吸收式热泵回收燃气锅炉烟气余热技术

Alexandria2020

吸收式热泵回收燃气锅炉烟气余热技术

第一作者单位：天津市宏源热力工程有限责任公司

摘自《煤气与热力》2018年12月刊

1   概述

为解决北方区域锅炉房燃煤供暖造成的环境污染问题，提高经济效益，保障并提高北方地区人民群众的生活质量，北方大城市对城区内的中小型燃煤锅炉房进行裁撤，由燃煤/燃气热电联产和区域燃气锅炉房实现城区建筑物的供暖。常规燃气热水锅炉烟气尾部增设的给水预热器（又称节能器）可在一定程度上回收烟气余热，但受热网回水温度较高和预热器换热能力的限制，燃气锅炉排烟温度仍在80 ℃ 以上。燃气锅炉燃烧产生大量的水蒸气，因排烟温度较高而被烟气带走排向室外，造成热损失。并且，高湿度的烟气遇冷后很快凝结出水滴，形成白雾，极大地影响了附近居民的正常生活。

当前，燃气锅炉烟气余热回收方案主要有两类：基于烟气换热器的余热回收方式［1］、基于烟气换热器和热泵结合的余热回收方式［2］。传统的基于烟气换热器的余热回收系统是利用热网回水或空气冷却锅炉的高温烟气，从而回收排烟中的部分余热［3］。由于受低温侧温度和换热器腐蚀条件的限制，最终排烟温度往往高于50 ℃［4-5］。为深度回收锅炉排烟中的余热，最大限度脱除烟气中的冷凝水，清华大学付林等人［6］提出利用接触式烟气-水换热和吸收式热泵回收烟气中显热和潜热的方法，该技术方案可有效实现烟气中余热的回收和水分的脱除［7-9］。

2   项目概况和系统流程

天津市南开区天拖供热中心锅炉房，设计装机容量为14台29 MW燃气热水锅炉，目前一期已安装10台，供热面积400×104 m2，远期供热面积700×104 m2。目前锅炉的排烟温度为80~95 ℃，造成锅炉烟气余热的浪费，并且烟气中携带大量水蒸气，排放到大气后形成白雾，对居民的生活造成影响。由于本项目中锅炉房中机组预留空间和安监、消防等的限制，无法采用直燃型吸收式热泵机组实现上述余热回收系统。如图1所示，为实现烟气余热回收和烟气“脱白”，本项目采用热水驱动的溴化锂吸收式热泵（以下简称吸收式热泵）方案。

图1   热泵余热回收系统流程

系统流程如下：

①余热水回路：经过吸收式热泵冷却的27 ℃余热循环水进入接触式换热器并与烟气进行直接接触，实现热湿交换，完成换热的42 ℃余热水由余热水循环泵加压输送回热泵的蒸发器进行冷却降温。

②驱动热水回路：经锅炉加热的115 ℃热水一部分（称为驱动热水）进入吸收式热泵的发生器中放热，并驱动热泵，完成驱动的热水与另一部分未进入热泵发生器的热水混合后，再与热网回水混合进入热网供水管实现供热。

③加热热水回路：从热网的48 ℃回水中抽出一部分，经循环泵增压送入吸收式热泵的冷凝器和吸收器侧加热，完成加热的水再回到热网回水母管。

④烟气系统：从锅炉出来的烟气首先进入节能器预热锅炉给水，再进入接触式换热器与余热水进行热湿交换，冷却后的烟气经烟囱排出。

⑤热网回水管路：60 ℃的热网回水经热网循环泵加压，一部分进入热网供水管与其他热水混合后以94.4 ℃向热用户供热，另一部分与锅炉出水经电动三通阀混合后返回锅炉，作为锅炉给水进入节能器，并重新经锅炉加热。

实施后，锅炉热效率将提高10%以上，排烟温度将降低到30 ℃以下，白雾现象得以消除，同时二氧化硫、氮氧化物的排放也有一定程度的降低（约10%~15%）。在不增加供热面积的情况下，锅炉的热效率升高，运行燃气费用降低。如供热面积继续增加，在不增加燃气费用的情况下，本项目可以增加供热面积36×104 m2。本项目以吸收式热泵技术为核心的烟气余热回收系统，解决烟气的白雾问题，同时达到节能减排的目标。按照目前已投产的10台锅炉设计热泵系统，共设计2台20 MW热水型吸收式热泵、10台3 MW接触式换热器及其他辅助设备。

低温流体和高温流体通过直接接触混合的方式进行强化换热，这种热量传递方式称为直接接触式换热。为了增强换热，通常将换热液体分散成液柱、液滴和雾状，液滴越小，接触面积越大，换热量就越大。回收燃气锅炉的低温烟气余热时采用喷淋式烟气-水直接接触式换热器，可以增大换热面积和提高传热系数，将烟气的显热和烟气中水蒸气的气化潜热最大限度地回收，使燃气锅炉的燃料利用率显著提高，因此直接接触式换热器在燃气锅炉烟气余热回收领域具有良好的发展前景。与常规间壁式换热器相比，直接接触式换热器具有以下优点：设备结构简单，便于制造和安装检修，消耗金属量较少；不存在传热端差，适合应用于小温差传热；没有污垢热阻和间壁热阻，换热效率较高；气-液两相流体直接接触换热面积增大，传热传质过程瞬间完成。由于直接接触式换热器的排烟温度低，可以回收烟气的显热、水蒸气的潜热以及烟气中水蒸气的凝结液，换热效率高；同时在换热过程中烟气中的污染物得到清洗使排烟更清洁，有利于保护环境。

3   燃气锅炉与热回收系统效率分析

根据整个系统的热平衡，满足如下热平衡关系：

燃气锅炉的高温烟气首先经过节能器被回收一部分热量，离开节能器后进入接触式换热器时的烟气温度为90 ℃。在换热过程中，通过调整控制余热水的流量，使余热水离开热泵蒸发器时的温度为27 ℃。热泵回收的余热量与锅炉负荷的关系表示为：

余热回收系统的效率等于锅炉的热效率与烟气的余热回收率之和，与热泵的性能系数无关，当锅炉的热效率越高，烟气的余热回收率越高，系统的效率也越高。

4   系统运行分析

为分析本项目中的余热回收系统运行情况，在2018年2月2日—22日期间对系统的各部分温度、流量进行了逐时监测。为保证吸收式热泵能够正常工作，驱动热水进入热泵的温度应高于100 ℃，图2是驱动热水进出热泵的逐时温度测试值。可以看出，测试期间的绝大部分时间驱动热水进入热泵的温度高于100 ℃。

图2   热泵驱动热水进出水温逐时测试值

图3是驱动热水在热泵进出口的温差，即驱动热水的利用温差。结合图2可以看出，在测试期间驱动热水的利用温差在10 ℃ 左右，当驱动热水温度较低时，驱动热水的利用温差也会降低。图4是热泵运行期间，驱动热水、余热水和加热热水的流量逐时测试值。

图3   热泵驱动热水利用温差逐时测试值

图4   热泵余热回收系统流量逐时测试值

图5和图6分别是加热热水和余热水进出口温度逐时值，可以看出，余热水被利用的温差在10 ℃ 左右，并将加热热水提升10 ℃ 左右。

图5   热泵加热热水进出口水温逐时测试值

图6   热泵余热水进出口温度逐时测试值

图7和图8分别是热泵各部分热流量的逐时值和热泵机组的ICOP逐时值。可以看出，3种热流量的总体变化趋势基本一致，且吸收式热泵的ICOP在测试期间基本稳定在1.8左右。在测试后期，热泵ICOP有小幅下降，这是由于在这段时间内余热水的进水温度有小幅降低（见图6）。

图7   吸收式热泵各部分热流量

图8   吸收式热泵机组逐时性能系数

5   结语

本文对热水驱动的吸收式热泵结合烟气-水直接接触式换热器回收燃气锅炉烟气余热的方案进行探讨，推导燃气锅炉和热水驱动的吸收式热泵余热回收系统的总效率公式，余热回收系统的效率等于锅炉的热效率与烟气的余热回收率之和，与热泵的性能系数无关。本文还对天津市南开区天拖供热中心的余热回收项目进行了测试和运行分析，实测数据的分析结果表明，系统的运行效果较好，热泵的性能系数可以保持在1.8左右，具备较好的节能性。