燃气蒸汽联合循环机组烟气余热深度回收技术的研究与应用

周军桥

（北京源深节能技术有限责任公司，北京　100142）

燃气蒸汽联合循环机组烟气余热深度回收技术的研究与应用

周军桥

（北京源深节能技术有限责任公司，北京100142）

燃气蒸汽联合循环机组烟气余热深度回收技术是一种利用专利技术深度回收烟气余热的前沿技术。通过热交换系统和热泵系统，可同时回收烟气中的显热和潜热，实现烟气余热的深度回收。该技术已在北京未来科技城能源中心成功实施，节能减排效果显著，具有很大的推广价值。

燃气电厂烟气余热深度回收

当今社会，环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事，如何解决这一问题，已成为全人类的课题。随着世界各国对环境问题越来越重视，节能减排力度越来越大，天然气作为清洁能源的优点日益突出，天然气发电也迎来了快速发展的时期。然而，我国天然气储量少，对外依赖度高，天然气的高效利用不仅符合我国节能减排的需要，也关系到国家整体能源安全。

燃气电厂作为天然气主要用户，普遍存在排烟温度较高的问题，一般为80～110℃，排烟热损失约占联合循环输入总能量的10～15%，这不仅提高了电厂的运行成本，浪费了大量可贵的优质清洁燃料，又给天然气供应紧张的局面带来不利影响。降低燃气电厂排烟温度、提高天然气利用效率，是有效缓解天然气供应紧张、促进节能减排的有效手段。

燃气蒸汽联合循环机组烟气余热深度回收技术正是基于排烟温度较高、热损失较大而专门研究开发的一种新型专利技术。通过在余热锅炉尾部设置烟气余热深度利用装置，将烟气温度降至露点以下，深度回收烟气中显热和潜热，提高联合循环机组最大供热量20%～25%，提高机组热效率7%～10%。另外，烟气余热深度回收技术采用直接接触式换热，冷凝水可同时吸收部分CO2、NOX等酸性气体，可有效减少CO2、NOX等大气污染物排放，降低了PM2.5含量，节能减排效果显著。

1　烟气余热深度回收技术基本原理

燃气电厂排放的烟气中含有大量的显热和潜热，进行烟气余热回收利用已得到业界广泛的认可，并在多个燃气电厂进行实施。传统的烟气余热回收技术主要是通过间壁换热的方式，即烟气通过换热管壁将热量传递给冷水，加热冷水的同时烟气的温度也得以降低，这种换热方式的传热系数不高，一般低于80W/m2.K。这种传统的烟气余热回收技术仅能回收部分显热，大量的潜热无法回收，因而在降低烟气温度、回收显热的同时，将烟气中的水蒸气潜热充分回收才能做到真正意义上的烟气余热回收。

图1　燃气蒸汽联合循环机组烟气余热深度回收技术流程图

燃气电厂排放的烟气中水蒸气处于未饱和状态，要回收这部分水蒸气的潜热，则必须通过降温使水蒸气冷凝析出，才能尽可能多的利用烟气余热。燃气电厂排放的烟气，其露点温度一般在55～60℃，要想回收烟气中水蒸气潜热，则必须将烟气温度降低至对应的露点温度以下。因此，这就要求烟气余热回收装置必须具备较强的换热能力，将烟气温度降低到足够低的温度，才能充分回收烟气中的显热和潜热。

燃气蒸汽联合循环机组烟气余热深度回收技术的基本原理是在燃气热电联产机组的余热锅炉之后设置烟气冷凝换热器，利用余热锅炉尾部低温烟气的余热进行深度换热，即进一步降低常规余热锅炉的排烟温度，从约90℃降低到约30℃左右，同时由于烟气中含有水蒸气，当烟气温度低于水蒸气的冷凝温度时，水蒸气将释放出大量的汽化潜热，同时凝结成液态水。通过中间介质，置换出烟气中的低温余热，利用吸收式热泵技术将低温余热加热供热回水，大幅提升了热电联产机组的能源利用效率。

本技术方案中采用的烟气余热回收装置是一种自主研发的新型直接接触式换热器。本换热器不同于传统的间壁式换热器，烟气和水不再像传统的换热器那样在分开的空间中流动，通过管壁进行换热，而是在换热器的容腔中直接接触，通过循环的冷却水喷淋的方式直接和流动的高温烟气接触换热。由于烟气和水直接接触，所以这种换热方式具有很高的换热效率，可将烟气温度降至露点温度以下；同时，由于烟气和水直接接触，利用水的冲刷作用，能有效降低烟气中CO2和NOx成分。

2　烟气余热深度回收技术的应用

2.1项目建设背景

未来科技城是中央和国务院为深入贯彻落实建设创新型国家和中央引进海外高层次人才“千人计划”而建设的人才创新创业基地和研发机构集群。北京未来科技城能源中心以热电为基础，建设分布式区域能源中心、多功能蓄能调峰中心和分布式能源中心，通过智能一体化控制，优先使用可再生能源及余热资源，实现能源的梯级、综合高效利用，充分体现未来科技城“低碳、节能”之城；“创新、科技”之城的总体定位。

在建设节约型社会的背景下，随着全国供热体制改革的深入，节能降耗已成为全国热力系统发展的紧迫要求。热电联产集中供热是城市采暖供热的主要方式，与其它供热方式相比，由于能耗低、经济性好，因此是未来城市供热发展的主要方向。

通过深入研究和分析目前热电联产集中供热系统存在的问题及其节能潜力，2007年清华大学在世界上首次提出吸收式换热循环（Co-ah循环）的概念并提出“基于吸收式换热的新型热电联产集中供热技术”（发明专利号：ZL 200810101065.X，以下简称新技术）。作为相关专利的共同专利权人，2008-2010年，北京华源泰盟科技发展有限公司与清华大学开展深度合作，相继开发出“吸收式换热机组”和“电厂余热回收专用热泵机组”等专利新产品。使得Co-ah循环从理论构想到工程实践迈出了关键的一大步。

2.2项目实施情况

北京未来科技城能源中心新建1套200MW级联合循环供热机组，通过在能源中心建设烟气余热深度回收示范项目，实现全国首例大型燃气蒸汽联合循环机组烟气余热热深度回收，技术方案简要描述为：余热锅炉尾部低温烟气进入烟气余热回收装置，通过喷淋换热加热中间介质，被加热的中间介质进入吸收式热泵作为低温热源加热供热回水，热网回水由43℃被加热到80℃左右再进入热网加热器，经热网加热器二次加热后用于未来科技城区域集中供热。经过烟气余热回收装置的烟气由90℃降低到33℃，通经烟囱排至大气。燃气电厂烟气余热深度回收系统流程图如图1。

项目实施后，节能减排效益显著，回收的余热量最大可达50万GJ/采暖季，可最大增加供热面积100万平方米，折合年减少CO2排放6万吨、年减少NOx排放26.5吨。

3　技术方案分析

3.1系统简介

烟气余热深度回收系统主要包括余热塔烟气系统、加热蒸汽系统，热网水系统、中介水系统及疏水系统。

3.1.1烟气系统

烟气系统包括烟道、烟气增压风机、烟气余热利用吸收塔、烟囱等。

为克服烟气余热吸收塔增加的烟气阻力，烟气系统设置了烟气增压风机。本项目烟气系统设置1台增压风机，设置在烟气余热吸收塔与烟囱中间。烟气的流程为：余热锅炉出口烟气由原有烟囱抽出，通过增加风机进入到烟气余热吸收塔，在烟气余热吸收塔中，烟气中的热量被中介水吸收，温度由89℃降低为33℃，最后烟气通过烟气深度余热利用系统返回原烟囱排入大气。烟气余热利用吸收塔主要参数见表1。

表1　烟气余热利用吸收塔主要参数

3.1.2热网水系统

烟气余热深度回收系统热网水侧和联合循环机组热网站串联设计。自厂外的43℃热网回水首先进入烟气深度余热利用系统的余热利用专用机组，吸热升温至约80℃后引至联合循环机组热网站继续加热，加热至120℃后对外供出。

烟气深度余热利用系统热网水侧设置有旁路，即烟气深度余热利用系统如发生故障，也不会影响联合循环机组热网系统的正常运行。

3.1.3中介水系统

中介水系统用于连接热网水和烟气以实现两者之间能量的转换。

中介水系统包括中间介质水循环泵、吸收式的热泵换热机组、补水定压系统以及相应的供回水管道等。吸收式热泵机组主要参数见表2。

表2　吸收式热泵机组主要参数

中介循环水经中介水循环泵升压后进入余热回收专用机组，通过热泵技术，将中介循环水从烟气中吸收的余热传递给热网循环水，被冷却后的低温中介循环水再进烟气余热吸收塔继续吸收烟气的余热，实现闭式循环。

3.1.4蒸汽及其疏水系统

蒸汽及其疏水系统包括加热蒸汽管道、疏水管道、疏水泵等。

吸收式的热泵技术特点是通过蒸汽驱动热泵，从冷媒水中获得热量。从主厂房的蒸汽管道上引一路蒸汽至吸收式热泵换热机组。加热蒸汽在热泵换热机组内被冷凝成疏水，疏水再通过疏水泵输送回到主机的凝结水系统。

3.2关键技术解决措施

烟气余热深度回收的关键技术有三点，一是直接接触式换热器在换热效率和换热能力方面的设计；二是烟气冷凝水呈酸性，如何处理；三是烟气系统设计及燃机背压保护。

3.2.1直接接触式换热器

烟气余热深度回收装置是燃气蒸汽联合循环机组烟气余热深度回收系统的关键。我公司开发了高效、低能耗的烟气余热喷淋换热技术，该技术将中介水通过换热装置喷淋系统弥散为小的液滴，液滴与进入换热装置的烟气逆流接触实现传热和传质，在这个过程中中介水温度逐渐升高，烟气温度逐渐降低，从而实现联合循环排烟余热的回收。在进行余热回收的同时，通过喷淋直接接触换热将烟气温度降至露点以下，烟气中的部分水凝结下来随喷淋液回收至储液池，从而实现了烟气中水的回收。

通过理论研究，并且在小型燃气锅炉房进行烟气余热回收试验，得到换热系数、布风、布水等多方面的数据，为燃气电厂烟气余热回收装置提供了设计依据。

3.2.2烟气冷凝水的无害化处理及排放

天然气烟气回收过程中会产生大量的冷凝水，同时由于烟气中SO2、NOx等溶入水中，使水呈弱酸性。这种水如果在系统内循环，会对机组产生严重腐蚀；如果直接排放，也会对环境产生较大影响。

通过采用酸碱中和的方式处理冷凝水，并研发了一种自动加碱装置，可以在冷凝水产生过程中，对水质进行中和，从而实现无害化处理，使产生的冷凝水无论是继续参与内部循环还是直接排放或者回收再利用，都可以顺利进行。

3.2.3烟气系统设计及燃机背压保护

烟气系统包括烟道、烟气增压风机、烟气换热装置、挡板门、旁路烟道等。烟气的流程为：余热锅炉出口烟气由原有烟囱下部引出，引出的烟气经过增压风机增压后进入烟气换热装置。在烟气换热装置中，烟气中的热量被喷淋中介水吸收，温度由89℃降低为33℃。降温后的烟气经过出口烟道进入原烟囱排入大气。

本项目在烟气换热装置进出口连接烟道设置挡板门，以便于在换热装置停运时实现换热装置烟气系统与联合循环烟气系统的隔离。由于换热装置进出口均设置有挡板门，为防止挡板门误动作以及增压风机故障时产生燃机运行背压升高，在换热装置系统中增加了旁路烟道，以保证主机的运行可靠性。在旁路烟道中设置快开挡板门，可以避免风机故障时产生的烟气流动不畅、燃机背压升高等问题，以达到提高联合循环机组运行安全稳定性的目的。快开挡板执行机构为电动执行机构，确保10s内挡板门可开启泄压。

4　应用效果及分析

未来科技城烟气余热深度回收示范工程于2014年12月完成一期工程的建设，并对余热回收系统进行了运行测试。测试期间烟气余热回收装置、两台48MW吸收式热泵机组全部启动，配套中介水循环泵、疏水泵、增压风机等也相应运行。

测试期间，分别对单台热泵的运行参数、两台热泵的运行参数及相应的烟气参数、中介水参数、热网水参数、蒸汽参数等进行测试。

4.1测试数据处理

（1）测试数据以每一工况稳定时间区域为有效时段。（2）对于同一参数多重测点，采取算数平均法。

4.2主要计算公式

（1）热泵COP计算：

COP=QXS/QSY

式中：QXS—热网水循化水增加热量（kJ/h）

Qsy—驱动蒸汽输入热量（kJ/h）

（2）热网水系统压损计算：

△P=Prwr-Prwc

式中：△P—余热系统热网水系统压损（MPa）

Prwr—预热系统入口热网水母管压力（MPa）

Prwc—余热系统出口热网水压力（MPa ）

4.3测试结果（见表3、表4）

表3　烟气余热深度回收热力系统测试结果

表4　烟气余热回收烟气系统测试结果

4.4测试结果分析

（1）热泵在试验工况下的运行边界条件与热泵的设计边界参数是不同的，为了得到准确的热泵在设计边界参数下的性能，根据设备厂商提供的热泵设备在外界参数变化时的修正曲线，将试验结果进行修正。修正后的结果如下：投运两台热泵时，热泵机组的COP为1.84，回收热量为25.33MW；仅投运一台热泵时，热泵机组的COP为1.83，回收热量为12.56MW。

（2）通过对烟气系统进行测试，在原有烟气排放达标的基础上，NOx可进一步去除16.7%。

5　系统评价

经过运行测试，燃气蒸汽联合循环机组烟气余热深度回收技术不仅可以提高能源利用效率，有效降低运行成本，同时还能减少NOx排放，降低对环境的污染，节能减排效果显著。本技术为自主研发，已获得国家专利，专利号：ZL 200810101065.X。

项目投产后，将大大缓解由于城市快速发展带来的供热缺口，对北京东北郊地区供热提供了有利的保证。同时，本项目可收集冷凝水约11.5万吨/年，相当于减少了电厂的用水量。另外，由于降低了烟气排烟温度，回收了大量水蒸气，防止烟囱冒白烟现象，降低对周边环境的影响。

此外，本项目还产生大量节能效益和环境效益，在提供清洁电力和热能的同时（扣除新增电耗），折合节约天然气耗量1589.39万Nm3/年，节约标准煤1.93万吨/年，减少燃煤带来的污染，大大降低粉尘、SO2、NOx等大气污染物，减少了温室气体CO2的排放，减排CO26万吨/年；项目还对烟气中的冷凝水进行回收，对NOx进行处理，经之前项目实际测试可使烟气内NOx含量进一步降低16.7%左右。预计可实现减排NOx26.11吨/年左右，对北京市控制大气污染、降低PM2.5水平，缓解北京市环境压力有十分积极作用，从资源再生利用和环境保护方面做出积极贡献。

6　结语

燃气蒸汽联合循环机组烟气余热深度回收技术是利用原本排空的烟气余热，通过特有的换热设备，充分回收烟气中的显热和潜热，实现烟气余热的深度回收。烟气余热深度回收技术在未来科技城能源中心的成功实施，不仅为该地区供热提供了有利的保证，为投资者带来了良好的经济效益，并为北京的天然气供应、环保排放做出了积极贡献。

根据上述分析，燃气蒸汽联合循环机组烟气余热深度回收技术很适合应用于燃气电厂，尤其是需要供热的热电联产燃气电厂，采用该技术后，电厂的运行模式要远远优于传统的运行模式。烟气余热深度回收技术可实现供热系统及能源消耗的优化，将能源利用效率发挥到最大状态，以达到节约资金和保护环境的目的。

开发利用余热资源，在提高能源利用效率的同时，减少污染，保护环境，是北京市推进节能降耗、保护环境及可持续发展的重要战略。本项目的成功实施，对在北京地区推广使用燃气蒸汽联合循环机组烟气余热深度回收技术起到了良好的示范作用。

［1］冯亦武，陈志刚.燃气蒸汽s联合循环机组余热利用及控制技术研究.发电行业资源综合利用大会，2013.08：152-158.

［2］周聪，王正兴，贾向东，等.燃气供热锅炉房烟气余热深度回收技术应用及分析.发电行业资源综合利用大会.2013.08：176-180.

［3］张瑞青，杨旭昊，王雷.不同抽汽工况下供热机组热经济性分析.热力透平，2011.03（1）：70-72.