吸收式热泵技术在燃煤机组烟羽治理中的应用分析

文_单永华 河北国华定州发电有限责任公司

国内火电厂基本已经完成新一轮的超低排放环保技术改造。从目前的情况看，火电厂经过炉内低氮燃烧改造、烟气脱硝改造、除尘器改造、脱硫改造等，烟气排放标准满足超低排放NOx、SO2和烟尘排放标准。脱硫塔（湿式电除尘器）出口湿饱和烟气直接通过烟囱排放，虽然污染物排放量有限，但在烟囱出口形成了白色烟羽，在冬季和环境湿度较大的地区，白色烟羽尾迹较长，伴随光照时，白色烟羽呈现出黑灰色，造成了严重的可凝结颗粒物污染。

烟气脱白已经被上海、浙江、天津、河北等地方政府陆续列入大气治理指标，要求燃煤电厂应采取相技术降低烟气排放温度和含湿量,目前国内主流的脱白技术路线为烟气冷凝+再热技术，通过冷凝器将脱硫后饱和烟气降温，脱去烟气中的部分水蒸汽，随后加热到合适的排放温度，提高烟气抬升力。虽然能够起到消除白烟的作用，但是烟气余热没有得到利用。如何充分回收利用这部分冷凝热成为行业关注的热点。本文以国华定州电厂3号机组运行参数为例，介绍吸收式热泵在烟气脱白治理中的方案，不仅可以收集余热，还可以通过收集烟气中过饱和水蒸汽中水分,减少烟气中可溶性盐、硫酸雾、有机物等可凝结颗粒物的排放，改善视觉污染，解决烟囱冒白烟的问题。

1 吸收式热泵的工作原理

吸收式热泵是一种利用低品位热源，实现将热量从低温热源向高温热源泵送的循环系统。是回收利用低温位热能的有效装置，具有节约能源、保护环境的双重作用。吸收式热泵由蒸发器、冷凝器、吸收器、发生器和换热器等五个大的部分组成。以蒸汽为驱动热源，溴化锂溶液为吸收剂，水为制冷剂，利用水在低压 真空状态下低沸点沸腾的特性，提取低品位热源中的热量，通过回收转换制取采暖用 高品位的热水。

发生器内制冷剂形成过程：吸收器出口的稀溴化锂溶液经过溶液热交换器换热升温之后进入发生器，被燃烧器输入的热量加热沸腾，产生高温高压冷剂蒸汽。发生器内浓溴化锂溶液经溶液热交换器换热降温后进入吸收器，冷剂水蒸汽从顶部出口进入冷凝器内。

冷凝器内冷凝、加热过程：从发生器进入冷凝器的冷剂水蒸汽在冷凝器内与工作介质换热凝结成饱和冷剂水，通过节流降压进入蒸发器。

蒸发器内的热回收过程：在低压下，从冷凝器来的冷剂水在蒸发器内吸收低温热源的热量蒸发，汽化潜热即为回收的热量。

吸收器内的吸收、加热过程：从发生器来的浓溶液进入吸收器，吸收由蒸发器蒸发的冷剂水蒸汽，并放出热量对工作介质加热。

通过以上四个工作过程实现利用高品位热能做驱动热源来提升低位热能的温位，回收更多的低品位热能，从而提高总能量利用率的目的。

溴化锂吸收式热泵可以有效地回收各种行业的工艺余热和大自然中的低温余热，从而实现节约能源、降低碳排放、大幅降低生产运行损耗和成本的目的，已经在供热机组中有了较为普遍的应用。

2 工程设想

2.1 基础参数

本次设计的烟气参数见表1，吸收塔出口温度冬季按照50℃，夏季按照51℃进行计算。根据《河北省钢铁、焦化、电力行业深度减排攻坚方案》165号文件要求，按照夏季吸收塔出口温度由51℃冷凝至48℃，再由48℃升温至64℃；冬季吸收塔出口温度由50℃冷凝至45℃，再由45℃升温至60℃，具体的冷凝及加热参数见表2。

表1 FGD入口烟气参数

表2 烟气冷凝及加热参数

2.2 设计方案

2.2.1 设计原则

本设计方案考虑了北方地区烟气脱白冷源及冬季供暖需求，通过汽轮机抽汽驱动溴化锂吸收式热泵，冷媒水对烟气低品位余热进行回收，夏季将汽轮机凝水加热到合适的温度，如果有多余的热量则通过暖风机加热空气，提高进入炉膛空气温度，提高燃烧效率。冬季则全部用于加热供热回收，节约汽轮机的供热蒸汽，工作原理见图1。

设计方案如图2所示，夏季从中压排汽抽汽，冬季从中、低压缸连通管抽汽（冬季抽汽量约95.4t/h、夏季抽气量约57t/h用于驱动热泵，回收脱硫塔后烟气冷凝余热，用于加热冷凝后烟气，同时夏天加热凝水，冬季则加热供热回水。蒸汽驱动热泵做功后的凝结水回除氧器，回水温度为149℃。在烟气冷凝器后设置一级烟道除雾器，用抽汽于收集烟气降温后的凝结水。

2.2.2 烟气冷凝器

增设的烟气冷凝器布置在吸收塔出口水平净烟道上。烟气冷凝器以热泵的循环冷却水作为冷源，通过把循环冷却水引入烟气冷凝器，冬季将吸收塔出口烟气温度由50℃冷却到45℃，烟气温度降低释放的热量约为43.9MW，每小时从烟气中析出水59.86t，析出的水通过冷凝器底部及增设的烟道除雾器收集至冷凝液收集水箱中。

2.2.3 吸收式热泵

溴化锂热泵回收余热量43.9/28.8MW(冬/夏)，假设热泵COP为1.7，则需要从5号低加抽汽62.7/41.1MW(冬/夏),供热量为106.6/69.9MW(冬/夏)。

冬季供热量106.6MW，其中14.93MW用于加热烟气（其中热媒水进口温度82℃，出口温度60℃），剩余91.67MW热量用来将供热回水从60℃加热到82℃，减少汽轮机供热抽汽（回水直接进入热泵）。

夏季69.9MW余热中，16.2MW用于加热烟气（其中热媒水进口温度82℃，出口温度60℃），46.17MW热量用于加热从凝汽器中出来的全部凝水，将凝水从56.1℃，加热到82℃后进入7号低加（凝水直接进入热泵），该过程排挤了7号低加部分抽汽。剩余7.53MW热量用于加热炉膛进风。

因此，需要配备溴化锂热泵3台，一台供热量23.73MW（用于夏季加热烟气及预热空气；冬季14.93MW用于加热烟气，剩余7.53MW热量加热供热回水），一台供热量46.17MW（夏季加热凝水、冬季加热供热回水），一台36.7MW（夏季停用）。

2.2.4 烟气再热器及暖风器

增设的烟气再热器布置在湿式电除尘器出口烟道上。烟气再热器以热泵的一路热水作为热源，通过把循环热水引入烟气冷凝器，冬季将烟气温度由45℃加热到60℃，夏季将烟气温度由48℃加热到64℃。

每塔机组增设2台热媒水循环泵，按一用一备配置。热媒水循环泵的流量650m3/h、扬程35m、电机功率为90kW。

2.2.5 运行策略

冷凝器冷却水路运行策略：由于冬季、夏季冷凝所需冷量不同，因此将冷凝器冷水母管分成两路，一路接入冷凝器上部排冷水管，另一路接入冷凝器下部排冷水管，夏季关闭下路冷水管阀门，冷凝水从上部冷水管中进入冷凝烟气，冬季全开。

回热器热媒水路运行策略：由于冬季、夏季烟气加热所需热量不同，因此将再热器热媒水母管分成两路，一路接入再热器上部排热媒水管，另一路接入再热器下部排热媒水管，冬季关闭下路热媒水管阀门，热媒水从上部热媒水管中进入加热烟气，夏天全开，暖风机夏季运行，冬季不运行。

2.3 吸收式热泵对机组运行影响

使用吸收式热泵对烟囱出口进行消白治理，由于设备增加同时采用蒸汽驱动会造成风机、水泵耗功增加和汽轮机高品位抽汽量增加（表3），但是相应的也会排挤了部分低品位抽汽量，同时由于冬天一期、二期机组将回收的烟气余热全部用于供热，减少了供热抽汽量。

同时采用热泵技术消除烟羽方案，可回收烟气中的热量用于冬季供热。经计算，单台机组可回收43.9MW热量（单台）。按照单个采暖季供热天数121天、供热价格27元/GJ计算，单个采暖季收益为2478.3万元。

采用吸收式热泵技术虽然初期的投资较大，但是具有较高的节能效益和经济效益，使烟囱消白烟的改造不仅仅局限于环保效益，更有益于降低成本，提高企业改造的积极性。

3 结语

本文介绍了一种基于吸收式热泵的烟气消白的技术，并以国华定州电厂3号机组为例，介绍了工程设想、系统工艺，简单分析了经济性。该技术方案有效利用了烟气余热中的低品位热量 ，切实提高了机组整体的节能效果，降低了生产成本，减少了污染物排放，能够有效提高经济和环保效益，为燃煤电厂的烟气脱白技术提供了一个新的思路。

表3 功耗参数