李美軍

（1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013；3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013）

我國(guó)能源利用率低下與能源發(fā)展模式的不合理，是導(dǎo)致能源供需緊張的主要原因[1]。2016年全國(guó)“兩會(huì)”審議并通過(guò)的“十三五”規(guī)劃綱要中提出，要大力發(fā)展環(huán)保技術(shù)裝備，推廣能效較高的節(jié)能裝置，如熱泵等。2018年國(guó)務(wù)院提出了“打贏(yíng)藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃”，要求開(kāi)展對(duì)燃煤鍋爐的綜合治理，加快供熱管網(wǎng)建設(shè)，充分釋放和提高供熱能力[2]。我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的調(diào)整時(shí)期，為保證經(jīng)濟(jì)穩(wěn)健發(fā)展，需要繼續(xù)堅(jiān)持節(jié)能降耗、提高能源利用效率的發(fā)展路線(xiàn)。自主研發(fā)的以逆噴旋流燃燒器為核心的高效煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)具有燃燒效率高、污染物排放低、即開(kāi)即停、操作性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)采用高倍率灰鈣循環(huán)煙氣脫硫技術(shù)（NGD），即通過(guò)增濕循環(huán)脫除煙氣中SO2等酸性氣體及粉塵以達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，其煙氣中水蒸氣含量高達(dá)20%以上。高濕度煙氣中含有的大量全熱（包括顯熱和潛熱）和水資源，其溫度每增加10℃，排煙熱損失增加0.6%～1.0%，耗煤量增加1.2%～2.4%[3]?；厥諢煔馊珶岷退坏商岣咤仩t的熱效率，還可節(jié)約水資源。吸收式熱泵以高溫?zé)嵩礊轵?qū)動(dòng)力，回收低溫?zé)崃浚墒瑰仩t煙氣實(shí)現(xiàn)深度冷卻，提高一次能源利用率，其性能系數(shù)可達(dá)1.5～2.5，具有節(jié)能顯著、耗功量小、污染少、技術(shù)穩(wěn)定等特點(diǎn)[4-9]。

F.Steimle通過(guò)比較吸收式熱泵與電力驅(qū)動(dòng)熱泵的優(yōu)缺點(diǎn)，表明應(yīng)用吸收式熱泵可與熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)余熱的有效回收和利用，并提高一次能源利用效率[10]。我國(guó)學(xué)者在燃煤電站熱電聯(lián)供及天然氣鍋爐供熱系統(tǒng)的余熱利用方面做了大量工作，取得較大成果并開(kāi)始工業(yè)化應(yīng)用。燃煤電站熱電聯(lián)供方面，清華大學(xué)深入研究并分析不同型式熱泵的工作特點(diǎn)及影響熱泵回收余熱效果的參數(shù)，闡明了吸收式熱泵應(yīng)用于工業(yè)余熱回收領(lǐng)域的可行性，于2008年提出了基于Co-ah循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方法，利用雙效吸收式熱泵機(jī)組配合單效吸收熱泵機(jī)組的方式，實(shí)現(xiàn)依靠熱電廠(chǎng)冷凝乏汽、冷凝余熱及汽輪機(jī)抽汽對(duì)熱網(wǎng)回水升溫[11]。太原理工大學(xué)根據(jù)山西某熱電廠(chǎng)冷凝抽汽工況條件設(shè)計(jì)了基于單效吸收式熱泵機(jī)組的新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)供熱負(fù)荷增大、熱電廠(chǎng)一次能源利用率提高、節(jié)能減排的目標(biāo)[12]。天然氣鍋爐供熱方面，清華大學(xué)[13]早在2003年通過(guò)模擬研究表明吸收式熱泵系統(tǒng)的效率相對(duì)于冷凝熱回收系統(tǒng)可提高11%，并提出利用吸收式熱泵制取20℃的冷凍水通過(guò)換熱器將150～200℃的煙氣降至30℃后排出，實(shí)現(xiàn)煙氣的深度余熱回收[14]。Garlmella等[15]介紹了一種由煙氣驅(qū)動(dòng)的吸收式熱泵，可以同時(shí)產(chǎn)生冷水和熱水，用于空間調(diào)節(jié)或工藝加熱，具有很好的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。Zhu等[16]分析了實(shí)際情況下吸收式熱泵的熱回收性能，發(fā)現(xiàn)鍋爐效率可提高至13.6%，煙氣溫度降為30℃。以300 MW供熱機(jī)組為例，配置兩臺(tái)46.4 MW溴化鋰吸收式熱泵后，熱耗降低29 GJ/h，年節(jié)煤量約2 849.539 t，可實(shí)現(xiàn)減排CO27 465 t，SO224 t，NOx21 t，節(jié)能減排潛力明顯[17]。

綜上所述，利用吸收式熱泵技術(shù)進(jìn)行余熱利用的優(yōu)點(diǎn)在于可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)供熱量與用戶(hù)需求之間的“質(zhì)”與“量”的匹配以及能源梯級(jí)利用，對(duì)原熱力系統(tǒng)影響較小[18-20]。利用吸收式熱泵技術(shù)對(duì)高效煤粉工業(yè)鍋爐供熱系統(tǒng)進(jìn)行煙氣余熱利用，可大大增強(qiáng)該系統(tǒng)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性，符合我國(guó)節(jié)能減排的政策導(dǎo)向，但目前缺乏相關(guān)研究和應(yīng)用。本文通過(guò)將煤粉熱水鍋爐系統(tǒng)與吸收式熱泵系統(tǒng)進(jìn)行定制化耦合，建立煤粉熱水鍋爐耦合雙效吸收式熱泵的集成系統(tǒng)熱力學(xué)分析的基本方法，掌握系統(tǒng)熱能品位梯級(jí)利用的原則，提出70 MW煤粉熱水鍋爐耦合14 MW雙效吸收式熱泵的“嵌入式”增效型集成系統(tǒng)，通過(guò)熱能計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性分析可知，該系統(tǒng)可完成熱網(wǎng)水的梯級(jí)加熱和供給，實(shí)現(xiàn)煙氣全熱的深度利用和水資源回收，有效提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和能源綜合利用效率。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

煤粉熱水鍋爐耦合雙效溴化鋰吸收式熱泵增強(qiáng)型集成系統(tǒng)工藝原理見(jiàn)圖1。煤粉工業(yè)鍋爐耦合吸收式熱泵系統(tǒng)共包含兩個(gè)子系統(tǒng)：鍋爐子系統(tǒng)及熱泵子系統(tǒng)。其中鍋爐子系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機(jī)、熱水鍋爐、省煤器、空氣預(yù)熱器、NGD脫硫、引風(fēng)機(jī)、煙囪、中和過(guò)濾器和冷凝水收集器等。熱泵子系統(tǒng)包括高壓發(fā)生器、高溫溶液熱交換器、減壓閥、低壓發(fā)生器、低溫溶液熱交換器、溶液泵、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器和取熱器等。該系統(tǒng)特色為：①“嵌入式”高溫?zé)煔鉄崃刻菁?jí)利用，通過(guò)發(fā)生器與高溫?zé)煔獾摹爸比际健苯Y(jié)合，提高高溫?zé)煔獾臒峤粨Q率；②低溫?zé)煔馍疃扔酂岷退厥绽?，?duì)低溫?zé)煔膺M(jìn)行深度冷卻，達(dá)到同時(shí)回收余熱和水資源的作用。

圖1 煤粉熱水鍋爐耦合雙效溴化鋰吸收式熱泵增強(qiáng)型集成系統(tǒng)工藝原理圖

煤粉為一次能源輸入，鍋爐產(chǎn)生的高溫含硫煙氣作為吸收式熱泵的高溫?zé)嵩矗c發(fā)生器換熱，經(jīng)過(guò)NGD處理后的低溫潔凈煙氣作為低溫?zé)嵩矗c蒸發(fā)器換熱，熱網(wǎng)回水經(jīng)過(guò)吸收器和冷凝器的二次加熱后用于供暖，低溫潔凈煙氣換熱后形成的冷凝水作為NGD和熱網(wǎng)水的供水。將熱水鍋爐產(chǎn)生的部分高溫含硫煙氣作為高溫?zé)嵩醇訜嵯到y(tǒng)中的高壓發(fā)生器，低溫潔凈煙氣與中介水換熱，被加熱的中介水作為低溫?zé)嵩醇訜嵴舭l(fā)器。熱網(wǎng)回水依次流入吸收器和冷凝器換熱，升溫后并入供暖管網(wǎng)，低溫?zé)煔鈸Q熱后產(chǎn)生的冷凝水一部分補(bǔ)給NGD增濕水，一部分補(bǔ)給熱網(wǎng)水。煤粉熱水鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生90℃的管網(wǎng)上水，并生成約900℃的高溫?zé)煔?。高溫?zé)煔獾囊徊糠忠胛帐綗岜米鳛楦邷責(zé)嵩础＝?jīng)吸收式熱泵冷卻后，均降為350℃后進(jìn)入脫硝裝置。煙氣脫硝后進(jìn)入省煤器和空氣預(yù)熱器，溫度降為130℃，而后進(jìn)入NGD脫硫凈化，溫度降為75℃，含濕量增為73 g/kg（干空氣）。然后，凈化煙氣進(jìn)入取熱器與熱泵中介水換熱，溫度降為30℃，低于露點(diǎn)溫度（47℃），因此凈化煙氣中有大量冷凝水析出。冷凝水進(jìn)入收集器，呈弱酸性，需經(jīng)中和過(guò)濾等措施，成為NGD的增濕水和管網(wǎng)補(bǔ)水等。

吸收式熱泵系統(tǒng)中，發(fā)生器的高溫驅(qū)動(dòng)熱源為引入的900℃煙氣。35℃的中介水與蒸發(fā)器換熱后降溫為20℃，再次進(jìn)入取熱器與凈化煙氣換熱。吸收器和冷凝器依次將大部分管網(wǎng)回水加熱，使其從50℃升為65℃，加熱后的管網(wǎng)回水與剩余小部分的50℃管網(wǎng)回水混合后作為鍋爐給水。

2 節(jié)能性分析

2.1 燃燒特性計(jì)算

以工程實(shí)測(cè)的神東煤數(shù)據(jù)為例，詳細(xì)的工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1。

表1 煤粉的工業(yè)分析和元素分析

以70 MW煤粉熱水鍋爐為研究對(duì)象，鍋爐熱效率為90%，進(jìn)行煤粉燃燒特性計(jì)算，主要計(jì)算過(guò)程及結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 燃燒特性計(jì)算

2.2 煙氣熱能余熱計(jì)算

煙氣排煙余熱包括兩部分：煙氣的顯熱和煙氣中水蒸氣的汽化潛熱。

2.2.1 顯熱計(jì)算

根據(jù)《標(biāo)態(tài)下氣體平均體積定壓比熱容表》，可查得相應(yīng)溫度下的煙氣各組分的定壓比熱容，進(jìn)而可得出煙氣的焓值，不同排煙溫度下的焓差即為煙氣的顯熱回收量。NGD排出的煙氣溫度為75℃，含濕量為0.073 kg/kg（干空氣），對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度為47℃，計(jì)算可得煙氣的顯熱回收量為：

2.2.2 潛熱計(jì)算

潛熱主要是煙氣中水蒸氣凝結(jié)過(guò)程中釋放出的熱量。根據(jù)不同溫度下煙氣的含濕量，可計(jì)算出不同溫度下煙氣的潛熱的焓，通過(guò)計(jì)算焓差可得到煙氣潛熱回收量。煙氣的潛熱回收量為：

2.2.3 回收量計(jì)算

煙氣深度利用即主要利用回收排煙中水蒸氣的汽化潛熱，提高系統(tǒng)熱效率。因此回收水量能直接反映煙氣深度利用系統(tǒng)的回收熱量能力的高低。

回收水量為：

總回收余熱量為：

高溫?zé)嵩垂崃繛椋?/p>

鍋爐熱效率提高為：

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

由節(jié)能性計(jì)算可知，高溫?zé)嵩垂崃繛? MW，回收余熱量為4.93 MW。吸收式熱泵總功率為高溫供熱和回收余熱量之和，為14 MW。熱泵的性能系數(shù)COP為1.54。熱網(wǎng)回水進(jìn)入熱泵的溫度為50℃，流出溫度為65℃，計(jì)算可得熱網(wǎng)回水流量約為805.30 t/h，占總熱網(wǎng)回水量的81%。按照每個(gè)供暖季天數(shù)為120 d，煤粉的低位發(fā)熱值為24 310 kJ/kg，煤粉平均價(jià)格（含運(yùn)費(fèi)）為1 000元/t，工業(yè)用水平均價(jià)格8元/t計(jì)算，可得采用吸收式熱泵系統(tǒng)后，每年供暖季節(jié)省煤粉費(fèi)210.15萬(wàn)元，節(jié)省水費(fèi)11.24萬(wàn)元，共計(jì)節(jié)省總成本約221.4萬(wàn)元。具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 煙氣余熱回收經(jīng)濟(jì)參數(shù)

3.2 投資費(fèi)用分析

煙氣余熱回收系統(tǒng)作為關(guān)鍵設(shè)備，主要包括吸收式熱泵系統(tǒng)和取熱器。溴化鋰吸收式熱泵的功率約14 MW，約200萬(wàn)元，安裝工程費(fèi)用約10萬(wàn)元；取熱器采用涂層或耐腐蝕材質(zhì)，制作及安裝費(fèi)用約為20萬(wàn)元，相關(guān)的水泵、閥門(mén)、儀表等費(fèi)用約10萬(wàn)元。另外集中供熱部分，需對(duì)熱力站進(jìn)行改造，需投資約20萬(wàn)元。由此計(jì)算，煙氣余熱回收改造工程的初投資總費(fèi)用，包括設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、建筑安裝費(fèi)等，共計(jì)260萬(wàn)元，其中設(shè)備購(gòu)置費(fèi)220萬(wàn)元（見(jiàn)表4）。

表4 煙氣余熱回收工程初投資費(fèi)用

3.3 運(yùn)行費(fèi)用分析

煙氣余熱回收及利用工程中所應(yīng)用的設(shè)備，需要考慮其年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、折舊費(fèi)用和用電費(fèi)用。其中運(yùn)行維護(hù)方面，包括對(duì)各設(shè)備儀器的檢修及更換所需費(fèi)用。運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，按照設(shè)備投資費(fèi)用的3%來(lái)計(jì)算；取熱器、溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組和再熱器的折舊費(fèi)，按照使用年限15年計(jì)算，殘值率按照5%計(jì)算：

年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用：380×3%=11.4萬(wàn)元

年設(shè)備折舊費(fèi)用：380×（1-5%）÷15=24.1萬(wàn)元

設(shè)備運(yùn)行電費(fèi)，工業(yè)用電價(jià)約為0.6元/（kW·h），每年供暖季為120 d，由此計(jì)算，可得每年供暖季煙氣余熱回收系統(tǒng)用電費(fèi)用約為34.6萬(wàn)元。

因此，煙氣余熱回收系統(tǒng)年運(yùn)行總費(fèi)用為運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、設(shè)備折舊費(fèi)用和電費(fèi)之和，共計(jì)70.1萬(wàn)元，又由前面分析煙氣余熱回收節(jié)約總成本費(fèi)用為221.4萬(wàn)元，可得，該余熱回收系統(tǒng)年凈節(jié)約費(fèi)用為151.3萬(wàn)元（見(jiàn)表5）。

表5 煙氣余熱回收工程運(yùn)行費(fèi)用分析

3.4 靜態(tài)投資回收期計(jì)算

靜態(tài)回收期計(jì)算公式為：

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)煙氣全熱的深度利用和水資源回收，本文提出了70 MW煤粉熱水鍋爐耦合14 MW雙效吸收式熱泵的“嵌入式”增效型集成系統(tǒng)，建立了煤粉熱水鍋爐耦合雙效吸收式熱泵的集成系統(tǒng)熱力學(xué)分析的基本方法，為煤粉熱水鍋爐煙氣余熱利用的研究和設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。具體結(jié)論如下：

（1）對(duì)于利用NGD脫硫的70 MW煤粉熱水鍋爐系統(tǒng)，燃燒后煙氣中水蒸氣含量比無(wú)NGD的增加一倍，采用吸收式熱泵系統(tǒng)深度回收煙氣潛熱，系統(tǒng)熱效率可以提高7%以上。

（2）采用14 MW的吸收式熱泵系統(tǒng)，以每年采暖季為120 d計(jì)算，年回收煙氣余熱量達(dá)51 088 GJ，年節(jié)省煤粉量2 102 t，年回收水量14 051 t。

（3）通過(guò)經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，該系統(tǒng)年節(jié)省煤粉費(fèi)用為210.15萬(wàn)元，年節(jié)省水費(fèi)為11.24萬(wàn)元，靜態(tài)投資回收期為1.72年。