基于吸收式热泵的烟气余热回收技术应用

文_李松 北京首都机场动力能源有限公司

首都机场集中供热站主要负责机场航站楼及其附近生活区、工作区的冬季供暖工作，总面积约为458万m2，其热源侧均为燃气锅炉，载热介质主要是蒸汽和热水。本文针对首都机场集中供热站供热系统，以烟气冷凝换热器、基于吸收式热泵的烟气余热回收技术为基础，对烟气中的水蒸气潜热和显热加以回收利用，从而推动首都机场供热系统实现高效经济运行，达到节能减排的效果。

1 烟气余热回收潜力分析

燃气锅炉的热损失主要包括气体不完全燃烧热损失、排烟热损失、散热损失。通常情况下，锅炉热损失中排烟热损失占比最大，其影响因素主要是排烟温度和烟气容积，其中烟气容积则主要受炉膛过量空气系数的影响，燃气锅炉的过量空气系数一般在1.05～1.3。天然气燃烧产生的烟气中N2、H2O和CO2分别占比70.66%、17.08%和9.70%，还有少量O2、SO2等，可见水蒸气占比较高，所以烟气中水蒸气的含量随过量空气系数的增大而升高，进而水蒸气产生的冷凝热量就越多。一般而言，燃气锅炉的排烟温度每递增10℃，排烟热损失增加0.5%~1%，所以应尽量降低锅炉排烟温度。排烟温度越低，锅炉效率越高。当达到临界点（露点温度）后，潜热开始被回收利用，锅炉效率得到大幅提升。

目前，燃气锅炉的排烟温度为90～130℃，但是集中供热站的7台燃气锅炉由于建设较早，在余热回收利用方面仅仅设计了空预器和省煤器，该装置只能用来回收烟气中的显热，造成了潜热的浪费。每年严寒时期，高负荷运行的锅炉排烟温度均在100℃以上，其中58MW的热水锅炉超过95%额定热负荷时，其排烟温度的实际值已经超过160℃。集中供热站的7台锅炉共用一个公共烟道，导致混合后的烟气温度高达120℃～150℃。燃气锅炉燃烧产生的高温烟气直接排放至环境中，由于其携带的巨大热量，既造成了热污染，也造成了能源浪费。

2 热泵在烟气余热回收方面的应用

热泵是一种基于热转换技术回收利用余热的装置，它可以完成低品位热向高品位热的转化。溴化锂吸收式热泵以水作为制冷剂，溴化锂溶液作为吸收剂，它利用高温热源驱动，从低温热源中提取热量，进而得到中温热能，提高热能利用率。在余热回收系统中热泵性能直接影响到系统能否安全、高效、稳定输出热能，因此热泵设备的选择是余热回收系统的关键。

蒸发器：水在负压下低温蒸发，从低温热源中取热。

吸收器：浓溴化锂溶液在吸收低温蒸汽的过程中释放热量，加热冷媒。

发生器：利用驱动热源（燃气、高温热水、蒸汽）将溴化锂稀溶液加热，冷剂水吸收热量后蒸发，溴化锂稀溶液浓度升高，变为浓溶液，再次进入吸收器，完成溶液的循环；蒸发出的水蒸气即制冷剂，进入冷凝器。

冷凝器：水蒸汽冷凝成水放热，加热冷媒。冷凝器中由于放热而冷凝的水进入蒸发器，形成冷剂水的循环。

目前，从驱动力来区分主要有电驱动压缩式热泵、燃气吸收式热泵和蒸汽型溴化锂吸收式热泵机组。

电驱动压缩式热泵主要特点是通过电能为压缩机提供能量，主机系统主要由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀等组成。热泵中的工质于蒸发器中吸收烟气携带的热量后蒸发，进入压缩机，被压缩机压缩变为高温高压工质，在冷凝器中将携带的热量传递给热网水，自身冷凝变为液态，最后热泵工质经过节流阀后回到蒸发器。电驱动压缩式热泵热效率较高，COP可达到5左右，但电驱动压缩式热泵系统耗电量大、运行费用较高、单机容量小、系统维护复杂。

燃气吸收式热泵机组以天然气燃烧产生的热量为驱动力，以溴化锂和水组成的二元溶液为工质，主机系统有溶液泵、吸收器、发生器、冷凝器、蒸发器、节流阀等。天然气燃烧产生的热量驱使溴化锂溶液中的水蒸气析出，从而进入冷凝器，水蒸气在冷凝器中冷凝释放出热量加热热网回水，供给用户；在冷凝器中冷凝后产生的饱和液经节流阀降压后进入蒸发器吸收高温烟气中的热量。燃气吸收式热泵通过消耗天然气回收烟气中热量，具有电能消耗少、系统可靠性高、一次能源利用率高、循环工质无污染、运行维护方便等特点，但燃气驱动热泵会有排烟热量损失、燃烧效率损失等热量损失。

蒸汽型溴化锂吸收式热泵机组以高温蒸汽携带的热量为驱动力，以溴化锂浓溶液为吸收剂，水为制冷剂。该装置利用水在低压低真空状态下具有低沸点沸腾的特性，将低温热源中的热量提取出来，用于采暖或生活用水。

电驱动压缩式热泵相对于燃气、蒸汽吸收式热泵来说，其能耗成本比较低，但是采用电驱动热泵，需要增加2×1400kW的电负荷需求，同时还需增加水泵、风机等设备的电耗。目前，首都机场电负荷利用率较高，原配电系统无法满足用电需求，需增容改造，改造成本很大，而且现状供热站变配电室无法满足增容改造的条件。因此，考虑首都国际机场燃气价格、蒸汽价格等因素，最终选用蒸汽型溴化锂吸收式热泵机组。

3 烟气余热深度回收技术方案

根据首都国际机场供热规模，当前集中供热站内安装了3台58MW燃气热水锅炉、3台75t/h燃气蒸汽锅炉和1台45t/h燃气蒸汽锅炉。根据《2015-2018供暖季首都机场运行日报》数据可知，集中供热站锅炉长期运行1台58MW燃气热水锅炉和1台75t/h燃气蒸汽锅炉，供暖高峰期再运行其他一台锅炉进行调峰。

供暖期间锅炉供回水温度依据见表1。

表1 供暖期供回水温度表

根据历年气象资料的数据统计分析可知，每年11月到次年3月期间室外平均温度为-0.6℃，供暖期内平均供水温度为88.5℃，平均回水温度为55℃。

集中供热站各锅炉的烟气经过引风机汇入公共烟道后再排入大气。北侧公共烟道烟气温度115℃，南侧公共烟道烟气温度150℃；选用深度余热利用系统进行方案设计时，烟气温度115℃、150℃进入热泵系统与70℃左右的烟气进入余热利用系统相比，前者比后者的热泵投资初投资要高10%，因此先上一级换热器，将烟气温度先降至70℃，再进入热泵系统。

燃气锅炉燃烧产生的烟气先进入烟气冷凝换热器，再利用中介水将烟气中的低温余热置换出来，最后中介水进入吸收式热泵机组，将携带的部分热量传递给一次热网回水。烟气先后经过烟气换热器、吸收式热泵，其温度可降至30℃。若运行过程中烟气余热深度回收设备发生故障，关闭烟道及热网水进出口电动阀门，则原有供热系统照常使用。

集中供热站北侧公共烟道安装1台0.72MW的一级换热器和1台8.5MW蒸汽型溴化锂机组配套直接接触式换热器；南侧公共烟道安装1台1.28MW一级换热器和1台8.5MW蒸汽型溴化锂机组配套直接接触式换热器。烟气先经过一级换热器，温度由115℃、150℃（北侧公共烟道烟温115℃，南侧公共烟道烟温150℃）降至70℃时，然后再进入直接接触式换热器，烟气温度由70℃降至30℃。经过计算，单套热泵回收烟气余热量3.5MW，共计9MW。

采用该方案后，锅炉向环境中排放的烟气温度可降至30℃，比烟气的露点温度58℃还要低，所以可以将烟气中的显热和潜热均回收利用，从而提高了能源利用率，减少了锅炉排烟损失和天然气消耗量。此方案能够最大程度的回收烟气的显热和潜热，单套机组最大可吸收烟气余热量4.78MW，共回收烟气余热9MW；回水温度可从55℃加热至近68℃，节能效果非常显著。

3.1 热泵系统

蒸汽溴化锂机组的主要技术参数如下：

驱动热源为蒸汽，蒸汽压力为0.8MPa，蒸汽温度为170.4℃，凝结水温度为90℃，凝结水压力为0.05MPa，蒸汽耗量为7.53t/h，余热回收热量Q1=3.5MW，额定输出功率Q=8.5MW，余热冷水侧设计压力P1=1.0MPa，余热冷水侧供水温度t1=25℃，余热冷水侧回水温度t2=35℃，余热冷水侧流量为301t/h，余热温水侧设计压力P2=1.6MPa，余热温水侧供水温度t3=67.57℃，余热温水侧回水温度t4=56.32℃，余热温水侧流量为650t/h，排烟温度T=30℃，制热COPε=1.7。

3.2 热泵蒸汽系统

本项目采用蒸汽热泵溴化锂机组，锅炉房蒸汽参数为1.05MPa，235℃。新建一蒸汽管道，通过降温减压后变为0.8MPa、170.4℃的蒸汽，将其作为热泵的驱动热源。单台机组蒸汽耗量约7.53t/h，共设置2台机组。进入热泵的蒸汽经换热后变为90℃的凝结水，压力为0.05MPa，总凝结水量约15.06t/h。

3.3 余热水系统

烟气进入余热回收机组后，在喷淋换热器中进行换热，其温度可降至30℃以下。考虑到烟气余热回收装置的安全性，需要将进水温度和流量控制在合理的范围内。本项目一次热网回水平均温度55℃左右，平均流量1300m3/h，故将一次热网回水作为烟气余热回收装置的冷水。烟气余热回收装置的供水取自锅炉回水母管除污器后与循环水泵入口之间直管段上，首先进入一级换热器换热，水温由55℃加热至56.32℃，然后进入余热回收装置，经再次加热后热网回水可达到67.57℃左右, 最后将热网回水引入锅炉。

单套余热系统配套设备见表2。

表2 单套余热系统配套设备

烟气余热回收设备参数见表3。

4 经济效益分析

通过烟气余热深度回收技术的应用，本项目回收烟气余热量同改造前相比一个采暖季可以节约天然气约286万Nm3，但是烟气余热回收装置的增加导致了电耗的增加，约为207.3万kWh。目前天然气和电的结算价格分别为2.39元/Nm3、0.6元/kWh。经过计算可知，通过加装烟气余热回收装置，每个供暖季可节约天然气费用684.6万元，增加电耗费用约124.4万元，所以每个采暖季净经济效益预估可达560.2万元。

5 结语

本文针对烟气余热深度回收技术及其应用前景进行了介绍，结合首都国际机场集中供热站现有锅炉的状况，提出了利用一级换热器换热和烟气余热回收机组相结合的余热回收模式，最大程度的回收了烟气的显热和潜热，既降低了排烟温度，又减少了排烟热损失。单套机组最大可吸收烟气余热量4.78MW，共回收烟气余热9MW；每个供暖季节约天然气量约为286万Nm3，综合经济效益提升560.2万元，节能效果非常显著。

表3 烟气余热回收设备参数表