王海文, 張俊杰, 朱鍇鍇, 任建興

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

火電廠循環(huán)水余熱在MEA溶劑再生中的節(jié)能分析

王海文, 張俊杰, 朱鍇鍇, 任建興

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

為提高機(jī)組熱效率,提出了利用吸收式熱泵回收冷卻循環(huán)水余熱,并將其用于碳捕集MEA溶劑的再生過程.對(duì)原碳捕集系統(tǒng)和提取循環(huán)水余熱方案進(jìn)行了能耗分析對(duì)比.結(jié)果表明,該機(jī)組循環(huán)冷卻水余熱完全可以滿足MEA溶液再生所需的低溫?zé)崃?此方案可有效地回收循環(huán)冷卻水余熱,提高機(jī)組的運(yùn)行效率,減少火電機(jī)組向大氣排放灰塵、CO2和SO2等污染物,帶來一定的環(huán)保效益.

火電機(jī)組; 余熱; MEA溶液; 吸收式熱泵

現(xiàn)代大型熱力發(fā)電廠中,煤炭燃燒釋放的熱量大約有50%以上以余熱的方式通過冷卻塔散失于大氣環(huán)境中,造成能源的浪費(fèi)[1].隨著火力發(fā)電裝機(jī)總量的增加,冷端系統(tǒng)所產(chǎn)生的冷卻循環(huán)水余熱是一個(gè)十分巨大的熱源,如果能夠合理利用這部分熱量,將會(huì)對(duì)我國(guó)的節(jié)能減排事業(yè)十分有利,對(duì)能源的充分利用有巨大的貢獻(xiàn).一般而言,火電機(jī)組的循環(huán)冷卻水僅僅比環(huán)境溫度高10 ℃左右,熱能品位低,難以再次利用.但是冷卻循環(huán)水具有穩(wěn)定的流量和溫度,且水質(zhì)較好,不會(huì)產(chǎn)生腐蝕、阻塞等問題[2-3].

近年來,利用MEA溶劑吸收煙氣中CO2應(yīng)用廣泛.雖然該吸收劑吸收速率快,效果好,但是MEA溶劑再生能耗大,需要消耗汽輪機(jī)大量抽汽,而吸收式熱泵能夠有效利用低品位熱能,具有對(duì)環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn).因此,將火電機(jī)組的循環(huán)水作為低溫?zé)嵩?利用吸收式熱泵提高其品位,并向MEA溶劑再生過程供熱,能夠合理地回收冷卻循環(huán)水余熱,從而減少汽輪機(jī)抽汽.為此,筆者針對(duì)典型600 MW火電機(jī)組,對(duì)比分析了熱泵回收循環(huán)水余熱與部分抽汽相結(jié)合,以及僅通過抽汽向MEA溶劑再生供熱兩種方法的能耗變化.

1 熱泵及機(jī)組特性分析

1.1 溴化鋰吸收式熱泵

溴化鋰吸收式熱泵以溴化鋰和水為介質(zhì),其中水作為制冷劑,溴化鋰為吸收劑.該類型熱泵以蒸汽為驅(qū)動(dòng)熱源,將低溫?zé)嵩刺岣叩街小⒏邷睾蠹右岳?從而提高能源的利用率[4].

圖1為溴化鋰吸收式熱泵工作示意圖.該熱泵主要由蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器、熱交換器、屏蔽泵以及其他附件構(gòu)成.驅(qū)動(dòng)蒸汽在發(fā)生器中放熱Qg,加熱使制冷劑(水)蒸發(fā),吸收劑(溴化鋰)濃縮.蒸發(fā)的制冷劑進(jìn)入冷凝器向低溫冷水放熱Qc,蒸汽凝結(jié)為液態(tài)水.在蒸發(fā)器中,制冷劑吸收低溫?zé)嵩吹臒崃縌e,蒸發(fā)排入吸收器.回到吸收器的溴化鋰濃溶液吸收水蒸氣稀釋為稀溶液,并向低溫冷水放熱Qa.低溫冷水經(jīng)過吸收器、冷凝器加熱升溫后向用戶供熱.

溴化鋰吸收式熱泵向用戶的供熱為冷凝器放熱Qc和吸收器放熱Qa之和,外界提供的熱量由驅(qū)動(dòng)蒸汽放熱Qg和低溫?zé)嵩捶艧酫e兩部分構(gòu)成,相比之下,屏蔽泵功可忽略不計(jì).因而溴化鋰吸收式熱泵循環(huán)過程的熱平衡可表示為:

(1)

圖1 吸收式熱泵流程示意

根據(jù)能效比的定義,溴化鋰吸收式熱泵的性能系數(shù)KCOP可表示為:

(2)

由式(2)可以看出,溴化鋰吸收式熱泵的性能系數(shù)KCOP恒大于1,即熱泵供熱量始終大于熱泵的耗熱量.一般而言,可提供不超過98 ℃的熱水,且KCOP值會(huì)隨著升溫幅度的增大而逐漸減小[5].驅(qū)動(dòng)熱源可以采用0.2～0.8 MPa的蒸汽或燃?xì)?低溫?zé)嵩礊榇笥?5 ℃的廢熱即可.

1.2 600 MW機(jī)組特性分析

循環(huán)水的熱損失在火電廠中占比最大,不同初蒸汽參數(shù)下火電廠的各項(xiàng)損失如表1所示[6].

表1 不同初蒸汽參數(shù)下的各項(xiàng)損失 %

由表1可知,冷端損失占總能量損失的80%以上,且隨著初蒸汽參數(shù)的增大,總能量損失逐漸減小,冷端損失占比卻在增大,因而回收循環(huán)冷卻水余熱是非常有必要的.

表2是600 MW機(jī)組額定工況下循環(huán)水參數(shù),以及該機(jī)組碳捕集系統(tǒng)MEA 溶劑再生過程能耗.經(jīng)計(jì)算,冷卻循環(huán)水所能提供的低溫?zé)崮転? 284.94 GJ/h[7],MEA濃溶液再生能耗為4.5 GJ/(tCO2)[8-11].

表2 600 MW機(jī)組額定工況下循環(huán)水及MEA溶液再生參數(shù)

1.3 熱泵提取循環(huán)水余熱方案

由于富含CO2的MEA濃溶液解吸再生過程需要消耗大量的熱量,而火電機(jī)組循環(huán)冷卻水蘊(yùn)含巨大的熱量,如果能將這部分低溫?zé)崃恳脘寤囄帐綗岜玫恼舭l(fā)器放熱,由于吸收式熱泵的性能系數(shù)總是大于1,即所提供的熱量大于抽汽耗能,則可以降低原碳捕集系統(tǒng)的抽汽量.該工藝流程如圖2所示.

圖2中,在吸收式熱泵正常工作的狀態(tài)下,由凝汽器出來的部分循環(huán)水進(jìn)入吸收式熱泵,提取其熱量后返回冷卻塔回路管道中.第5級(jí)抽汽流經(jīng)溴化鋰熱泵發(fā)生器和換熱器放熱后,匯集回到7級(jí)低壓加熱器疏水系統(tǒng),供回水通過熱泵吸收器和冷凝器吸熱升溫至85 ℃,由管道進(jìn)入換熱器加熱升溫至110 ℃,流經(jīng)再沸器放熱給MEA濃溶液,后經(jīng)過增壓泵增壓進(jìn)入熱泵循環(huán)吸熱.經(jīng)過脫硫、除塵處理后的燃煤煙氣冷卻到系統(tǒng)運(yùn)行所需要的溫度范圍(40～60 ℃),在吸收塔內(nèi)與吸收劑溶液逆向接觸,反應(yīng)形成弱聯(lián)結(jié)化合物.脫除CO2的煙氣由塔頂排出,吸收CO2的富溶液經(jīng)貧液加熱后送入再生塔解析再生.弱聯(lián)結(jié)的化合物在熱的作用下分解,釋放的CO2經(jīng)過冷凝壓縮后儲(chǔ)存起來.貧液回流到吸收塔進(jìn)行下一次循環(huán).解吸塔通常運(yùn)行在100～140 ℃,其中逆反應(yīng)、釋放純CO2和貧液再生的能耗由再沸器提供.

圖2 回收循環(huán)水余熱供CO2捕集工藝流程示意

2 兩種方案的能耗分析

2.1 能耗計(jì)算

本文采用等效熱降的方法計(jì)算碳捕集系統(tǒng)對(duì)機(jī)組熱效率的影響,機(jī)組經(jīng)濟(jì)性相對(duì)變化公式為:

(3)

式中:δηi——機(jī)組熱效率的相對(duì)變化量; ΔH——抽汽引起做功的變化量;H0——新蒸汽等效熱降.

由抽汽引起的做功能力損失為:

(4)

式中:αf——抽汽系數(shù);hf——抽汽焓值;hc——汽輪機(jī)排氣焓值,該機(jī)組為2 360.68 kJ/kg.

將放熱后的抽汽匯入7級(jí)加熱器疏水系統(tǒng),那么該種情況屬于熱水?dāng)y帶熱量進(jìn)入系統(tǒng),引起的做功增量為:

(5)

式中:tsj——疏水焓值;ηj-1——加熱器效率;γr——疏水進(jìn)出口焓差;τr——給水進(jìn)出口焓差.

因此,該方案引起汽輪機(jī)做功的變化量為ΔH=(-ΔH1)+ΔH2,考慮熱力系統(tǒng)的各種輔助成分的做功損失∑Π后,可得新蒸汽的凈等效熱降為:

(6)

式中:h0——新蒸汽焓值;σ——再熱蒸汽焓升.

計(jì)算可得,h0=3 396.9 kJ/kg,σ=526.5 kJ/kg.

熱力系統(tǒng)汽水參數(shù)如表3所示[11].根據(jù)等效熱降法得出機(jī)組抽汽系數(shù)、等效熱降、抽汽效率的結(jié)果如表4所示.

表3 回?zé)嵯到y(tǒng)汽水參數(shù)

表4 各級(jí)加熱器抽汽系數(shù)及效率

在該方案中,首先由溴化鋰吸收式熱泵將供水由t1(60 ℃)加熱到t2(85 ℃),進(jìn)而利用熱交換器將供水加熱到t3(110 ℃)供再沸器使用.則溴化鋰吸收式熱泵需放熱Q1和換熱器向供回水放熱Q2均為642.6 GJ/h.

根據(jù)第一類吸收熱泵性能系數(shù)表,取吸收式熱泵性能系數(shù)為1.95[12],則可求解循環(huán)冷卻水放熱Qe和驅(qū)動(dòng)蒸汽放熱Qg,公式為:

(7)

經(jīng)過熱交換器放熱的蒸汽冷卻為85 ℃,則熱交換器所需的蒸汽量為:

(8)

式中:Δh1——蒸汽放熱前后焓差.

由水汽參數(shù)知,Δh1=2 571.37 kJ/kg.

驅(qū)動(dòng)蒸汽冷卻到飽和狀態(tài),吸收式熱泵所需蒸汽量為:

(9)

式中:Δh2——驅(qū)動(dòng)蒸汽放熱前后焓差.

由水汽參數(shù)知,Δh2=2 354.37 kJ/kg.

則該設(shè)計(jì)系統(tǒng)總的消耗蒸汽量為:

(10)

已知回收循環(huán)水余熱為Qe,根據(jù)公式可求得回收循環(huán)水量為:

(11)

式中:Cp——水的定壓比熱容,為4.181 8 kJ/(kg·℃); Δt——循環(huán)水進(jìn)出吸收式熱泵的溫差,本文為10 ℃.

當(dāng)全部采用蒸汽向再沸器供熱時(shí),抽汽引起做功損失ΔH1為158.31 kJ/kg,將疏水引入7級(jí)加熱器疏水系統(tǒng)引起系統(tǒng)做功增加ΔH2為1 kJ/kg,因此該方式引起熱力系統(tǒng)做功變化量ΔH為157.31 kJ/kg,機(jī)組經(jīng)濟(jì)性相對(duì)變化為16.16%.當(dāng)利用溴化鋰吸收式熱泵回收余熱向再沸器供熱時(shí),抽汽引起做功損失ΔH1為119.75 kJ/kg,將疏水引入7級(jí)加熱器疏水系統(tǒng)引起系統(tǒng)做功增加ΔH2為0.74 kJ/kg,因此該方式引起熱力系統(tǒng)做功變化量ΔH為118.99 kJ/kg,機(jī)組經(jīng)濟(jì)性相對(duì)變化為12.72%.由以上結(jié)果可知,改造方案可使得機(jī)組熱效率提高3.44%,煤耗下降量為10.18 g/kWh.

設(shè)機(jī)組每年運(yùn)行6 000 h,則THA工況下每年節(jié)約煤量為:

(12)

將具體相關(guān)參數(shù)代入式(7)至式(10),該600 MW機(jī)組兩種方案能耗結(jié)果如下:原系統(tǒng)耗汽量為513.79 t/h;利用熱泵后總耗汽量為388.64 t/h;可利用循環(huán)水量為7 486.29 t/h;節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為1 808.46 t/a.

吸收式熱泵所需循環(huán)水量小于該600 MW機(jī)組的冷卻水循環(huán)水量,因而可滿足設(shè)計(jì)要求.

2.2 環(huán)境效益分析

根據(jù)資料顯示,由冷卻塔蒸發(fā)引起的循環(huán)水損失率為1.6%[13],因而在該方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上每年減少水損失718 683.53 t.若按每噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒排放CO2440 kg,SO220 kg,煙塵15 kg,灰渣260 kg計(jì)算[14],則每年可減少排放CO23 293.97 t,SO2149.73 t,煙塵112.29 t,灰渣1 946.43 t,節(jié)約循環(huán)水718 683.53 t.

3 結(jié) 論

(1) 吸收式熱泵可利用高溫?zé)嵩椿厥盏推肺粺崮?在火力發(fā)電廠節(jié)能減排改造中具有良好的應(yīng)用前景.

(2) 火電機(jī)組冷卻循環(huán)水蘊(yùn)含巨大的低品位熱量,冷端損失占總能量損失的80%以上,回收該熱量將大大減少煤碳的消耗,同時(shí)減少SO2和CO2等污染物的排放.

(3) 研究結(jié)果表明,原碳捕集系統(tǒng)使得機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性下降了16.16%,采用吸收式熱泵提供部分熱量將減少汽輪機(jī)抽汽量,機(jī)組經(jīng)濟(jì)性下降為12.72%,相比原碳捕集系統(tǒng),采用吸收式熱泵使機(jī)組煤耗下降約10.18 g/kWh.

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(編輯 白林雪)

The Energy-saving Analysis of Waste Heat from Circulating Water Used for the Solvent Regeneration of MEA in Power Plant

WANG Haiwen, ZHANG Junjie, ZHU Kaikai, REN Jianxing

(SchoolofEnergyandMechanical,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

To improve efficiency of thermal unit,it is proposed that the waste heat of cycle cooling water be used for MEA solvent regeneration in the carbon capture process by using absorption heat pump.Analyzing energy consumption of two schemes of carbon capture and recycling waste heat.Results show that the circulating water can meet completely the demands of low-temperature heats that are used for the absorption heat pump.It will improve the efficiency of the thermal unit and reduce the emissions of contaminants into the atmosphere,for example,dirt CO2,SO2,from the thermal power unit,and bring about certain environmental benefits.

thermal power unit; waste heat; MEA solution; absorption heat pump

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.02.004

2016-09-14

王海文(1992-),男,在讀碩士,內(nèi)蒙古烏蘭察布人.主要研究方向?yàn)榛痣姀S污染物控制與節(jié)能技術(shù).E-mail:HW9224@163.com.

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)能力建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目(15110501000).

TK115;TM621

A

1006-4729(2017)02-0124-05