火电厂循环水余热在MEA溶剂再生中的节能分析

王海文, 张俊杰, 朱锴锴, 任建兴

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

火电厂循环水余热在MEA溶剂再生中的节能分析

王海文, 张俊杰, 朱锴锴, 任建兴

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

为提高机组热效率,提出了利用吸收式热泵回收冷却循环水余热,并将其用于碳捕集MEA溶剂的再生过程.对原碳捕集系统和提取循环水余热方案进行了能耗分析对比.结果表明,该机组循环冷却水余热完全可以满足MEA溶液再生所需的低温热量,此方案可有效地回收循环冷却水余热,提高机组的运行效率,减少火电机组向大气排放灰尘、CO2和SO2等污染物,带来一定的环保效益.

火电机组; 余热; MEA溶液; 吸收式热泵

现代大型热力发电厂中,煤炭燃烧释放的热量大约有50%以上以余热的方式通过冷却塔散失于大气环境中,造成能源的浪费[1].随着火力发电装机总量的增加,冷端系统所产生的冷却循环水余热是一个十分巨大的热源,如果能够合理利用这部分热量,将会对我国的节能减排事业十分有利,对能源的充分利用有巨大的贡献.一般而言,火电机组的循环冷却水仅仅比环境温度高10 ℃左右,热能品位低,难以再次利用.但是冷却循环水具有稳定的流量和温度,且水质较好,不会产生腐蚀、阻塞等问题[2-3].

近年来,利用MEA溶剂吸收烟气中CO2应用广泛.虽然该吸收剂吸收速率快,效果好,但是MEA溶剂再生能耗大,需要消耗汽轮机大量抽汽,而吸收式热泵能够有效利用低品位热能,具有对环境污染小的优点.因此,将火电机组的循环水作为低温热源,利用吸收式热泵提高其品位,并向MEA溶剂再生过程供热,能够合理地回收冷却循环水余热,从而减少汽轮机抽汽.为此,笔者针对典型600 MW火电机组,对比分析了热泵回收循环水余热与部分抽汽相结合,以及仅通过抽汽向MEA溶剂再生供热两种方法的能耗变化.

1 热泵及机组特性分析

1.1 溴化锂吸收式热泵

溴化锂吸收式热泵以溴化锂和水为介质,其中水作为制冷剂,溴化锂为吸收剂.该类型热泵以蒸汽为驱动热源,将低温热源提高到中、高温后加以利用,从而提高能源的利用率[4].

图1为溴化锂吸收式热泵工作示意图.该热泵主要由蒸发器、吸收器、冷凝器、发生器、热交换器、屏蔽泵以及其他附件构成.驱动蒸汽在发生器中放热Qg,加热使制冷剂(水)蒸发,吸收剂(溴化锂)浓缩.蒸发的制冷剂进入冷凝器向低温冷水放热Qc,蒸汽凝结为液态水.在蒸发器中,制冷剂吸收低温热源的热量Qe,蒸发排入吸收器.回到吸收器的溴化锂浓溶液吸收水蒸气稀释为稀溶液,并向低温冷水放热Qa.低温冷水经过吸收器、冷凝器加热升温后向用户供热.

溴化锂吸收式热泵向用户的供热为冷凝器放热Qc和吸收器放热Qa之和,外界提供的热量由驱动蒸汽放热Qg和低温热源放热Qe两部分构成,相比之下,屏蔽泵功可忽略不计.因而溴化锂吸收式热泵循环过程的热平衡可表示为:

(1)

图1 吸收式热泵流程示意

根据能效比的定义,溴化锂吸收式热泵的性能系数KCOP可表示为:

(2)

由式(2)可以看出,溴化锂吸收式热泵的性能系数KCOP恒大于1,即热泵供热量始终大于热泵的耗热量.一般而言,可提供不超过98 ℃的热水,且KCOP值会随着升温幅度的增大而逐渐减小[5].驱动热源可以采用0.2～0.8 MPa的蒸汽或燃气,低温热源为大于15 ℃的废热即可.

1.2 600 MW机组特性分析

循环水的热损失在火电厂中占比最大,不同初蒸汽参数下火电厂的各项损失如表1所示[6].

表1 不同初蒸汽参数下的各项损失 %

由表1可知,冷端损失占总能量损失的80%以上,且随着初蒸汽参数的增大,总能量损失逐渐减小,冷端损失占比却在增大,因而回收循环冷却水余热是非常有必要的.

表2是600 MW机组额定工况下循环水参数,以及该机组碳捕集系统MEA 溶剂再生过程能耗.经计算,冷却循环水所能提供的低温热能为2 284.94 GJ/h[7],MEA浓溶液再生能耗为4.5 GJ/(tCO2)[8-11].

表2 600 MW机组额定工况下循环水及MEA溶液再生参数

1.3 热泵提取循环水余热方案

由于富含CO2的MEA浓溶液解吸再生过程需要消耗大量的热量,而火电机组循环冷却水蕴含巨大的热量,如果能将这部分低温热量引入溴化锂吸收式热泵的蒸发器放热,由于吸收式热泵的性能系数总是大于1,即所提供的热量大于抽汽耗能,则可以降低原碳捕集系统的抽汽量.该工艺流程如图2所示.

图2中,在吸收式热泵正常工作的状态下,由凝汽器出来的部分循环水进入吸收式热泵,提取其热量后返回冷却塔回路管道中.第5级抽汽流经溴化锂热泵发生器和换热器放热后,汇集回到7级低压加热器疏水系统,供回水通过热泵吸收器和冷凝器吸热升温至85 ℃,由管道进入换热器加热升温至110 ℃,流经再沸器放热给MEA浓溶液,后经过增压泵增压进入热泵循环吸热.经过脱硫、除尘处理后的燃煤烟气冷却到系统运行所需要的温度范围(40～60 ℃),在吸收塔内与吸收剂溶液逆向接触,反应形成弱联结化合物.脱除CO2的烟气由塔顶排出,吸收CO2的富溶液经贫液加热后送入再生塔解析再生.弱联结的化合物在热的作用下分解,释放的CO2经过冷凝压缩后储存起来.贫液回流到吸收塔进行下一次循环.解吸塔通常运行在100～140 ℃,其中逆反应、释放纯CO2和贫液再生的能耗由再沸器提供.

图2 回收循环水余热供CO2捕集工艺流程示意

2 两种方案的能耗分析

2.1 能耗计算

本文采用等效热降的方法计算碳捕集系统对机组热效率的影响,机组经济性相对变化公式为:

(3)

式中:δηi——机组热效率的相对变化量; ΔH——抽汽引起做功的变化量;H0——新蒸汽等效热降.

由抽汽引起的做功能力损失为:

(4)

式中:αf——抽汽系数;hf——抽汽焓值;hc——汽轮机排气焓值,该机组为2 360.68 kJ/kg.

将放热后的抽汽汇入7级加热器疏水系统,那么该种情况属于热水携带热量进入系统,引起的做功增量为:

(5)

式中:tsj——疏水焓值;ηj-1——加热器效率;γr——疏水进出口焓差;τr——给水进出口焓差.

因此,该方案引起汽轮机做功的变化量为ΔH=(-ΔH1)+ΔH2,考虑热力系统的各种辅助成分的做功损失∑Π后,可得新蒸汽的净等效热降为:

(6)

式中:h0——新蒸汽焓值;σ——再热蒸汽焓升.

计算可得,h0=3 396.9 kJ/kg,σ=526.5 kJ/kg.

热力系统汽水参数如表3所示[11].根据等效热降法得出机组抽汽系数、等效热降、抽汽效率的结果如表4所示.

表3 回热系统汽水参数

表4 各级加热器抽汽系数及效率

在该方案中,首先由溴化锂吸收式热泵将供水由t1(60 ℃)加热到t2(85 ℃),进而利用热交换器将供水加热到t3(110 ℃)供再沸器使用.则溴化锂吸收式热泵需放热Q1和换热器向供回水放热Q2均为642.6 GJ/h.

根据第一类吸收热泵性能系数表,取吸收式热泵性能系数为1.95[12],则可求解循环冷却水放热Qe和驱动蒸汽放热Qg,公式为:

(7)

经过热交换器放热的蒸汽冷却为85 ℃,则热交换器所需的蒸汽量为:

(8)

式中:Δh1——蒸汽放热前后焓差.

由水汽参数知,Δh1=2 571.37 kJ/kg.

驱动蒸汽冷却到饱和状态,吸收式热泵所需蒸汽量为:

(9)

式中:Δh2——驱动蒸汽放热前后焓差.

由水汽参数知,Δh2=2 354.37 kJ/kg.

则该设计系统总的消耗蒸汽量为:

(10)

已知回收循环水余热为Qe,根据公式可求得回收循环水量为:

(11)

式中:Cp——水的定压比热容,为4.181 8 kJ/(kg·℃); Δt——循环水进出吸收式热泵的温差,本文为10 ℃.

当全部采用蒸汽向再沸器供热时,抽汽引起做功损失ΔH1为158.31 kJ/kg,将疏水引入7级加热器疏水系统引起系统做功增加ΔH2为1 kJ/kg,因此该方式引起热力系统做功变化量ΔH为157.31 kJ/kg,机组经济性相对变化为16.16%.当利用溴化锂吸收式热泵回收余热向再沸器供热时,抽汽引起做功损失ΔH1为119.75 kJ/kg,将疏水引入7级加热器疏水系统引起系统做功增加ΔH2为0.74 kJ/kg,因此该方式引起热力系统做功变化量ΔH为118.99 kJ/kg,机组经济性相对变化为12.72%.由以上结果可知,改造方案可使得机组热效率提高3.44%,煤耗下降量为10.18 g/kWh.

设机组每年运行6 000 h,则THA工况下每年节约煤量为:

(12)

将具体相关参数代入式(7)至式(10),该600 MW机组两种方案能耗结果如下:原系统耗汽量为513.79 t/h;利用热泵后总耗汽量为388.64 t/h;可利用循环水量为7 486.29 t/h;节约标准煤为1 808.46 t/a.

吸收式热泵所需循环水量小于该600 MW机组的冷却水循环水量,因而可满足设计要求.

2.2 环境效益分析

根据资料显示,由冷却塔蒸发引起的循环水损失率为1.6%[13],因而在该方案设计的基础上每年减少水损失718 683.53 t.若按每吨标准煤燃烧排放CO2440 kg,SO220 kg,烟尘15 kg,灰渣260 kg计算[14],则每年可减少排放CO23 293.97 t,SO2149.73 t,烟尘112.29 t,灰渣1 946.43 t,节约循环水718 683.53 t.

3 结 论

(1) 吸收式热泵可利用高温热源回收低品位热能,在火力发电厂节能减排改造中具有良好的应用前景.

(2) 火电机组冷却循环水蕴含巨大的低品位热量,冷端损失占总能量损失的80%以上,回收该热量将大大减少煤碳的消耗,同时减少SO2和CO2等污染物的排放.

(3) 研究结果表明,原碳捕集系统使得机组的经济性下降了16.16%,采用吸收式热泵提供部分热量将减少汽轮机抽汽量,机组经济性下降为12.72%,相比原碳捕集系统,采用吸收式热泵使机组煤耗下降约10.18 g/kWh.

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(编辑 白林雪)

The Energy-saving Analysis of Waste Heat from Circulating Water Used for the Solvent Regeneration of MEA in Power Plant

WANG Haiwen, ZHANG Junjie, ZHU Kaikai, REN Jianxing

(SchoolofEnergyandMechanical,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

To improve efficiency of thermal unit,it is proposed that the waste heat of cycle cooling water be used for MEA solvent regeneration in the carbon capture process by using absorption heat pump.Analyzing energy consumption of two schemes of carbon capture and recycling waste heat.Results show that the circulating water can meet completely the demands of low-temperature heats that are used for the absorption heat pump.It will improve the efficiency of the thermal unit and reduce the emissions of contaminants into the atmosphere,for example,dirt CO2,SO2,from the thermal power unit,and bring about certain environmental benefits.

thermal power unit; waste heat; MEA solution; absorption heat pump

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.02.004

2016-09-14

王海文(1992-),男,在读硕士,内蒙古乌兰察布人.主要研究方向为火电厂污染物控制与节能技术.E-mail:HW9224@163.com.

上海市科学技术委员会能力建设计划项目(15110501000).

TK115;TM621

A

1006-4729(2017)02-0124-05