吸收式熱泵在燃氣熱電廠余熱回收中的應用

文 _ 王軍 北京京西燃氣熱電有限公司

1 熱電廠余熱資源

余熱資源屬于二次能源，是一次能源或可燃物料轉換后的產物，或是燃料燃燒過程中所發出的熱量在完成某一工藝過程后所剩下的熱量。

工業余熱按照溫度品位一般分為600℃以上的高溫余熱、300～600℃的中溫余熱和300℃以下的低溫余熱；按照來源又可被分為煙氣余熱、冷卻介質余熱、廢汽廢水余熱、化學反應熱、高溫產品和爐渣余熱，以及可燃廢氣、廢料余熱。

煙氣余熱所攜帶的熱量屬于低溫余熱，主要包括兩部分：一是不可凝結氣體的顯熱；二是煙氣中水蒸汽的潛熱。尤其是對于天然氣等含氫量較高的燃氣，其燃燒后的煙氣中含有大量水蒸汽。傳統工業鍋爐煙氣中水蒸汽均以氣態形式排放，水蒸汽的冷凝潛熱未得到利用。煙氣余熱在回收煙氣顯熱的同時還可回收水蒸汽冷凝潛熱，鍋爐熱效率可大大提高。

燃氣熱電廠中的循環水所攜帶的熱量主要來源于蒸汽輪機中的乏汽熱量。根據朗肯循環可知，熱電廠中熱利用效率主要來源于盡可能高的蒸汽參數和盡可能低的真空環境。所以熱電廠普遍采用大量循環水降低循環中的終端參數，形成盡可能低的真空，導致蒸汽中的大量熱量被循環水帶走，這部分損失成為冷源損失。同時循環水中的廢熱需要循環水泵、泵和風機向環境中散發，泵與風機也同時消耗了大量的廠用電量，造成了能源浪費。

2 北京市燃氣熱電廠余熱回收前景分析

《2015-2020年中國余熱發電行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》顯示，我國能源利用率僅為33%左右，比發達國家低約10%，至少50%的工業耗能以各種形式的余熱被直接廢棄，工業余熱利用率低，能源(能量)沒有得到充分綜合利用是造成能耗高的重要原因。我國工業余熱資源豐富，廣泛存在于工業各行業生產過程中，余熱資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，其中可回收率達60%，余熱利用率提升空間大，節能潛力巨大，工業余熱回收利用又被認為是一種“新能源”。

北京市燃氣熱電廠煙囪排放余熱溫度約為100℃，資源基本能達到額定功率的10%。同時熱電機組通過冷卻塔向熱電廠周圍環境排放大量低溫余熱，數量巨大，可占到機組額定供熱量的30%以上。

按照《北京市“十三五”時期供熱發展規劃》，到2020年，中心熱網供熱面積應控制在2億m2以內，熱源能力總需求約為1．2億MW。而目前，四大燃氣熱電中心及熱源廠的供熱能力不足1億MW，到2020年末，預計中心熱網將存在約2000MW的供熱缺口。

充分挖掘燃氣熱電廠煙氣和循環水中的余熱資源將成為彌補可能出現的供熱缺口的重要方式。通過測算，到2020年，僅北京市中心大網內熱電廠煙氣余熱利用潛力即可達到2000MW。

3 熱電廠余熱利用技術

3.1 利用壓縮式熱泵機組回收余熱

壓縮式熱泵基本循環過程(圖1)為：低溫低壓的制冷劑在蒸發器中將等壓吸收水源側熱量變為高溫高壓氣體，再進入冷凝器向用戶側等壓放熱后變成低溫高壓的液體，最后經過節流閥絕熱節流后成為低溫低壓的制冷劑，制冷劑再流經蒸發器開始新的循環。

3.2 利用吸收式熱泵機組回收余熱

吸收式熱泵是利用工質的吸收循環實現熱泵功能的一類裝置(圖2)。它采用熱能直接驅動,而不是依靠電能、機械能等其它能源。吸收式熱泵機組通過驅動源驅動，吸收內循環水中的熱量，輸送到熱網回水，達到回收煙氣余熱的目的。

吸收式熱泵的工作介質是一種二元溶液，溶液在吸收高溫熱源的熱量后部分汽化，受熱汽化的工質進入冷凝器放出熱量，冷凝成液態。

4 吸收式熱泵在熱電廠余熱利用中優勢分析

圖1 壓縮式熱泵原理圖

圖2 吸收式熱泵原理圖

吸收式熱泵可以利用各種熱能，如以蒸汽、熱水和燃料燃燒產生的煙氣為驅動熱源，將各種低品位熱源，如余熱、排熱、循環水等低溫熱源向高溫熱源泵送。與壓縮式熱泵系統相比，吸收式熱泵在燃氣熱電廠余熱利用中具有兩個重要特點：一是可以利用熱電廠中煙囪余熱和循環水余熱的低品位余熱，節約能耗；二是以熱能為動力，與壓縮式機組相比，可以節約電耗，適合于燃氣熱電廠應用場景。

以吸收式熱泵回收熱電廠煙囪余熱為例，在節能環保方面具有以下優點：

（1）不僅能回收煙氣中水蒸氣的顯熱，還能回收水蒸氣潛熱，回收的熱量為傳統的煙氣余熱回收裝置的5倍左右。

（2）可實現小溫差換熱，適用范圍遠大于傳統煙氣回收裝置。

（3）燃燒1m3天然氣能回收水約0．3～1．1kg。

（4）采用特有換熱方式和防腐材料，使用壽命高達15～20a。

（5）可廣泛應用于熱電廠煙氣余熱回收、燃氣供暖鍋爐房煙氣余熱回收和分布式能源中心煙氣余熱回收。在燃氣鍋爐房使用，可以提高效率10%～12%，在熱電廠使用，可提高供熱能力38%。

（6）通過吸收式熱泵機組，煙氣排放的品質得到提升，降低NOX的排放。

（7）大量水汽被回收，避免直接排放到空氣中與灰塵等結合形成霧霾。

除此之外，吸收式熱泵機組無噪音、無毒環保、安全可靠、安裝簡單、運行靈活、維護方便，適合既有熱電廠的改造應用。

5 結論

回收不同溫度的余熱資源對降低企業能耗，實現我國節能減排、環保發展戰略目標具有重要的現實意義。吸收式熱泵機組在熱電廠余熱回收系統的設計可結合原有生產系統，充分考慮回收設備的運行環境和使用條件，保證回收系統安全、高效運行，適合在廣大新改擴建熱電廠中應用。

[1] 連紅奎,李艷,束光陽子,顧春偉.我國工業余熱回收利用技術綜述[J].節能技術,2011,2.

[2] 2015-2020年中國余熱發電行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告[R]. 前瞻產業研究院,2015.

[3] 肖偉東. 排煙及循環水余熱利用系統在火力發電廠的設計[J]. 電力技術,2017,24.