郭璞維，彭躍，鄧靖敏，李兵發(fā)，周興，胡鋆，郭海強(qiáng)，王金星

（1.三河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北廊坊 065201；2.沈陽工程學(xué)院研究生部，沈陽 110136；3.河北師范大學(xué)中燃工學(xué)院，石家莊 050024；4.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

2017 年，國(guó)家發(fā)改委等部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，確定了未來10 年內(nèi)儲(chǔ)能發(fā)展的階段性目標(biāo)［1］，明確了兩步實(shí)施方案。尤其在碳達(dá)峰、碳中和背景下［2-3］，為進(jìn)一步加快新能源電力的發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)將成為能源領(lǐng)域未來數(shù)年乃至數(shù)十年的重要發(fā)展內(nèi)容。

煙氣余熱回收是提高煤電機(jī)組系統(tǒng)效率的最有效途徑之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這一技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作。Riffat 等［4］對(duì)一種開放式煙氣回收系統(tǒng)進(jìn)行了研究，成功驗(yàn)證了該系統(tǒng)從常規(guī)熱設(shè)備中回收煙氣余熱提高系統(tǒng)整體效率的可行性。Westerlund 等［5］以濕式生物質(zhì)鍋爐為示范探索了一種煙氣驅(qū)動(dòng)式回收系統(tǒng)。結(jié)果表明，生物質(zhì)鍋爐回收熱量與傳統(tǒng)鍋爐相比增加了40.00%。Lazzarin等［6］對(duì)煙氣驅(qū)動(dòng)的開放式回收系統(tǒng)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，開放式系統(tǒng)中的電熱泵回收煙氣效果優(yōu)于封閉式系統(tǒng)。Wei 等［7］建立了一個(gè)開放式煙氣余熱回收系統(tǒng)的仿真模型，為北京優(yōu)選天然氣和電力價(jià)格提供了重要的參考信息。Ye 等［8］為了提高煙氣驅(qū)動(dòng)式開放回收系統(tǒng)的效率，探索了一種根據(jù)熱源溫度自由切換單機(jī)或雙機(jī)模式的余熱回收方式。

儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展為煙氣余熱回收提供了配套的應(yīng)用保障。Sun 等［9］對(duì)以陶瓷為殼的熔融鹽蓄熱單元性能進(jìn)行探索，這種復(fù)合相變材料可以在其熔點(diǎn)溫度下正常使用，有效預(yù)防堵塞和腐蝕的問題。Parsimehr 等［10］用玉米基碳制備的儲(chǔ)能電極，具有良好的電化學(xué)性能，可用來制作超級(jí)電容器的電極。Kohler等［11］以水沸石為吸附物質(zhì)進(jìn)行熱化學(xué)儲(chǔ)能研究，分別測(cè)量并計(jì)算了熱化學(xué)儲(chǔ)能的效率和能量密度，證明隨著吸附物質(zhì)碳鏈長(zhǎng)度的增加，解吸溫度會(huì)提高。在整個(gè)解吸溫度范圍內(nèi)甲醇具有的能量密度最高，為402 kJ/kg。Wang等［12］提出了將抽水儲(chǔ)能與壓縮空氣儲(chǔ)能耦合的新型儲(chǔ)能系統(tǒng)，有助于解決風(fēng)電儲(chǔ)能受限的問題。

燃煤電廠設(shè)計(jì)排煙溫度為120～150 ℃，實(shí)際運(yùn)行排煙溫度往往高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。排煙熱損失超過鍋爐總熱損失的50.00%～80.00%［13］，是煤電機(jī)組熱損失最多的一項(xiàng)。因此，降低排煙熱損失具有重要意義［14-16］。將燃煤電廠煙氣余熱利用儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)存起來并加以利用，可極大地提高燃煤電廠的能源利用效率。結(jié)合煙氣余熱回收和儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)及二者的溫度區(qū)間，探索燃煤電廠煙氣余熱回收與儲(chǔ)能技術(shù)耦合應(yīng)用的可行性，以期對(duì)該技術(shù)的推廣與研究探索提供參考。

1 煙氣余熱回收的利用方式

1.1 變工況下煙氣余熱回收

變工況下煙氣余熱回收主要通過高壓省煤器和低壓省煤器實(shí)現(xiàn)。其中，煙氣余熱回收的循環(huán)部位是旁路煙氣管道，其溫度區(qū)間是350～400 ℃。將回收的余熱能量同時(shí)用于加熱鍋爐給水和凝結(jié)水，當(dāng)旁路煙氣與總煙氣流量比為10.00%～30.00%時(shí)，能夠使鍋爐給水和凝結(jié)水的溫度達(dá)到前置空氣加熱器和空氣預(yù)熱器出口空氣溫度。低壓省煤器的進(jìn)口煙氣溫度和排氣煙氣溫度等主要節(jié)點(diǎn)溫度均下降，系統(tǒng)的?效率降低，廢熱回收效率和能量等級(jí)替換系數(shù)提高。Wang 等［17］通過安裝低壓省煤器提高了600 MW 鍋爐的節(jié)煤效果。Stevanovic等［18］通過加裝高壓省煤器提高了620 MW 燃煤機(jī)組的煙氣余熱利用效率。Xu 等［19］提出在高溫空氣預(yù)熱器和低溫空氣預(yù)熱器之間加裝低溫節(jié)能器，有效減少?損失。Yan 等［20］通過改進(jìn)濕法脫硫旁路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)煙氣余熱回收利用，使凈標(biāo)準(zhǔn)煤耗減少了5.38 g/（kW·h）。Yang 等［21］提出了一種概念性的煙氣余熱回收系統(tǒng)，包括高溫空氣預(yù)熱器、低溫空氣預(yù)熱器、主空氣預(yù)熱器，可用于加熱冷凝水。Liu 等［22］針對(duì)上述節(jié)煤和煙氣余熱改造，提出不同工況下煙氣余熱級(jí)聯(lián)回收系統(tǒng)（Flue Gas Waste Heat Cascade Recovery System，F(xiàn)WCRS），如圖1所示。

圖1 煙氣余熱級(jí)聯(lián)回收系統(tǒng)Fig.1 Flue gas waste heat cascade recovery system

圖2 是某1 000 MW 超超臨界雙再熱燃煤機(jī)組的工作原理［23］，來自鍋爐的高溫?zé)煔夥殖? 路，30.00%的旁路煙氣經(jīng)過調(diào)節(jié)閥依次流過高壓省煤器和低壓省煤器，分別加熱冷凝水和鍋爐補(bǔ)給水，再經(jīng)過旁路閥門與通過空氣預(yù)熱器的另一路煙氣匯合后進(jìn)入反靜電除塵器和后續(xù)的煙氣脫硫裝置。由低壓省煤器和前置空氣預(yù)熱器組成循環(huán)裝置預(yù)熱來自送風(fēng)機(jī)的冷空氣之后，再經(jīng)過空氣預(yù)熱器加熱一次風(fēng)和二次風(fēng)并分別送入爐膛和磨煤機(jī)。

圖2 1 000 MW超超臨界雙再熱燃煤機(jī)組的FWCRS工作原理Fig.2 Working principle of the FWCRS in a 1 000 MW ultra?supercritical double reheat coal?fired unit

1.2 低溫省煤器-暖風(fēng)器聯(lián)合運(yùn)行

肖卓楠等［24-25］針對(duì)燃煤電廠設(shè)計(jì)排煙溫度低于實(shí)際排煙溫度的情況，提出3種可行的解決方案，分別是低溫省煤器-冷風(fēng)加熱器聯(lián)合運(yùn)行、低溫省煤器-空氣預(yù)熱器聯(lián)合運(yùn)行、低溫省煤器-暖風(fēng)器聯(lián)合運(yùn)行，最后一種方案如圖3 所示。煙氣余熱回收的循環(huán)部位是暖風(fēng)器，其溫度為122～160 ℃，將回收的余熱用于加熱汽輪機(jī)回?zé)峒訜崞髦械幕旌夏Y(jié)水，達(dá)到排煙溫度降到100 ℃的效果。研究結(jié)果表明，低溫省煤器-暖風(fēng)器可起到較好的節(jié)煤效果，?損失效率最低，更適合降低煙氣的排煙溫度。

圖3 低溫省煤器-暖風(fēng)器聯(lián)合運(yùn)行Fig.3 Combined operation of low?temperature economizers and air heaters

1.3 直膨式熱泵型煙氣余熱回收裝置

直膨式熱泵型煙氣余熱回收裝置通過直膨式熱泵蒸發(fā)器換熱和高溫?zé)煔?水換熱器回收煙氣余熱，其工作溫度為77～180 ℃。回收的余熱用于加熱熱網(wǎng)回水，進(jìn)而可計(jì)算得到余熱回收系統(tǒng)水流量與燃?xì)饫眯实年P(guān)系。王明爽［26］為利用回水溫度約50 ℃的熱水管網(wǎng)對(duì)中小型鍋爐（10～10 000 kW）進(jìn)行深度煙氣余熱回收，研究了直膨式熱泵型煙氣余熱回收系統(tǒng)，如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，直膨式熱泵型煙氣余熱回收系統(tǒng)的效果良好。

圖4 直膨式熱泵型煙氣余熱回收系統(tǒng)工作原理Fig.4 Working principle of the flue gas waste heat recovery system with direct expansion heat pumps

2 熱能儲(chǔ)存形式及應(yīng)用特點(diǎn)

2.1 壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用溫度區(qū)間為200～400 ℃，通常利用地下巖洞、熔巖洞或人工建造的管道系統(tǒng)等作為容器，將非峰值時(shí)段的電力通過壓縮空氣儲(chǔ)存在上述容器內(nèi)［27］，在用電高峰時(shí)間段將壓縮空氣釋放、加熱、膨脹，利用渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。該項(xiàng)技術(shù)可以更靈活地根據(jù)區(qū)域內(nèi)的具體情況進(jìn)行應(yīng)用。壓縮空氣儲(chǔ)能的效率接近70.00%，預(yù)期運(yùn)行周期為40 a［28］。目前該項(xiàng)技術(shù)包括以下2 個(gè)方面：一是在空氣膨脹過程中，重用壓縮熱來消除和減少排放階段和加濕壓縮空氣過程中消耗的燃料；二是直接利用壓縮泵儲(chǔ)存能量［29-30］，如圖5所示。

圖5 壓縮空氣儲(chǔ)能原理Fig.5 Principle of compressed air energy storage technology

2.2 液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)

液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)將電能以低溫液態(tài)空氣的形式儲(chǔ)存，其應(yīng)用的溫度區(qū)間低于200 ℃。英國(guó)Highview Power Storage 公司率先將該技術(shù)應(yīng)用于Slough工廠［31］，如圖6所示。該項(xiàng)技術(shù)第1階段類似于壓縮空氣儲(chǔ)能，區(qū)別是需要將壓縮空氣液化并在接近大氣壓力的情況下儲(chǔ)存在容器中。使用時(shí)可以用泵抽取液化空氣直接用于制冷；余下的廢熱可以用來進(jìn)行膨脹做功產(chǎn)生電能。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是液態(tài)空氣的體積僅為氣態(tài)空氣的1/700，即使是小容器也可以儲(chǔ)存大量的液態(tài)空氣。不足之處是該技術(shù)儲(chǔ)能效率較低，僅為40.00%～70.00%［32-33］，仍有可以提升和發(fā)展的空間。同時(shí)，在發(fā)電階段可以利用液化過程回收熱量，從而提高效率。

圖6 液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)原理Fig.6 Principle of liquefied air energy storage technology

2.3 熱能存儲(chǔ)

熱能存儲(chǔ)的工作溫度區(qū)間為90～200 ℃，目前有3種應(yīng)用方式［34］。

（1）顯熱儲(chǔ)能。該方式一般采用水、巖石等作為儲(chǔ)能材料，主要用來儲(chǔ)存溫度較低（≤150 ℃）的熱能［35］。該技術(shù)受限于儲(chǔ)熱材料的熱力學(xué)性能，儲(chǔ)能效率不高，僅適用于采暖。

（2）潛熱儲(chǔ)能。該方式是利用物質(zhì)發(fā)生固體-液相變的相變潛熱進(jìn)行儲(chǔ)能，因此具有較高的儲(chǔ)能容量［36］。目前用于潛熱儲(chǔ)存的原介質(zhì)有氟化物、氯化物、磷酸鹽、硫酸鹽、亞硝酸鹽以及氫氧化合物的低共熔混合物。

（3）熱化學(xué)儲(chǔ)能。利用吸熱反應(yīng)儲(chǔ)存能量，利用放熱反應(yīng)釋放能量［37-38］。這種系統(tǒng)與潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)同樣具有在恒溫下存儲(chǔ)、釋放能量的優(yōu)點(diǎn)。熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)不需要絕緣的儲(chǔ)能容器，但其反應(yīng)裝置復(fù)雜、精密，必須由經(jīng)過訓(xùn)練的人員進(jìn)行仔細(xì)維護(hù)，只適用于較大型的系統(tǒng)。

綜上所述，針對(duì)理論界探討和實(shí)踐中已有體現(xiàn)的處理機(jī)制，每一種都具有自身的局限性，都難以作為執(zhí)行依據(jù)不明確的處理方式統(tǒng)一適用。

3 煙氣余熱回收耦合儲(chǔ)能應(yīng)用方式

3.1 煙氣余熱回收系統(tǒng)耦合壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)有多種應(yīng)用方式，如圖7 所示，可結(jié)合煙氣余熱回收系統(tǒng)溫度范圍進(jìn)行選擇。

圖7 煙氣余熱回收裝置與壓縮空氣儲(chǔ)能的耦合Fig.7 Coupling of flue gas waste heat recovery devices and compressed air energy storage technologies

例如，德國(guó)Huntorf電站是世界上容量最大的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，機(jī)組壓縮機(jī)功率60 MW，釋能輸出功率為290 MW［39］，具體原理如圖7a 所示。超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能也是煙氣余熱回收利用的備選方案，以中科院工程熱物理所在廊坊所建1.5 MW 示范裝置為例，其以超臨界壓縮空氣為介質(zhì)，循環(huán)效率可以達(dá)到67.41%［40］。該系統(tǒng)的蓄冷容量為10 GJ，裝置容積為60 m3，可承受-196 ℃的低溫，裝置承壓達(dá)到7 MPa，由此帶來造價(jià)較高、制造難度大等問題［41］。而通過如圖7b 所示的煙氣余熱回收系統(tǒng)與其進(jìn)行耦合，可以降低對(duì)外部熱源的需求，進(jìn)一步解決運(yùn)行成本高的問題。

3.2 煙氣余熱回收耦合其他單一儲(chǔ)熱技術(shù)

根據(jù)煙氣余熱回收和低溫儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)，可將二者進(jìn)行耦合如圖8a 所示。其工作原理是利用電網(wǎng)低谷時(shí)段電量驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)做功，獲得低溫或液態(tài)空氣，回收煙氣中的熱能并驅(qū)動(dòng)透平主機(jī)發(fā)電。圖8b 和圖8c 分別展示了利用空氣預(yù)熱器和吸收式熱泵回收煙氣余熱的工作原理。空氣預(yù)熱器系統(tǒng)依靠來自汽輪機(jī)內(nèi)的混合凝結(jié)水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，熱泵型煙氣余熱回收系統(tǒng)主要利用蒸發(fā)器內(nèi)流動(dòng)的熱網(wǎng)低溫水為儲(chǔ)熱介質(zhì)。

圖8 煙氣回收裝置與熱能存儲(chǔ)的3種耦合方式Fig.8 Three coupling ways of flue gas recovery devices and heat energy storage technologies

4 結(jié)論

介紹了3 種煙氣余熱回收形式和3 種儲(chǔ)熱應(yīng)用技術(shù)，并結(jié)合煙氣余熱回收和儲(chǔ)熱技術(shù)的溫度區(qū)間特點(diǎn)提出了各種可行的耦合方式。其中，相變儲(chǔ)熱材料為煙氣余熱利用提供了新的發(fā)展方向。

從未來發(fā)展趨勢(shì)來看，煙氣余熱回收與壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)耦合方案最具實(shí)際應(yīng)用意義及發(fā)展?jié)摿?。該方案保留了現(xiàn)有系統(tǒng)中的大部分設(shè)備，在不造成試驗(yàn)裝置失效浪費(fèi)的前提下進(jìn)行耦合，提高了能源的利用效率，符合國(guó)家高效、環(huán)保的能源理念。

最后，對(duì)不同煙氣余熱回收技術(shù)與熱能存儲(chǔ)技術(shù)的耦合方式進(jìn)行了可行性分析，闡述了有效可行耦合方式的技術(shù)原理，為煙氣余熱回收技術(shù)與熱能存儲(chǔ)耦合技術(shù)開發(fā)提供參考。