吸收式热泵在燃气热电厂余热回收中的应用

文 _ 王军 北京京西燃气热电有限公司

1 热电厂余热资源

余热资源属于二次能源，是一次能源或可燃物料转换后的产物，或是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。

工业余热按照温度品位一般分为600℃以上的高温余热、300～600℃的中温余热和300℃以下的低温余热；按照来源又可被分为烟气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、化学反应热、高温产品和炉渣余热，以及可燃废气、废料余热。

烟气余热所携带的热量属于低温余热，主要包括两部分：一是不可凝结气体的显热；二是烟气中水蒸汽的潜热。尤其是对于天然气等含氢量较高的燃气，其燃烧后的烟气中含有大量水蒸汽。传统工业锅炉烟气中水蒸汽均以气态形式排放，水蒸汽的冷凝潜热未得到利用。烟气余热在回收烟气显热的同时还可回收水蒸汽冷凝潜热，锅炉热效率可大大提高。

燃气热电厂中的循环水所携带的热量主要来源于蒸汽轮机中的乏汽热量。根据朗肯循环可知，热电厂中热利用效率主要来源于尽可能高的蒸汽参数和尽可能低的真空环境。所以热电厂普遍采用大量循环水降低循环中的终端参数，形成尽可能低的真空，导致蒸汽中的大量热量被循环水带走，这部分损失成为冷源损失。同时循环水中的废热需要循环水泵、泵和风机向环境中散发，泵与风机也同时消耗了大量的厂用电量，造成了能源浪费。

2 北京市燃气热电厂余热回收前景分析

《2015-2020年中国余热发电行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》显示，我国能源利用率仅为33%左右，比发达国家低约10%，至少50%的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃，工业余热利用率低，能源(能量)没有得到充分综合利用是造成能耗高的重要原因。我国工业余热资源丰富，广泛存在于工业各行业生产过程中，余热资源约占其燃料消耗总量的17%～67%，其中可回收率达60%，余热利用率提升空间大，节能潜力巨大，工业余热回收利用又被认为是一种“新能源”。

北京市燃气热电厂烟囱排放余热温度约为100℃，资源基本能达到额定功率的10%。同时热电机组通过冷却塔向热电厂周围环境排放大量低温余热，数量巨大，可占到机组额定供热量的30%以上。

按照《北京市“十三五”时期供热发展规划》，到2020年，中心热网供热面积应控制在2亿m2以内，热源能力总需求约为1．2亿MW。而目前，四大燃气热电中心及热源厂的供热能力不足1亿MW，到2020年末，预计中心热网将存在约2000MW的供热缺口。

充分挖掘燃气热电厂烟气和循环水中的余热资源将成为弥补可能出现的供热缺口的重要方式。通过测算，到2020年，仅北京市中心大网内热电厂烟气余热利用潜力即可达到2000MW。

3 热电厂余热利用技术

3.1 利用压缩式热泵机组回收余热

压缩式热泵基本循环过程(图1)为：低温低压的制冷剂在蒸发器中将等压吸收水源侧热量变为高温高压气体，再进入冷凝器向用户侧等压放热后变成低温高压的液体，最后经过节流阀绝热节流后成为低温低压的制冷剂，制冷剂再流经蒸发器开始新的循环。

3.2 利用吸收式热泵机组回收余热

吸收式热泵是利用工质的吸收循环实现热泵功能的一类装置(图2)。它采用热能直接驱动,而不是依靠电能、机械能等其它能源。吸收式热泵机组通过驱动源驱动，吸收内循环水中的热量，输送到热网回水，达到回收烟气余热的目的。

吸收式热泵的工作介质是一种二元溶液，溶液在吸收高温热源的热量后部分汽化，受热汽化的工质进入冷凝器放出热量，冷凝成液态。

4 吸收式热泵在热电厂余热利用中优势分析

图1 压缩式热泵原理图

图2 吸收式热泵原理图

吸收式热泵可以利用各种热能，如以蒸汽、热水和燃料燃烧产生的烟气为驱动热源，将各种低品位热源，如余热、排热、循环水等低温热源向高温热源泵送。与压缩式热泵系统相比，吸收式热泵在燃气热电厂余热利用中具有两个重要特点：一是可以利用热电厂中烟囱余热和循环水余热的低品位余热，节约能耗；二是以热能为动力，与压缩式机组相比，可以节约电耗，适合于燃气热电厂应用场景。

以吸收式热泵回收热电厂烟囱余热为例，在节能环保方面具有以下优点：

（1）不仅能回收烟气中水蒸气的显热，还能回收水蒸气潜热，回收的热量为传统的烟气余热回收装置的5倍左右。

（2）可实现小温差换热，适用范围远大于传统烟气回收装置。

（3）燃烧1m3天然气能回收水约0．3～1．1kg。

（4）采用特有换热方式和防腐材料，使用寿命高达15～20a。

（5）可广泛应用于热电厂烟气余热回收、燃气供暖锅炉房烟气余热回收和分布式能源中心烟气余热回收。在燃气锅炉房使用，可以提高效率10%～12%，在热电厂使用，可提高供热能力38%。

（6）通过吸收式热泵机组，烟气排放的品质得到提升，降低NOX的排放。

（7）大量水汽被回收，避免直接排放到空气中与灰尘等结合形成雾霾。

除此之外，吸收式热泵机组无噪音、无毒环保、安全可靠、安装简单、运行灵活、维护方便，适合既有热电厂的改造应用。

5 结论

回收不同温度的余热资源对降低企业能耗，实现我国节能减排、环保发展战略目标具有重要的现实意义。吸收式热泵机组在热电厂余热回收系统的设计可结合原有生产系统，充分考虑回收设备的运行环境和使用条件，保证回收系统安全、高效运行，适合在广大新改扩建热电厂中应用。

[1] 连红奎,李艳,束光阳子,顾春伟.我国工业余热回收利用技术综述[J].节能技术,2011,2.

[2] 2015-2020年中国余热发电行业市场前瞻与投资战略规划分析报告[R]. 前瞻产业研究院,2015.

[3] 肖伟东. 排烟及循环水余热利用系统在火力发电厂的设计[J]. 电力技术,2017,24.