潛熱的水蒸汽，由此可見(jiàn)排煙熱損失是鍋爐熱損失里最大的一項(xiàng)。如果能對(duì)煙氣的排煙余熱再多加利用，可以提高鍋爐熱效率，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境。

1 噴淋冷凝式換熱系統(tǒng)

噴淋冷凝式換熱屬于直接接觸式換熱技術(shù)，是使高溫流體與低溫流體直接換熱混合的一種強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)方式。直接接觸換熱技術(shù)在石油、化工等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景[2]。直接接觸式冷凝換熱器是向煙氣中直接噴入溫度低于煙氣中水蒸氣露點(diǎn)溫度的水，煙氣與水直接接觸進(jìn)行換熱，煙氣和水在顯熱交換的同時(shí)還伴隨著潛熱交換；且煙氣中的各種組分在與水接觸時(shí)被吸附吸收，還可以對(duì)煙氣中的NOx等酸性氣體進(jìn)行稀釋。

直接接觸式換熱器冷凝鍋爐換熱效果好，現(xiàn)有的直接接觸式冷凝換熱器一般可將排煙溫度降至鍋爐煙氣水露點(diǎn)以下。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，煙氣直接和水接觸發(fā)生熱傳遞，其換熱面積較其他換熱方式更大。簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)易于安裝和制造，同時(shí)因?yàn)椴淮嬖陂g壁，所以沒(méi)有間壁熱損失和污垢熱阻，傳熱效率高，且進(jìn)出口溫差小。因?yàn)闊煔馀c水直接接觸，所以可以稀釋煙氣中的污染物成分，降低煙氣污染物排放。但同時(shí)冷凝水被污染，含有少量的酸性，需要將換熱器某些部分的金屬材料換為耐腐蝕材料，冷凝水也需要后續(xù)的加藥處理。具體系統(tǒng)流程如圖1所示。

在國(guó)外，冷凝換熱器與熱泵聯(lián)合熱能回收系統(tǒng)已投入實(shí)際應(yīng)用。如，1985年瑞典在垃圾焚燒場(chǎng)的煙氣余熱回收中使用了冷凝換熱器與熱泵聯(lián)合余熱回收系統(tǒng)[3]。

被抽風(fēng)機(jī)抽出的鍋爐低壓省煤器出口煙氣，進(jìn)入噴淋式換熱器與噴淋冷凝水進(jìn)行換熱，可將160℃的高溫?zé)煔饫淠?00℃，增加了余熱煙氣的利用效率。而經(jīng)過(guò)與水混合后的混合汽溫度低于煙氣酸露點(diǎn)，其煙氣成分中的NOx等被冷凝水冷凝并帶走，也大大降低了鍋爐出口處的NOx排放量。噴淋換熱器中層上部設(shè)置一組平行噴淋設(shè)備，將冷凝水向下噴淋與從鍋爐抽出的煙氣進(jìn)行直接換熱，噴淋設(shè)備上部設(shè)置百葉結(jié)構(gòu)的格柵，可通過(guò)物理凝結(jié)途徑有效回收水分，與燃燒1Nm3天然氣換熱約能回收約0.3kg～1.1kg的水，減少了系統(tǒng)補(bǔ)水水量。與煙氣換熱后的冷凝水中HNO3等酸性化合物含量上升，可以通過(guò)加入NaOH等化學(xué)藥劑改善，并通過(guò)定期排污與系統(tǒng)補(bǔ)水降低濃度。換熱后的煙氣回到鍋爐煙氣排放管段，與未被抽出的熱煙氣混合升溫超過(guò)煙氣水露點(diǎn)，這樣便解決了鍋爐出口大量水蒸氣凝結(jié)，從而返回鍋爐的危險(xiǎn)。排放的煙氣中的NOx成分下降，使得鍋爐環(huán)保指標(biāo)上升。

圖1 噴淋冷凝式換熱系統(tǒng)流程

2 溴化鋰吸收式制冷-熱泵系統(tǒng)

在制冷方面，電廠通常采用蒸汽噴射式制冷或者溴化鋰吸收式制冷，這兩種方式?jīng)]有需要使用電能驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，降低了能源利用的品位，但由于蒸汽噴射式制冷會(huì)增加廠內(nèi)的蒸汽汽耗量，所以現(xiàn)在多采用使用余熱熱水的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，其制冷系統(tǒng)如圖2所示。

以京西燃?xì)鉄犭姀S為例，溴化鋰制冷機(jī)組的熱源水來(lái)自低壓省煤器出口支路，該方式利用了一部分的鍋爐余熱，但其熱源是從低省出口獲取，所以一定程度上降低了低壓汽包的上水流量與溫度。

在供熱上，聯(lián)合循環(huán)通常采用從蒸汽輪機(jī)側(cè)抽氣的抽凝方式，或甩掉汽輪機(jī)低壓缸的背壓方式，將抽出的中壓缸排氣、背壓下的低壓缸主蒸汽送入熱網(wǎng)加熱器（管殼式換熱器）中，與大約60℃的熱網(wǎng)回水進(jìn)行換熱，然后供出場(chǎng)外。為加強(qiáng)鍋爐余熱利用效率，在熱網(wǎng)換熱系統(tǒng)中，增加煙氣水水換熱器的管路，也就是從低壓省煤器出口引出一路熱源到管殼換熱器中對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行小幅度加熱。這種利用方式與制冷時(shí)相同，使用了低省至低壓氣包的上水，存在不利因素。

圖2 溴化鋰制冷系統(tǒng)

而余熱爐煙氣自低壓省煤器后便不存在受熱面，使用常規(guī)的熱回收方法會(huì)存在低溫腐蝕等問(wèn)題。溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)是以消耗小部分高、中品位熱源(如利用天燃?xì)?、電能或高溫?zé)崮?作為補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)，通過(guò)內(nèi)部熱力循環(huán)，把余熱源中的熱量輸送到需要使用的媒介中。吸收式熱泵可以分為兩類，第一類吸收式熱泵,也稱增熱型熱泵,是利用少量的高溫?zé)嵩?，產(chǎn)生大量的中溫有用熱能"即利用高溫?zé)崮茯?qū)動(dòng)，把低溫?zé)嵩吹臒崮芴岣叩街袦?，從而提高了熱能的利用效率[4]。而第二類為吸熱型，由于其結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有電廠已投產(chǎn)的溴化鋰制冷機(jī)組不同，這里不做介紹。第一類吸收式熱泵的性能系數(shù)大于1，一般為1.5～2.5[5]。從工作原理上來(lái)看，第一類吸收式熱泵與吸收式制冷機(jī)的工作原理是一致的[6]。其制熱原理如圖3所示。

圖3 溴化鋰熱泵系統(tǒng)

為滿足已建燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠對(duì)余熱鍋爐排煙熱損失再利用的需求，本文在這里提出一種溴化鋰吸收式制冷-熱泵系統(tǒng)方案流程，具體系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 溴化鋰吸收式制冷-熱泵系統(tǒng)

目前，大部分的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠采用夏季使用溴化鋰機(jī)組供冷的方式，但溴機(jī)組的利用率不高，僅夏季使用。結(jié)合圖2與圖3的溴化鋰系統(tǒng)設(shè)備與工作原理可以看出，溴化鋰制冷系統(tǒng)和溴化鋰第一類吸收式熱泵的設(shè)備與流程相差不大，完全可以通過(guò)后期改造使得溴化鋰系統(tǒng)擁有制冷與熱泵相互切換的功能。將電廠現(xiàn)有的溴化鋰制冷設(shè)備進(jìn)行改造，在制冷冷卻水供回水管路上添加供熱管路三通支路，與此同時(shí)在溴化鋰制冷系統(tǒng)冷凍水供回水管路上增設(shè)供熱循環(huán)水三通管路，制冷余熱管路可與供熱熱源管路共用。即可做到從讓溴化鋰吸收式系統(tǒng)在制冷與供熱兩種方式上的切換。這種改造大大增加了溴化鋰機(jī)組的全年使用頻率，并且滿足了除夏季以外季節(jié)的廠區(qū)供熱需求（由于熱電廠需要全年為外界供熱），同時(shí)降低煙氣水水換熱器從余熱爐低壓省煤器出口抽出的熱水流量，保證了更多流量的低壓汽包上水，提升了鍋爐的熱效率。整個(gè)溴化鋰系統(tǒng)增加2臺(tái)經(jīng)過(guò)流動(dòng)阻力計(jì)算的離心水泵，可以使得系統(tǒng)正常高效運(yùn)行。

3 節(jié)能計(jì)算與經(jīng)濟(jì)性分析

本次節(jié)能計(jì)算以北京京西燃?xì)鉄犭娪邢薰就懂a(chǎn)的“一拖一”燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱爐參數(shù)為例，具體參數(shù)與計(jì)算如下。

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口壓力2.8MPa，過(guò)量空氣系數(shù)選取為α=1.1，低壓省煤器出口煙氣溫度為160℃，冷凝式換熱器煙氣回流溫度100℃，溴化鋰吸收式熱泵的性能系數(shù)取為1.7。

排煙溫度為100℃時(shí)煙氣各組分的定壓比熱容分別為，cpCO2=0.8966kJ/(kg·℃ )；cpO2=0.9297kJ/(kg·℃ )；cpH2O=1.864kJ/(kg·℃ )；cpN2=1.039kJ/(kg·℃ )。

排煙溫度為160℃時(shí)煙氣各組分的定壓比熱容分別為，cpCO2=0.9546kJ/(kg·℃ )；cpO2=0.9420kJ/(kg·℃ )；cpH2O=1.8423kJ/(kg·℃ )；cpN2=1.034kJ/(kg·℃ )。

煙氣的比熱容等于各個(gè)成分的比熱容和他們質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乘積：

計(jì)算得出，煙氣在100℃時(shí)和160℃時(shí)的定壓比熱容為1.068kJ/(kg·℃ )、1.075kJ/(kg·℃ )。

因?yàn)楦叻鍟r(shí)每小時(shí)用氣量約為128.6×104Nm3/h，所以每小時(shí)產(chǎn)生的煙氣質(zhì)量計(jì)算方法如下式所示：

計(jì)算得出，每小時(shí)產(chǎn)生的煙氣的質(zhì)量為220726.212kg/h。

當(dāng)煙氣溫度為任意攝氏度時(shí)，所含的顯熱量等于該溫度下煙氣的定壓比熱容和其每小時(shí)產(chǎn)生的煙氣質(zhì)量與溫度的乘積。

計(jì)算得出，100℃時(shí)煙氣所含的顯熱為23.57×106kJ/h、160℃時(shí)煙氣所含顯熱為23.72×106kJ/h。冷凝式噴淋余熱回收設(shè)備回收熱量為1.5×105kJ/h，相當(dāng)于每小時(shí)節(jié)約17.6m3的天然氣或21.4kg的標(biāo)準(zhǔn)煤，全年節(jié)省天然氣11.57萬(wàn)m3，全年減少二氧化碳排放1755.44t。全年除去夏季制冷工況下每個(gè)余熱爐可多節(jié)省29.7萬(wàn)元人民幣。

則該系統(tǒng)全年除去夏季制冷工況外，可以向外界持續(xù)提供90℃、1200t/h、140GJ的熱水，按照北京市燃?xì)鉄犭姀S熱力出廠價(jià)格84元/吉焦[7]，全年可多獲盈利7733萬(wàn)元人民幣。

4 結(jié)論

本文對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐機(jī)組提出了一種可以滿足現(xiàn)有余熱爐改造的鍋爐尾部煙氣余熱深度回收利用的系統(tǒng)方案。使用直接接觸式換熱器與吸收式熱泵結(jié)合和方法回收余熱爐低壓省煤器后具有一定品味的排煙煙氣。依據(jù)北京京西燃?xì)鉄犭姟耙煌弦弧睓C(jī)組進(jìn)行了節(jié)能計(jì)算與經(jīng)濟(jì)性分析。根據(jù)上文數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論。

（1）使用本文提出的冷凝式換熱器與溴化鋰吸收式制冷-熱泵系統(tǒng)時(shí)，每年可節(jié)省11.57萬(wàn)m3的天然氣，折合人民幣約29.7萬(wàn)元，供熱收益7733萬(wàn)元人民幣，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

（2）煙氣余熱深度回收利用系統(tǒng)減少了燃料消耗，降低了煙氣排放量。其中，每年可減少的二氧化碳排放量約為1755.44t，對(duì)節(jié)能減排做出了貢獻(xiàn)。

（3）使用直接接觸式煙氣換熱器，換熱效率高且可以清洗煙氣中的污染物質(zhì)和灰塵，對(duì)環(huán)境友好。

余熱爐排煙再利用系統(tǒng)雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些目前不能克服的問(wèn)題，如：經(jīng)冷凝換熱器與煙氣換熱后的余熱水無(wú)法直接回收利用或排放，需經(jīng)加藥裝置加藥調(diào)節(jié)酸堿度后再回收或排出、整體設(shè)備初投資較高等。這都需要未來(lái)能有更多人能對(duì)煙氣余熱回收進(jìn)行更深層次的研究和改進(jìn)。