張若瑜， 王海超， 李祥立， 端木琳

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116085)

1 概述

熱電聯(lián)供可實(shí)現(xiàn)一次能源的梯級(jí)利用和具有較高的整體能效，盡管如此，在熱電生產(chǎn)過(guò)程中仍存在大量低品位余熱未被有效利用的情況，尤其是鍋爐的煙氣余熱和凝汽器循環(huán)冷卻水(本文簡(jiǎn)稱循環(huán)水)余熱沒(méi)有得到充分利用。

電廠燃煤鍋爐的省煤器、空氣預(yù)熱器僅能回收煙氣中部分顯熱，煙氣中的大量潛熱未被有效利用[1]。同時(shí)，循環(huán)水余熱一般直接通過(guò)冷卻塔(集中設(shè)置在空冷島)散失在環(huán)境中，未得到有效利用[2]。近年來(lái)，采用汽輪機(jī)低真空運(yùn)行技術(shù)提高凝汽器循環(huán)水的出水溫度直接用于供熱的方式在熱電廠得到了部分應(yīng)用，但該類(lèi)技術(shù)的供熱效果受到機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的制約，而且凝汽器內(nèi)真空度的改變會(huì)對(duì)機(jī)組本身造成安全隱患。本文對(duì)熱電廠煙氣余熱回收在煙氣脫白工藝中的應(yīng)用和循環(huán)水余熱回收的研究進(jìn)展和技術(shù)手段進(jìn)行綜述。

2 煙氣余熱回收在脫白工藝中的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)燃煤熱電廠的煙氣在向外界排放前均會(huì)經(jīng)過(guò)濕法脫硫，處理后的煙氣具有低溫高濕的特點(diǎn)，溫度通常為45～55 ℃，含有12%～16%的水蒸氣[3]，在脫硫過(guò)程中部分可溶性顆粒物、粉塵、硫化物等易溶解在水蒸氣中。若將濕法脫硫后的煙氣由煙囪直接排至大氣，由于環(huán)境溫度及含濕量低，煙氣會(huì)迅速降溫，其中的水蒸氣將凝結(jié)成濕煙羽，即“冒白煙”現(xiàn)象，對(duì)大氣造成污染。

傳統(tǒng)煙氣余熱回收技術(shù)手段通常將余熱用于鍋爐的回?zé)嵯到y(tǒng)中，余熱利用途徑較為單一。根據(jù)煙氣脫白機(jī)理，將煙氣余熱用于脫白工藝，成為煙氣余熱另一條利用途徑。

2.1 煙氣再熱法

煙氣再熱法是利用未經(jīng)處理的高溫?zé)煔饧訜崦摿蛱幚砗蟮牡蜏馗邼駸煔?，通常采取間接換熱的方式，主要以煙氣再熱器(Gas-Gas Heater，GGH)、中間熱媒體煙氣換熱器(Media Gas-Gas Heater，MGGH)兩種換熱裝置為主。自20世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)初期建設(shè)的熱電廠脫硫工藝中均安裝了煙氣再熱器，以實(shí)現(xiàn)煙氣脫白。采用GGH的煙氣脫白工藝見(jiàn)圖1。由圖1可知，未經(jīng)處理的高溫?zé)煔庀冗M(jìn)入熱管換熱器與經(jīng)過(guò)脫硫處理的低溫高濕煙氣進(jìn)行換熱后進(jìn)入脫硫裝置脫硫，脫硫裝置出口的低溫高濕煙氣經(jīng)熱管換熱器加熱后排至煙囪。

圖1 采用GGH的煙氣脫白工藝

采用MGGH的煙氣脫白工藝流程見(jiàn)圖2?？諝忸A(yù)熱器出口未經(jīng)處理的高溫?zé)煔饨?jīng)煙氣冷卻器與換熱介質(zhì)換熱后進(jìn)入電除塵器進(jìn)行除塵，然后進(jìn)入脫硫塔。經(jīng)脫硫處理后，低溫高濕煙氣進(jìn)入煙氣再熱器被換熱介質(zhì)加熱升溫(排煙溫升有利于煙氣在排放時(shí)的抬升高度)。由于煙氣冷卻器布置在除塵器之前，使煙氣中的酸性蒸汽在冷凝后同粉塵顆粒的堿性物質(zhì)相結(jié)合，有利于被除塵器捕捉，從而去除部分硫化物，以減小后續(xù)設(shè)備受到低溫酸腐蝕。

無(wú)論是采用GGH，還是采用MGGH的煙氣脫白工藝，本質(zhì)上僅利用未經(jīng)處理的高溫?zé)煔庥酂崽岣吡伺艧煖囟?，但排煙中的水蒸氣含量并未顯著降低，

圖2 采用MGGH的煙氣脫白工藝流程

無(wú)法實(shí)現(xiàn)排煙除濕[4]，處理過(guò)程中存在低溫酸腐蝕情況。為解決低溫酸腐蝕問(wèn)題，需要采用材料成本較高的換熱設(shè)備，環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益存在矛盾。

2.2 煙氣冷凝法

對(duì)濕法脫硫后的低溫高濕煙氣通過(guò)降溫冷凝的方法回收煙氣中的水蒸氣，是實(shí)現(xiàn)煙氣脫白的另一種思路。利用間接接觸式換熱器處理低溫高濕煙氣，需要較大的換熱面積和較高的防腐要求。而采用噴淋式直接接觸式換熱器的煙氣冷凝除濕系統(tǒng)(工藝流程見(jiàn)圖3)具有余熱回收效率高、回收凝結(jié)水量大、凈化效果好等優(yōu)點(diǎn)[5]。

脫硫后的低溫高濕煙氣進(jìn)入噴淋式直接接觸式換熱器，與低溫噴淋水以逆流形式進(jìn)行直接接觸時(shí)傳熱傳質(zhì)，煙氣流動(dòng)方向自下往上，噴淋水從上往下噴淋，煙氣中的水蒸氣放熱凝結(jié)后與噴淋水送至水處理裝置。經(jīng)噴淋式直接接觸式換熱器除濕后的煙氣，從換熱器頂部排出。在除濕過(guò)程中，低溫高濕煙氣內(nèi)殘留的顆粒物、粉塵以及硫化物也會(huì)溶解在噴淋水中，煙氣得到了進(jìn)一步凈化。

圖3 采用噴淋式直接接觸式換熱器的 煙氣冷凝除濕系統(tǒng)工藝流程

近年來(lái)，部分學(xué)者提出了吸收式熱泵結(jié)合噴淋式直接接觸式換熱器的燃煤熱電廠煙氣余熱回收系統(tǒng)[6]，工藝流程見(jiàn)圖4。將噴淋水吸收的煙氣余熱作為吸收式熱泵的低溫?zé)嵩醇訜釤峋W(wǎng)回水，該系統(tǒng)可制取20 ℃左右的低溫噴淋水用于與煙氣換熱，提高了換熱效率和除濕效果。魏茂林等人[7]將該系統(tǒng)用于燃煤熱電廠中，實(shí)測(cè)結(jié)果表明脫硫后的煙氣溫度由50 ℃降至39 ℃，余熱回收量可觀，煙氣中二氧化硫、氮氧化物的排放量進(jìn)一步降低。雖然煙氣冷凝法實(shí)現(xiàn)了煙氣脫白，并使得煙氣余熱得到了合理利用，但由于排煙溫度過(guò)低，易導(dǎo)致排煙抬升高度降低，不利于污染物的擴(kuò)散。

圖4 吸收式熱泵結(jié)合噴淋式直接接觸式換熱器的燃煤熱電廠煙氣余熱回收系統(tǒng)工藝流程

2.3 煙氣冷凝再熱法

煙氣冷凝再熱法是一種解決煙氣脫白的新工藝，通過(guò)采用多組不同的換熱器，實(shí)現(xiàn)不同煙溫段煙氣余熱的合理利用。煙氣冷凝再熱系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖5。在采用MGGH的煙氣脫白工藝的基礎(chǔ)上，在脫硫裝置前設(shè)置煙氣冷卻器2，在脫硫裝置后設(shè)置噴淋式直接接觸式換熱器。鍋爐尾部高溫?zé)煔庖来瓮ㄟ^(guò)煙氣冷卻器1、干式電除塵器、煙氣冷卻器2、脫硫裝置、噴淋式直接接觸式換熱器、煙氣再熱器，完成冷凝至再熱升溫的全過(guò)程。設(shè)置兩組煙氣冷卻器可以將進(jìn)入脫硫裝置前的煙氣梯級(jí)冷卻至70～80 ℃，保證了脫硫裝置的工作效率。在滿足排煙溫度要求和系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，換熱介質(zhì)管路可以耦合鍋爐回?zé)嵫b置或熱網(wǎng)加熱裝置，將富裕熱量用于加熱鍋爐凝結(jié)水或熱網(wǎng)回水。此外，與采用MGGH的煙氣脫白工藝相比，進(jìn)入煙氣再熱器內(nèi)的煙氣含濕量較低，升溫所需熱量比較低。通常，煙氣再熱器出口煙氣60 ℃即可達(dá)到排煙要求，減少了煙氣再熱器的換熱面積。

舒喜等人[8]提出了煙氣冷凝再熱技術(shù)在熱電廠煙氣脫白的應(yīng)用，以某300 MW燃煤熱電機(jī)組為例，與采用MGGH的煙氣脫白工藝進(jìn)行分析比較。研究表明，煙氣冷凝再熱脫白工藝的節(jié)能、節(jié)水、減排效果更好。

圖5 煙氣冷凝再熱系統(tǒng)工藝流程

3 熱電廠循環(huán)水余熱利用途徑

傳統(tǒng)的低真空運(yùn)行技術(shù)存在熱電耦合的問(wèn)題，凝汽器內(nèi)真空度的改變易影響發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，存在一定的安全隱患，因此僅適用于熱負(fù)荷較小且穩(wěn)定的供熱系統(tǒng)[9]。循環(huán)水余熱屬于低品位熱能，但蓄熱量大、水質(zhì)比較好，運(yùn)用熱泵技術(shù)回收循環(huán)水余熱用于集中供熱，不僅節(jié)能效果顯著，還可以降低電廠對(duì)外界的熱濕污染。按照熱泵的驅(qū)動(dòng)能源不同，可將用于熱電廠循環(huán)水余熱回收的熱泵分為吸收式熱泵、電驅(qū)動(dòng)熱泵。

3.1 吸收式熱泵

發(fā)達(dá)國(guó)家如日本、美國(guó)對(duì)于吸收式熱泵用于回收工業(yè)廢熱余熱的研究起步較早。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始推廣吸收式熱泵回收熱電廠循環(huán)水余熱，用于集中供熱[10-11]。典型的吸收式熱泵供熱系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖6。吸收式熱泵以汽輪機(jī)抽汽為驅(qū)動(dòng)熱源，以循環(huán)水作為低溫?zé)嵩?，熱網(wǎng)回水先經(jīng)過(guò)吸收式熱泵經(jīng)第一次溫升，隨后進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器利用汽輪機(jī)抽汽對(duì)其進(jìn)行第二次溫升，達(dá)到供水溫度。受限于熱泵機(jī)組容量等原因，循環(huán)水余熱通常難以全部回收，因此部分循環(huán)水仍將被送至冷卻塔降溫。許國(guó)春等人[12]的研究表明，采用吸收式熱泵時(shí)，合理的余熱回收方案可顯著提高電廠的能源利用率和整體經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 典型的吸收式熱泵供熱系統(tǒng)工藝流程

吸收式熱泵余熱回收系統(tǒng)的運(yùn)行效率受到抽汽參數(shù)、低溫?zé)嵩礈囟纫约盁峋W(wǎng)水溫的限制，制熱效率較低，提高余熱回收效果是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。降低熱網(wǎng)回水溫度是提高吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱能力的一種思路[13-14]，可通過(guò)在各熱力站內(nèi)設(shè)置吸收式換熱機(jī)組(由吸收式熱泵與板式換熱器組成)，取代傳統(tǒng)的水-水換熱器，可在保證供水溫度不變的前提下大幅降低熱網(wǎng)回水溫度，實(shí)現(xiàn)大溫差供熱。

另一種思路是通過(guò)增設(shè)煙氣余熱回收裝置提高余熱回收量，最大限度地實(shí)現(xiàn)余熱的梯級(jí)利用。劉媛媛等人[15]提出了一種增設(shè)煙氣余熱回收裝置的吸收式熱泵供熱系統(tǒng)，工藝流程見(jiàn)圖7。在典型吸收熱泵供熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用高溫吸收式熱泵機(jī)組代替熱網(wǎng)加熱器，并增設(shè)煙氣余熱回收裝置(用于回收煙氣余熱)。兩臺(tái)吸收式熱泵(第一級(jí)吸收式熱泵可以采用雙效機(jī)組)均以汽輪機(jī)抽汽為驅(qū)動(dòng)熱源，凝汽器出口處的循環(huán)水經(jīng)過(guò)煙氣余熱回收裝置吸收煙氣余熱后，依次進(jìn)入兩級(jí)吸收式熱泵。熱網(wǎng)回水經(jīng)兩級(jí)吸收式熱泵機(jī)組加熱后，溫升至供水溫度。

圖7 增設(shè)煙氣余熱回收裝置的吸收式熱泵供熱系統(tǒng)工藝流程

3.2 電驅(qū)動(dòng)熱泵

國(guó)外基于以下原因，將電驅(qū)動(dòng)熱泵應(yīng)用于熱電廠循環(huán)水余熱回收領(lǐng)域[16-17]：電驅(qū)動(dòng)熱泵的制熱效率要遠(yuǎn)高于吸收式熱泵。吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱的效果受到機(jī)組抽汽參數(shù)的限制，而電驅(qū)動(dòng)熱泵直接以電力驅(qū)動(dòng)，控制方便，調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)。電驅(qū)動(dòng)熱泵消耗電能，具有成為電力調(diào)峰手段的潛力[18]。

國(guó)內(nèi)針對(duì)電驅(qū)動(dòng)熱泵在熱電廠循環(huán)水余熱回收方面的研究很少，主要原因在于國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)為較高的電價(jià)易導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性較差；熱電廠以熱定電的運(yùn)行方式，往往導(dǎo)致用熱高峰期發(fā)電量過(guò)剩，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電區(qū)域易引發(fā)“棄風(fēng)”。研究表明，配置蓄熱裝置的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，可大幅提高消納風(fēng)電的能力[19-20]。電驅(qū)動(dòng)熱泵聯(lián)合蓄熱裝置的供熱系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖8。

圖8 電驅(qū)動(dòng)熱泵聯(lián)合蓄熱裝置的供熱系統(tǒng)工藝流程

在電負(fù)荷低谷期(往往對(duì)應(yīng)熱負(fù)荷高峰期)，蓄熱罐向外放熱，儲(chǔ)存的高溫水由頂部送入熱網(wǎng)供水管道中，部分熱網(wǎng)回水由底部進(jìn)入蓄熱罐內(nèi)。電驅(qū)動(dòng)熱泵回收循環(huán)水余熱，配合熱網(wǎng)加熱器加熱部分熱網(wǎng)回水。該階段，以電驅(qū)動(dòng)熱泵制熱為主，熱網(wǎng)加熱器加熱為輔，風(fēng)電上網(wǎng)空間增加。

在電負(fù)荷高峰期(往往對(duì)應(yīng)熱負(fù)荷低谷期)，蓄熱罐蓄熱，部分熱網(wǎng)供水由頂部進(jìn)入蓄熱罐，蓄熱罐內(nèi)的低溫水從底部匯入熱網(wǎng)回水中，熱網(wǎng)加熱器制熱功率增加，電驅(qū)動(dòng)熱泵配合完成蓄熱罐儲(chǔ)熱量與用戶熱負(fù)荷需求。

4 結(jié)論

利用煙氣余熱的煙氣脫白工藝包括煙氣再熱法、煙氣冷凝法、煙氣冷凝再熱法，煙氣冷凝再熱法通過(guò)多組不同的換熱器，實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的合理利用。熱電廠循環(huán)水余熱利用途徑可分為吸收式熱泵利用、電驅(qū)動(dòng)熱泵利用。為實(shí)現(xiàn)供熱，吸收式熱泵與熱網(wǎng)加熱器聯(lián)合運(yùn)行，或采用多臺(tái)吸收式熱泵梯級(jí)加熱熱網(wǎng)回水。電驅(qū)動(dòng)熱泵制熱能效比高，可消納風(fēng)電。