陳圓

（上海康恒環(huán)境股份有限公司 上海 201703）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源的需求量也變得越來(lái)越多。由于煤炭、石油、天然氣等不可再生能源儲(chǔ)量有限，同時(shí)燃燒也會(huì)對(duì)人類及環(huán)境產(chǎn)生不良影響，因此，新能源的開發(fā)和各種先進(jìn)能源及節(jié)能技術(shù)的研究越來(lái)越受到人們關(guān)注和重視。

在能源消耗量大的行業(yè)如冶金鋼鐵、石油化工、火力發(fā)電等行業(yè)，各種節(jié)能技術(shù)應(yīng)用相對(duì)廣泛且經(jīng)濟(jì)。這些行業(yè)熱量損失大、余熱資源豐富，如我國(guó)冷凝式發(fā)電廠的平均發(fā)電效率不到40%，熱量損失達(dá)50%以上［1］。對(duì)較低品質(zhì)的熱量加以回收利用，可以提高熱電廠的能源效率。

隨著吸收式熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，其吸收環(huán)境熱能或者回收低溫廢熱來(lái)制取高溫?zé)崴募夹g(shù)也得到了充分發(fā)展與應(yīng)用。傳統(tǒng)的熱電廠在低溫蒸汽（汽機(jī)抽汽）的驅(qū)動(dòng)下，利用熱泵技術(shù)提取循環(huán)冷卻水中的低溫廢熱熱能，將供暖水進(jìn)行加熱處理，既能充分利用余熱資源提高電廠能源利用率，又能滿足冬季供暖需求。

1 吸收式熱泵技術(shù)介紹

1.1 吸收式熱泵技術(shù)基本理論

熱泵技術(shù)的工作原理是將熱能從低溫?zé)嵩刺崛〉捷^高溫度熱媒中去利用的一種技術(shù)。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化，即熱量不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。若要使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，則需要付出一定的代價(jià)。

吸收式熱泵是以熱能為驅(qū)動(dòng)熱源，利用溶液（溴化鋰溶液或氨水）的吸收特性來(lái)實(shí)現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩摧斔偷囊环N熱泵機(jī)組。根據(jù)驅(qū)動(dòng)熱源的不同可分為第一類吸收式熱泵和第二類吸收式熱泵。

（1）第一類吸收式熱泵，也稱增熱型熱泵。它是以消耗高溫?zé)崮埽ㄕ羝?、燃料、熱水）作為代價(jià)，通過向系統(tǒng)輸入高溫?zé)崮?，進(jìn)而從低溫?zé)嵩粗谢厥找徊糠譄崮芴岣咂錅匚唬灾袦匚坏臒崮芄┙o用戶。

（2）第二類吸收式熱泵，也稱增溫型熱泵。它是以中溫?zé)崮埽ㄍǔＪ菑U熱）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行，將其中一部分熱能的溫位提高，即吸收過程放出的熱量送至用戶，而另一部分熱能則排放到環(huán)境中。

吸收式熱泵機(jī)組工作原理如圖1。即廢熱源Q1在驅(qū)動(dòng)熱源Q2的驅(qū)動(dòng)下通過吸收式熱泵機(jī)組輸出的熱水吸收熱量Q3為回收的廢熱源熱量與消耗驅(qū)動(dòng)熱源熱量之和。吸收式熱泵性能系數(shù)等于熱水吸收熱量與驅(qū)動(dòng)熱源熱量之比，即

圖1 吸收式熱泵工作原理圖

根據(jù)不同工況條件，且當(dāng)前技術(shù)條件下，第一類吸收式熱泵的COP 一般為1.65～1.85［2］，即使用1 kW 的高溫?zé)崮?，?qū)動(dòng)吸收式熱泵可以吸收0.65 kW～0.85 kW 的低溫?zé)崮?，整體輸出熱能為1.65 kW～1.85 kW。

對(duì)于第二類熱泵，利用低位熱源的溫度一般在70 ℃以上（不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備利用低位熱源的溫度可能有所差別）［3］。北方熱電廠循環(huán)冷卻水回水冬季溫度一般在28 ℃～30 ℃，因此本文只針對(duì)第一類吸收式熱泵而做相關(guān)技術(shù)分析。

2.2 吸收式熱泵技術(shù)在熱電廠的應(yīng)用

熱電廠內(nèi)汽輪機(jī)冷凝器的乏汽通常采用循環(huán)水進(jìn)行冷卻處理，而循環(huán)水又通過冷卻塔與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱冷卻，造成了乏汽余熱損失。國(guó)內(nèi)很多熱電廠通過吸收式熱泵回收循環(huán)水低溫余熱并應(yīng)用到供暖系統(tǒng)［1］。該節(jié)能技術(shù)的基本設(shè)計(jì)方案為采用吸收式熱泵機(jī)組，以28 ℃左右的循環(huán)冷卻水作為低溫?zé)嵩?，以汽輪機(jī)抽汽（0.6 MPa～0.8 MPa）作為驅(qū)動(dòng)熱源，加熱供暖熱水，被降溫后的循環(huán)水（22 ℃）又送入冷凝器循環(huán)利用。具體系統(tǒng)流程如圖2 所示。

圖2 吸收式熱泵供暖系統(tǒng)流程

通過吸收式熱泵技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以回收循環(huán)水余熱，提供熱電廠供暖熱量，同時(shí)也提高了熱電廠總的能源利用效率。另外，采用該技術(shù)在冬季供暖期可以取代冷卻塔的運(yùn)行，降低全廠用電率；同時(shí)循環(huán)水冷卻改為閉式循環(huán)運(yùn)行，可以最大程度地節(jié)約循環(huán)水的蒸發(fā)損失，減少資源浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效益。因此，吸收式熱泵技術(shù)在回收熱電廠冷凝排熱、用于冬季采暖供熱是經(jīng)濟(jì)可行的。

2 垃圾發(fā)電廠工程應(yīng)用經(jīng)濟(jì)分析

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，城市生活垃圾處理問題也變得越來(lái)越嚴(yán)重。近些年，隨著垃圾焚燒處理技術(shù)的不斷發(fā)展及其在實(shí)踐過程中所體現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)以及國(guó)家政策上的支持，全國(guó)掀起垃圾焚燒電廠的建設(shè)高潮。截至2018 年年底，我國(guó)建成并投入運(yùn)行的生活垃圾焚燒發(fā)電廠約364 座，2019 年全國(guó)范圍內(nèi)擬建設(shè)的涉及垃圾焚燒的項(xiàng)目多達(dá)426 項(xiàng)，覆蓋了全國(guó)29 個(gè)省、市、自治區(qū)，預(yù)計(jì)到2020年年末，全國(guó)城市垃圾焚燒建成的投運(yùn)項(xiàng)目有望達(dá)到550 座［4］。

針對(duì)傳統(tǒng)熱電廠采用吸收式熱泵技術(shù)回收乏汽冷凝排熱成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，筆者嘗試探索其在垃圾焚燒電廠的適用性。

2.1 垃圾焚燒電廠基本情況

本文以北方某省垃圾焚燒發(fā)電廠為例，其垃圾處理規(guī)模為1 500 t/d，焚燒線采用2×750 t/d 臺(tái)機(jī)械爐排爐，配置主蒸汽參數(shù)為4.0 MPa（g）、450 ℃的臥式余熱鍋爐，汽輪機(jī)容量為2×15 MW，發(fā)電機(jī)2×15 MW；MCR 工況運(yùn)行下2 臺(tái)余熱鍋爐可提供約123.4 t/h 蒸汽供發(fā)電，按全年運(yùn)行8 000 h 計(jì)，年發(fā)電量約2.14×108kWh/a，年上網(wǎng)電量約1.75×108kWh/a；煙氣凈化工藝采用“SNCR［氨水］＋半干法［Ca（OH）2］＋干法［Ca（OH）2］+活性碳吸附＋袋式除塵器”，排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行國(guó)標(biāo)《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485—2014）；全廠總循環(huán)冷卻水流量約為8 400 m3/h。

該廠位于北方，冬季室溫較低，按規(guī)范要求設(shè)置了全廠生活和生產(chǎn)車間供暖系統(tǒng)。

2.2 垃圾焚燒發(fā)電廠應(yīng)用經(jīng)濟(jì)分析

（1）供暖熱負(fù)荷及熱源型式。全廠生活及生產(chǎn)車間供暖換熱站位于綜合廠房?jī)?nèi)0 m 層，換熱站總供暖熱負(fù)荷為2.71 MW。熱源為汽輪機(jī)抽汽（P=0.355 MPa，T=202 ℃），由立式半即熱式換熱器交換成85/60 ℃采暖熱水，經(jīng)循環(huán)水泵輸送到各熱用戶并通過散熱器向空間供暖。本系統(tǒng)蒸汽耗量Qh約為4.12 t/h（換熱效率按95%考慮），冷凝水溫度按90 ℃考慮。

擬采用方案：在車間設(shè)置吸收式溴化鋰熱泵機(jī)組，使用汽機(jī)抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，利用廠區(qū)循環(huán)冷卻水（冬季溫度約28 ℃～33 ℃）作為低溫余熱熱源，通過機(jī)組系統(tǒng)對(duì)全廠生活及車間提供供暖熱水，以減少汽機(jī)抽汽耗量，達(dá)到節(jié)能提高全廠能源利用率的目的。吸收式熱泵站房供暖系統(tǒng)流程可參考圖2。

（2）經(jīng)濟(jì)性估算分析。通過上文描述，查詢相關(guān)技術(shù)資料，蒸汽技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 蒸汽技術(shù)參數(shù)

根據(jù)全廠供暖負(fù)荷以及循環(huán)冷卻水在冬季運(yùn)行期實(shí)際供回水平均溫度在28/22 ℃左右，國(guó)內(nèi)某廠家蒸汽型一類熱泵機(jī)組技術(shù)參數(shù)如表2 和表3 所示。

表2 蒸汽型一類熱泵機(jī)組技術(shù)參數(shù)表

表3 蒸汽型一類熱泵機(jī)組技術(shù)參數(shù)表

（3）發(fā)電收益經(jīng)濟(jì)估算分析。結(jié)合上述相關(guān)技術(shù)參數(shù)，對(duì)焚燒廠使用傳統(tǒng)換熱器換熱和吸收式熱泵機(jī)組換熱兩種熱源型式消耗蒸汽量進(jìn)行對(duì)比分析，經(jīng)濟(jì)估算如下。

①全廠生活及車間供暖系統(tǒng)理論發(fā)電量經(jīng)濟(jì)估算分析。

蒸汽節(jié)省量：

汽輪機(jī)小時(shí)多發(fā)電量：

供暖期按4 個(gè)月計(jì)算，年多發(fā)電量：

按0.65 元/kWh 上網(wǎng)電價(jià)估算年發(fā)電收益：

②采用吸收式熱泵機(jī)組增加溶液泵、真空泵、冷劑泵以及循環(huán)冷卻水水泵等耗電估算：機(jī)組新增設(shè)備耗電功率W 約為27.7kW（見表3）。

1 a 供暖期折合電費(fèi)：

合計(jì)估算年發(fā)電效益：

綜上，供暖期凈年發(fā)電效益如表4 所示。

表4 供暖期凈年發(fā)電效益表

③設(shè)備投資分析。通過調(diào)研設(shè)備市場(chǎng)基本情況，廠內(nèi)新增吸收式熱泵機(jī)組進(jìn)行供暖，其設(shè)備本體及相關(guān)配套輔助設(shè)備、管道、閥門附件及安裝輔材投資情況如表5 所示。

表5 設(shè)備投資分析表

3 小結(jié)

（1）采用吸收式熱泵機(jī)組達(dá)到了余熱利用的目的，但總體經(jīng)濟(jì)性不明顯。

（2）全廠總循環(huán)水量約為8 400 m3/h，而設(shè)備需求循環(huán)水量為151.7 m3/h，利用率僅為1.8%，未能達(dá)到完全利用循環(huán)水余熱及節(jié)水（熱泵為閉式循環(huán)）目的。

（3）吸收式熱泵供熱對(duì)于供熱負(fù)荷大地區(qū)，可以更多的利用循環(huán)水余熱，才能體現(xiàn)其余熱利用的經(jīng)濟(jì)性，較適合于熱電聯(lián)供場(chǎng)所。

（4）若后續(xù)垃圾上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼優(yōu)惠政策變化對(duì)垃圾焚燒廠收益產(chǎn)生影響，可以考慮更多的對(duì)外供熱，并通過設(shè)置吸收式熱泵機(jī)組，進(jìn)一步提高能源利用率及全廠經(jīng)濟(jì)效益。