吸收式热泵技术在燃气供热厂烟气余热深度回收中的应用

延炜

（西安市热力集团有限责任公司，陕西 西安 710016）

根据当前国内采暖的节能、空气预热器等节能技术，开展了基于吸收热泵的烟道深度循环利用技术，并根据某热力公司的实际情况，进行了节能经济评价。某热力公司供热面积达4580000m2，主要以蒸汽和热水为主。利用烟道凝结换热器、吸收式热泵为基础，实现了利用余热和显热的综合利用，达到了节能减排目的。

1 烟气余热深度回收技术

1.1 技术原理

在燃煤电厂燃气锅炉的烟气余热回收方面，已有不少学者进行了深入的探索。在实际中，为减少由烟温锅炉排放的包括显热和潜热在内的排气产生的热，在锅炉尾部添加“烟气-水”式热交换器或/以及用于在烟道中预热和/或空气的空气预热器，其作用是通过对烟道中的显热进行再利用，在某种程度上改善了锅炉的效能。但在常规采暖方式中，“烟气-水”型的采暖方式主要是通过对烟气中的热量进行吸热，并不能有效地回收潜热。在采暖期间，空气温度普遍比烟气的露点要低得多，利用空气预热器是一种有效的利用方式。但是，空气预热器的不足之处是，当烟气温度低于露点时，其一侧会出现相转变，而空气侧则不会出现。所以，仅有少量的烟气余热被风吸收。烟气中的蒸发器气化潜热是烟道中的重要组成部分，当烟气的温度在露点以下时，会有大量的冷凝水沉淀出来，使其产生潜热。当利用回收的汽化潜热进行加热管网的回水时，必须保证系统的回水水温处于低位。而常规供暖方式中，回热器的回热温度一般在50～60℃，无法直接使用蒸发器的汽化潜热，严重影响了其循环再利用。利用传统的废热回收技术，可以降低炉膛中的烟温至60℃，提高了3%～4%的利用率。由于传统的烟气废热回收技术存在局限性，因此，利用吸热式热泵来循环利用烟气中的热量。采用吸热式制冷系统，通过采用高热量的热量来生产低温水，并将其与低温水进行直接的接触，从而达到低于30℃的目的。该技术突破了常规热水管网回热的限制，适合高回水率的采暖。在烟气与低温冷凝之间，采用喷射式换热器进行换热，使其达到最大的换热效果，并使烟气中的潜热和显热得到最大化。鉴于烟气中CO2含量也很高，CO2溶解后，烟气中的CO2会导致凝结水呈现酸性，因此，建议增设一套加碱设备，以防止腐蚀问题。

1.2 系统优点

（1）烟气余热深度回收，排烟温度低。常规的循环工艺，烟气温度一般只能降至55℃左右，冷凝热未被充分回收，通过该系统，烟气温度降至30℃，同时，也可以将更多的蒸汽和显热的空气循环利用起来。

（2）以热能为动力，节约电耗。常规的循环利用方法，必须采用循环水泵作替代的换热器，以提高电能消耗。另外，常规的循环方法需要较大的换热面积和较多的冷凝器，会增加烟气的阻力，导致烟气倒烟和烟道振动过大等问题的出现。而利用燃气的热能为能源，以溴化锂为能源，可以实现对溴化锂的蒸发与吸附，极大地节省了能源消耗，解决以上问题。

（3）闪蒸热阻低。常规的再生方法大都采用隔墙换热器，但由于隔墙的导热系数较高，而且由于高温烟气的侵蚀，导致传热系数下降，热阻增大，但其导热系数比隔板要小得多。

（4）溴化锂水溶液无臭、无毒，使之作为工质能够满足环保的要求。溴化锂的特性是稳定的，不会在空气中溶解，也不会变质，遇水后会变成无色的液体，没有异味，无毒性，对环境没有任何污染，完全符合环保要求。随着我国燃气消耗量的不断增加，如何有效地改善供暖系统的热效率已成为当前迫切需要解决的问题。供暖锅炉的排烟温度通常为80℃，如果将其直接排入大气，不但会造成巨大的能耗损失，而且在供暖季节，由于烟气与冷风的接触，会产生白色的烟雾，从而产生导致环境污染。

2 热泵在烟气余热回收方面的应用

热泵是一种通过热变换技术进行废热回收再利用的设备。溴化锂吸收式热泵是以水为冷却剂，溴化锂溶液为吸附剂，利用高温热源的动力，将其转化为中温的热能，从而提高热能的利用率。热泵的工作特性决定着系统能否安全、高效、稳定地输出热能。蒸发器：在负压的情况下，通过低温的方式将水分蒸发，从而获得热量。吸收剂：浓缩的溴化锂溶液，通过吸收低温水蒸气，使冷媒发热。发生器：由燃气、高温热水、蒸汽等热能来源来对溴化锂进行加温，使其在吸收热能后汽化，经稀释的氯化锂溶液在浓缩时会产生浓缩的液体，再次进行回收。蒸发的水蒸气，即制冷剂，进入一个冷凝装置。由于热量的释放，冷凝器中的湿气会被冻结，从而在蒸发器中产生一个循环系统，根据热泵功率的不同，可分为吸收热泵和溴化锂蒸发吸收热泵。电动压缩热泵主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、气门等组成。主要工作原理是利用电能作为压缩机的能源。热泵的工作液通过蒸发器吸收蒸发器的热量，并将其压缩成高温高压的工作液，用冷却塔将其加热后的热能传输到加热网络，然后用节气门将其送到蒸发器。电传动式压缩热泵是一种高效节能型的新型热源，它的能耗高、操作成本高、设备容量低、系统维修难度大。吸收式热泵是以甲烷的热量为工作媒介，以溴化锂和水组成的二元溶液为工作媒质，它的工作原理是：液泵管、吸收机、发电机、凝汽机、汽化器、节气门等。气体的热量把溴化锂中的水蒸气送到一个冷凝装置，再由一个冷凝装置把它排放出去，再把它再循环给使用者；凝结的蒸汽由节气门进行压缩，由蒸发器将蒸汽从高温烟气中吸走。使用燃气作为热量的吸收剂，不仅消耗能量少，而且系统的可靠性高，而且一次能量的利用效率高，而且没有对循环体的环境造成的环境污染，而且操作和维修都比较容易。与燃气和蒸汽吸收型的热泵比较，电传动式的热泵能耗要小，但采用电传动式的热泵，需要增加2×1400kW的功率，并增加水泵、风机等设备的能耗。当前，某供热公司所承担的电能比重很高，原有的配电系统无法适应供电需求，必须进行扩建，投资巨大，而且现有配电房已无法适应扩建的需求。根据某供热公司的燃气及水汽的实际情况，选用了水蒸气溴化锂吸附热泵。目前，国内的燃气资源较为匮乏，采用燃气－热水锅炉的烟气余热深度利用技术，可以使锅炉的排烟温度低于30℃，并可通过回收烟道的余热来提高供暖效率。该系统在一定程度上改善了锅炉的节能效果，在理想条件下，单位采暖面积内的燃气消耗量可减少10%。

3 烟气余热深度回收技术方案

根据某供热公司供热能力，现有58MW燃气热水锅炉3套、75t/h燃气蒸汽锅炉1套。《2015-2018供暖季某供热公司运行日报》的资料显示，供暖期间1套58MW的燃气热水锅炉和1套75t/h的燃气蒸汽锅炉在供暖期间不间断地使用。本文对供暖期间的锅炉供水进行了分析。根据历年来的气象数据，计算出：在冬季，室外温度为-0.6℃，冬季的平均温度为88.5℃，冬季供暖时的温度为55℃。采暖系统的烟尘经通风管道排出，最终排入空气。北部公用烟道为115℃，南部公用烟道为150℃；在采用深式废热综合利用系统的方案中，采用115℃和150℃的烟气引入热泵，与70℃的烟气相比，该方法的前期投入要多10%。所以在进入热泵系统前，要先将烟气温度降低到70℃。燃气锅炉燃烧后的烟气通过中介水将其排出，最终通过中间水输送到吸收式热泵系统，将其所带来的热量转移到一次热网。烟气依次通过烟气换热器、吸收式热泵，使烟气的温度降低到30℃。如果在运行期间，烟气余热回收装置出现故障，我们可以将烟道和热网的入口和入口的电动阀门关闭，那么原有的供暖系统将正常运转。在集中供暖站北面的公用管道上，设置1个0.7MW的一级换热器，1个8.5MW的蒸发器；在南侧的公用管道上，设置1个1.28MW的一级换热器，1个8.5MW的蒸发器，一种是与热交换器的直接接触。当烟气从115～150℃（北部公共烟道的烟温115℃，南部公共烟道的烟温150℃）至70℃时，经过一次换热装置，烟尘的温度从70～30℃降低。经过计算，该单机热泵系统能有效地利用3500万千瓦的余热，共计900万千瓦。采用此工艺，可以将锅炉排气的烟温降至30℃以下，实现了对蒸汽的有效利用，从而实现了节约能源、减少排放损失、减少燃气消耗量等目的。此方法能最大程度地恢复烟道显热及潜热，一套装置最大可吸收烟道余热量4.78MW，回收烟道余热9MW；在此基础上，对回水管进行了研究，具有很好的节能效果。

3.1 热泵系统

溴化锂蒸汽装置的主要技术参数如下：驱动热源－蒸汽、蒸汽压力0.8MPa、蒸汽温度170.4℃、凝结温度90℃、凝结压力0.05MPa、蒸汽消耗7.53t/h、余热回收Q=3.5MW、额定输出功率Q=8.5MW、余热冷却水侧设计压力P1=1.0MPa，余热冷却水侧水温t1=25℃，余热冷却水侧回水温度t=35℃，热冷却水流量301t/t，余热热水侧计算压力p2=1.6MPa，余热热水侧水温t=67.57℃，废热热水侧回水温度T4=56.32℃，剩余热水侧流量650t/h，排气温度T=30℃，Cop Epsilon加热=1.7。

3.2 热泵蒸汽系统

该工程使用的是蒸气热泵溴化锂装置，锅炉内的蒸气参数为1.05MPa，温度为235℃。在此基础上，设计了一条蒸汽管线，经冷却、减压后，蒸汽流量达到了0.8MPa，温度为170.4℃。单机蒸气消耗量为7.53t/h，共设两个装置。经过换热后，进入热泵中的蒸汽变成90℃的凝结水，其压力为0.05MPa，凝结水量为15.06t/h。

3.3 余热水系统

烟气经废热回收装置后，经喷淋式换热器的传热，其温度可低于30℃。为了保证烟气余热回收系统的安全运行，必须对入口温度、流量进行合理的控制。由于该工程一次热网回水的平均水温为55℃，平均流量为1300m3/h。烟气废热回收设备在从锅炉回水母管除污器和循环水泵进口的直管部分取水，从55℃升到56.32℃，再进入废热回收系统，经过再热处理后，系统回水温度可达67.57℃，最后通过热网回水导入锅炉。表2列出了一套与该系统相配套的设备。

3.4 经济效益分析

通过对烟道余热进行深循环利用，一次供暖季节可以节约2860000Nm3的燃气，而由于烟道废热回收设备的增多，使其能耗达到207.3000kWh左右。当前，我国的燃气、电能价格分别为2.39元/Nm3、0.6元/kWh。经测算，在供热季节增设烟尘废热回收系统，可节省燃气成本684.6万元，增加电力成本124.4万元，因此，在每个供暖季节，实现的净利将达到560.2万元。

4 结语

本文阐述了烟气余热的深度回收技术及应用前景，针对某供热公司现有的实际情况，提出了利用一次热交换器和烟道废热的综合利用方法，实现了对烟道显热和潜热的最大化利用，实现了对环境的节约和减少污染。一套装置可以最大吸收4.78MW的烟道废热，并可将9MW的烟道废热进行再利用；供暖期可节约燃气2860000Nm3，新增经济效益560.2万元，达到了十分明显的节能效果。本文介绍了一种利用吸收热泵进行烟气余热深度回收的新工艺，并结合工程实例，对工艺措施、系统工艺进行了简要的分析。这表明，此工艺具有许多优点，可以有效地改善环境现状和提升经济效益。