吸收式熱泵技術(shù)在燃煤機(jī)組煙羽治理中的應(yīng)用分析

文_單永華 河北國華定州發(fā)電有限責(zé)任公司

國內(nèi)火電廠基本已經(jīng)完成新一輪的超低排放環(huán)保技術(shù)改造。從目前的情況看，火電廠經(jīng)過爐內(nèi)低氮燃燒改造、煙氣脫硝改造、除塵器改造、脫硫改造等，煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)滿足超低排放NOx、SO2和煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)。脫硫塔（濕式電除塵器）出口濕飽和煙氣直接通過煙囪排放，雖然污染物排放量有限，但在煙囪出口形成了白色煙羽，在冬季和環(huán)境濕度較大的地區(qū)，白色煙羽尾跡較長，伴隨光照時，白色煙羽呈現(xiàn)出黑灰色，造成了嚴(yán)重的可凝結(jié)顆粒物污染。

煙氣脫白已經(jīng)被上海、浙江、天津、河北等地方政府陸續(xù)列入大氣治理指標(biāo)，要求燃煤電廠應(yīng)采取相技術(shù)降低煙氣排放溫度和含濕量,目前國內(nèi)主流的脫白技術(shù)路線為煙氣冷凝+再熱技術(shù)，通過冷凝器將脫硫后飽和煙氣降溫，脫去煙氣中的部分水蒸汽，隨后加熱到合適的排放溫度，提高煙氣抬升力。雖然能夠起到消除白煙的作用，但是煙氣余熱沒有得到利用。如何充分回收利用這部分冷凝熱成為行業(yè)關(guān)注的熱點。本文以國華定州電廠3號機(jī)組運(yùn)行參數(shù)為例，介紹吸收式熱泵在煙氣脫白治理中的方案，不僅可以收集余熱，還可以通過收集煙氣中過飽和水蒸汽中水分,減少煙氣中可溶性鹽、硫酸霧、有機(jī)物等可凝結(jié)顆粒物的排放，改善視覺污染，解決煙囪冒白煙的問題。

1 吸收式熱泵的工作原理

吸收式熱泵是一種利用低品位熱源，實現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩幢盟偷难h(huán)系統(tǒng)。是回收利用低溫位熱能的有效裝置，具有節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的雙重作用。吸收式熱泵由蒸發(fā)器、冷凝器、吸收器、發(fā)生器和換熱器等五個大的部分組成。以蒸汽為驅(qū)動熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，利用水在低壓 真空狀態(tài)下低沸點沸騰的特性，提取低品位熱源中的熱量，通過回收轉(zhuǎn)換制取采暖用 高品位的熱水。

發(fā)生器內(nèi)制冷劑形成過程：吸收器出口的稀溴化鋰溶液經(jīng)過溶液熱交換器換熱升溫之后進(jìn)入發(fā)生器，被燃燒器輸入的熱量加熱沸騰，產(chǎn)生高溫高壓冷劑蒸汽。發(fā)生器內(nèi)濃溴化鋰溶液經(jīng)溶液熱交換器換熱降溫后進(jìn)入吸收器，冷劑水蒸汽從頂部出口進(jìn)入冷凝器內(nèi)。

冷凝器內(nèi)冷凝、加熱過程：從發(fā)生器進(jìn)入冷凝器的冷劑水蒸汽在冷凝器內(nèi)與工作介質(zhì)換熱凝結(jié)成飽和冷劑水，通過節(jié)流降壓進(jìn)入蒸發(fā)器。

蒸發(fā)器內(nèi)的熱回收過程：在低壓下，從冷凝器來的冷劑水在蒸發(fā)器內(nèi)吸收低溫?zé)嵩吹臒崃空舭l(fā)，汽化潛熱即為回收的熱量。

吸收器內(nèi)的吸收、加熱過程：從發(fā)生器來的濃溶液進(jìn)入吸收器，吸收由蒸發(fā)器蒸發(fā)的冷劑水蒸汽，并放出熱量對工作介質(zhì)加熱。

通過以上四個工作過程實現(xiàn)利用高品位熱能做驅(qū)動熱源來提升低位熱能的溫位，回收更多的低品位熱能，從而提高總能量利用率的目的。

溴化鋰吸收式熱泵可以有效地回收各種行業(yè)的工藝余熱和大自然中的低溫余熱，從而實現(xiàn)節(jié)約能源、降低碳排放、大幅降低生產(chǎn)運(yùn)行損耗和成本的目的，已經(jīng)在供熱機(jī)組中有了較為普遍的應(yīng)用。

2 工程設(shè)想

2.1 基礎(chǔ)參數(shù)

本次設(shè)計的煙氣參數(shù)見表1，吸收塔出口溫度冬季按照50℃，夏季按照51℃進(jìn)行計算。根據(jù)《河北省鋼鐵、焦化、電力行業(yè)深度減排攻堅方案》165號文件要求，按照夏季吸收塔出口溫度由51℃冷凝至48℃，再由48℃升溫至64℃；冬季吸收塔出口溫度由50℃冷凝至45℃，再由45℃升溫至60℃，具體的冷凝及加熱參數(shù)見表2。

表1 FGD入口煙氣參數(shù)

表2 煙氣冷凝及加熱參數(shù)

2.2 設(shè)計方案

2.2.1 設(shè)計原則

本設(shè)計方案考慮了北方地區(qū)煙氣脫白冷源及冬季供暖需求，通過汽輪機(jī)抽汽驅(qū)動溴化鋰吸收式熱泵，冷媒水對煙氣低品位余熱進(jìn)行回收，夏季將汽輪機(jī)凝水加熱到合適的溫度，如果有多余的熱量則通過暖風(fēng)機(jī)加熱空氣，提高進(jìn)入爐膛空氣溫度，提高燃燒效率。冬季則全部用于加熱供熱回收，節(jié)約汽輪機(jī)的供熱蒸汽，工作原理見圖1。

設(shè)計方案如圖2所示，夏季從中壓排汽抽汽，冬季從中、低壓缸連通管抽汽（冬季抽汽量約95.4t/h、夏季抽氣量約57t/h用于驅(qū)動熱泵，回收脫硫塔后煙氣冷凝余熱，用于加熱冷凝后煙氣，同時夏天加熱凝水，冬季則加熱供熱回水。蒸汽驅(qū)動熱泵做功后的凝結(jié)水回除氧器，回水溫度為149℃。在煙氣冷凝器后設(shè)置一級煙道除霧器，用抽汽于收集煙氣降溫后的凝結(jié)水。

2.2.2 煙氣冷凝器

增設(shè)的煙氣冷凝器布置在吸收塔出口水平凈煙道上。煙氣冷凝器以熱泵的循環(huán)冷卻水作為冷源，通過把循環(huán)冷卻水引入煙氣冷凝器，冬季將吸收塔出口煙氣溫度由50℃冷卻到45℃，煙氣溫度降低釋放的熱量約為43.9MW，每小時從煙氣中析出水59.86t，析出的水通過冷凝器底部及增設(shè)的煙道除霧器收集至冷凝液收集水箱中。

2.2.3 吸收式熱泵

溴化鋰熱泵回收余熱量43.9/28.8MW(冬/夏)，假設(shè)熱泵COP為1.7，則需要從5號低加抽汽62.7/41.1MW(冬/夏),供熱量為106.6/69.9MW(冬/夏)。

冬季供熱量106.6MW，其中14.93MW用于加熱煙氣（其中熱媒水進(jìn)口溫度82℃，出口溫度60℃），剩余91.67MW熱量用來將供熱回水從60℃加熱到82℃，減少汽輪機(jī)供熱抽汽（回水直接進(jìn)入熱泵）。

夏季69.9MW余熱中，16.2MW用于加熱煙氣（其中熱媒水進(jìn)口溫度82℃，出口溫度60℃），46.17MW熱量用于加熱從凝汽器中出來的全部凝水，將凝水從56.1℃，加熱到82℃后進(jìn)入7號低加（凝水直接進(jìn)入熱泵），該過程排擠了7號低加部分抽汽。剩余7.53MW熱量用于加熱爐膛進(jìn)風(fēng)。

因此，需要配備溴化鋰熱泵3臺，一臺供熱量23.73MW（用于夏季加熱煙氣及預(yù)熱空氣；冬季14.93MW用于加熱煙氣，剩余7.53MW熱量加熱供熱回水），一臺供熱量46.17MW（夏季加熱凝水、冬季加熱供熱回水），一臺36.7MW（夏季停用）。

2.2.4 煙氣再熱器及暖風(fēng)器

增設(shè)的煙氣再熱器布置在濕式電除塵器出口煙道上。煙氣再熱器以熱泵的一路熱水作為熱源，通過把循環(huán)熱水引入煙氣冷凝器，冬季將煙氣溫度由45℃加熱到60℃，夏季將煙氣溫度由48℃加熱到64℃。

每塔機(jī)組增設(shè)2臺熱媒水循環(huán)泵，按一用一備配置。熱媒水循環(huán)泵的流量650m3/h、揚(yáng)程35m、電機(jī)功率為90kW。

2.2.5 運(yùn)行策略

冷凝器冷卻水路運(yùn)行策略：由于冬季、夏季冷凝所需冷量不同，因此將冷凝器冷水母管分成兩路，一路接入冷凝器上部排冷水管，另一路接入冷凝器下部排冷水管，夏季關(guān)閉下路冷水管閥門，冷凝水從上部冷水管中進(jìn)入冷凝煙氣，冬季全開。

回?zé)崞鳠崦剿愤\(yùn)行策略：由于冬季、夏季煙氣加熱所需熱量不同，因此將再熱器熱媒水母管分成兩路，一路接入再熱器上部排熱媒水管，另一路接入再熱器下部排熱媒水管，冬季關(guān)閉下路熱媒水管閥門，熱媒水從上部熱媒水管中進(jìn)入加熱煙氣，夏天全開，暖風(fēng)機(jī)夏季運(yùn)行，冬季不運(yùn)行。

2.3 吸收式熱泵對機(jī)組運(yùn)行影響

使用吸收式熱泵對煙囪出口進(jìn)行消白治理，由于設(shè)備增加同時采用蒸汽驅(qū)動會造成風(fēng)機(jī)、水泵耗功增加和汽輪機(jī)高品位抽汽量增加（表3），但是相應(yīng)的也會排擠了部分低品位抽汽量，同時由于冬天一期、二期機(jī)組將回收的煙氣余熱全部用于供熱，減少了供熱抽汽量。

同時采用熱泵技術(shù)消除煙羽方案，可回收煙氣中的熱量用于冬季供熱。經(jīng)計算，單臺機(jī)組可回收43.9MW熱量（單臺）。按照單個采暖季供熱天數(shù)121天、供熱價格27元/GJ計算，單個采暖季收益為2478.3萬元。

采用吸收式熱泵技術(shù)雖然初期的投資較大，但是具有較高的節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益，使煙囪消白煙的改造不僅僅局限于環(huán)保效益，更有益于降低成本，提高企業(yè)改造的積極性。

3 結(jié)語

本文介紹了一種基于吸收式熱泵的煙氣消白的技術(shù)，并以國華定州電廠3號機(jī)組為例，介紹了工程設(shè)想、系統(tǒng)工藝，簡單分析了經(jīng)濟(jì)性。該技術(shù)方案有效利用了煙氣余熱中的低品位熱量 ，切實提高了機(jī)組整體的節(jié)能效果，降低了生產(chǎn)成本，減少了污染物排放，能夠有效提高經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益，為燃煤電廠的煙氣脫白技術(shù)提供了一個新的思路。

表3 功耗參數(shù)