热电厂烟气余热回收用于集中供热的系统形式及参数分析

王海超，刘哲毅，李骥，Esa Teppo，Katja Granlund，Illka Haavisto，余力

(1.大连理工大学土木工程学院，辽宁 大连 116024；2.Aalto大学科学学院，艾斯堡 芬兰 11100；3.永州市城市管理和综合执法局，湖南 永州 425000；4.中国建筑科学研究院建筑环境与能源研究院，北京 100037；5.芬兰Planora公司，PL 43，Voudintie 6，奥卢 芬兰 90401；6.芬兰Condens公司，Puhelinkatu 12，海门林纳 芬兰 13110)

随着我国经济的迅速发展和城镇化速度不断加快，2015年建筑能耗已经占到能源消费总量的20%，而北方城镇冬季供暖能耗占建筑能耗的22%，该地区的建筑大部分采用集中供热方式供暖，基本以高效的热电厂或者区域锅炉房作为热源[1].我国近几年煤炭消费比重逐年下降，但在能源总消费中仍占主要地位.因此，在面临着能源紧缺、环境污染等问题上，充分发掘燃煤烟气的节能潜力以及提高热源供热效率，已成为我国节能工作的重点任务之一.

而针对余热回收问题，国内外学者也做了不少研究.美国 Battele Columber Labs于1976年提出了利用吸收式热泵回收余热[2]，并预测了市场，确信此技术具有实用价值.日本是世界上第一个利用余热发电的国家，他们建立了一套发电系统，可以利用烟气作为低温热源所产生的蒸汽进行发电[3].苏联某热电厂在锅炉对流竖井的底部安装低温省煤器，回收烟气余热用于加热热网回水[4].德国的Schwarze Pumpe电厂在脱硫塔和静电除尘器之间的烟道引出烟气，安装烟气冷却装置回收烟气余热并用来加热锅炉的冷凝水[5].李永毅等[6]改造燃煤热电厂空气预热器来回收烟气的余热，但新系统的?冮效率较常规余热系统仅提高0.13%.陈康等[7]在研究低温排烟利用潜力中，比平均出口烟温低6 ℃～12 ℃的进口水温将烟气温度成功降至30 ℃～39 ℃.但烟气露点温度一般低于城市热网供水温度(50 ℃)，烟气中水蒸气汽化潜热无法得到利用.为解决冷源不足的问题，清华大学付林等[8-10]提出使用吸收式热泵制取低温水作为冷源用来回收烟气余热量，燃气锅炉排烟温度被20 ℃冷冻水降至30 ℃，成功将该技术应用在包括燃煤锅炉等多个实际工程中.田贯三等[11]提出三级热泵结合换热器的方法回收烟气余热，得出了烟气排放温度和天然气热利用率之间的关系.魏亦强等[12]对北京某供热锅炉房进行改造，利用烟气冷凝热回收装置和吸收式热泵进行供热，大大提高了锅炉效率和减少了污染物的排放.孙方田等[13]提出了基于吸收式换热的燃气锅炉烟气余热回收技术方案，并从热力学等角度对比分析了不同的燃气锅炉供热系统，结果表明该技术方案可将提高一次热网输送能力约47%，系统具有较好的经济效益和节能效益.王鹏等[14]通过跟踪实测改造后的工程，结果显示采用吸收式热泵和烟气热回收装置联合运行比采用烟气热回收装置加热外网回水模式具有更高的节能率、冷凝水回收率.李锋等[15]介绍了基于吸收式换热的热电联产烟气余热回收工艺流程，对某200 MW级新系统年回收余热量可达82万GJ，相比原系统可增加年运行收益4428万元.综上，目前国内对燃气锅炉的烟气余热回收做了较多的研究，但对于燃煤锅炉的余热回收研究较少，但我国北方以燃煤热电联产和燃煤锅炉房供热为主，因此有必要对燃煤烟气余热回收技术进行进一步研究.此外，燃煤烟气余热回收的热量用于集中供热的系统集成方式及影响参数也需要进行系统的分析.因此，本文从烟气余热梯级回收利用的思路出发，在结合吸收式热泵与直接接触式换热技术的基础上，构建烟气余热回收利用系统，并针对系统建立数学模型，分析了影响系统初投资的关键参数、热网回水温度对系统能效的影响及排烟温度对系统供热能力的影响.

1 热电厂燃煤烟气余热回收塔

本文研究的燃煤直接接触式烟气余热回收塔及其连接如图1所示.烟气余热回收塔由壳体、喷淋组件、填料、除雾器、风机、烟气管道、底部水池等组成.烟气和循环喷淋水在塔内进行直接接触的传热传质，虽然较空塔回收增大了烟气阻力，但增大了换热面积，具有深度回收烟气中显热和潜热的能力即实现真正的全热回收；烟气流动方向自下往上，水流从上往下，且余热回收塔的高径比可以根据处理烟气量进行最优化处理，最大限度提高换热系数，并使化学反应充分进行，使烟气排放温度降至露点温度以下，烟气中水蒸气凝结放热，达到全热回收目的.如有进一步脱硫需求，则该过程中烟气中的SO2将溶解在回收塔循环水中与碱液发生反应从而达到脱硫的目的.如图1所示，该技术也需要通过热泵(以吸收式热泵为例)降低进入余热回收塔内的循环水温度，从而提高余热回收塔的工作效率，实现高效的深度余热回收和冷凝水回收.热网回水经过换热器加热后进入热电厂的热网加热器进一步加热，达到运行要求后送至热网.将烟气余热回收塔与吸收式热泵相结合，解决了金属腐蚀以及低温冷源的问题.同时喷淋换热的烟气与喷淋循环水之间的换热端温差可达2 ℃左右，比传统的换热温差(5 ℃)降低60%，大幅减少换热体积、降低换热成本.

图1 基于吸收式热泵的直接接触换热余热回收、脱硫、冷凝水回收一体化流程

上述烟气余热回收系统回收率与燃料种类、烟气含湿量、烟气含氧量有很大关系.燃料中氢元素含量越高，烟气含湿量越大，含氧量越低则烟气余热回收率就越高，反之越低.燃料含湿量低则锅炉效率高，进入烟气中的热损失减少，需要回收的余热也相应减少.过量空气系数在满足充分燃烧的前提下应当尽可能取较低值，含氧量大相当于烟气被稀释，在余热量一定的情况下，需要处理的烟气量增加，增大了系统容量和运行费用.另外，空气中水蒸气分压力远远小于烟气中的水蒸气分压，因而含氧量的增大导致烟气中水蒸气分压的降低，从而降低了烟气的水露点温度.而露点温度的降低会使直接接触换热过程中水可被加热到的最高温度降低.

2 烟气余热回收集中供热系统的集成分析

该部分从烟气余热梯级回收利用的思路出发，在结合吸收式热泵与直接接触式换热技术的基础上，构建烟气余热回收利用系统，并针对系统建立数学模型，分析了影响系统初投资的关键参数、热网回水温度对系统能效的影响及排烟温度对系统供热能力的影响.

2.1 烟气余热回收系统的构建

为解决间壁式换热器腐蚀性和低温冷源的问题，付林等[16]提出利用直接接触式换热器(喷淋塔)结合吸收式热泵的系统来回收烟气余热，本文在借鉴此思路的情况下，基于梯级利用烟气余热的角度构建如图2所示的烟气余热回收系统，实现热网水和热电厂烟气余热的能级匹配.

1-余热回收塔 2-热网加热器 3-吸收式热泵 4-板式换热器 5-烟气余热回收机组图2 烟气余热回收用于集中供热的系统

该系统具有以下几个特点：

(1)梯级回收利用烟气余热.本系统利用直接接触式余热回收塔来提取烟气的余热，可解决烟气带来的露点腐蚀性问题.在逆流式余热回收塔1中，烟气与热泵蒸发器出口处的喷淋循环水直接接触换热，根据系统优化匹配，温度ts3可控制在20 ℃～30 ℃，喷淋循环水被加热至ts1(根据脱硫方式和燃煤种类在40 ℃～60 ℃之间)后，先由板式换热器4降温至ts2、再由热泵蒸发器降温至ts3，烟气温度由余热回收塔1的入口温度ty2降至出口温度tp，该温度比ts2略高.

(2)热网水在热电厂内实现梯级加热.以热电厂烟气余热和汽轮机的抽汽为热源，热网回水流过板式换热器4、吸收式热泵3、热网加热器2被加热到温度tg.

(3)通过温度匹配、梯级加热方式提高热网输送能力，同时实现烟气余热回收、节能减排的一体化.

2.2 热网水梯级加热数学模型

热网水梯级加热系统由余热回收塔1、热网加热器2、吸收式热泵3和板式换热器4组成.下面对整个系统建立数学模型.

设喷淋循环水质量流量G1，热网水质量流量G2，烟气体积流量Gg.流过板式换热器、吸收式热泵和热网加热器后热网水分别吸收热量Q1、Q2、Q3，余热回收塔回收烟气余热量Q4，供热总量为Q.可由能量守恒方程求得各环节的换热量.

(1)计算热网水梯级加热流程的传热量如下所示.

Q=Q1+Q2+Q3，

(1)

Q=G2×cp2×(tg-th)/3600，

(2)

公式中：这里给出上述变量的名称和单位；tg为热网供水温度， ℃；th为热网回水温度， ℃；cp2为热网水比热容，kJ/(kg· ℃).

(2)计算板式换热器的传热量如下所示.

喷淋循环水侧换热量：

Q1=cp1×G1×(ts1-ts2)/3600，

(3)

热网侧换热量：

Q1=cp2×G2×(t1-th)/3600，

(4)

公式中：ts1为喷淋循环水进入换热器温度， ℃；ts2为喷淋循环水进入热泵蒸发器温度， ℃；cp1为喷淋循环水比热容，kJ/(kg· ℃)；t1为热网水侧热泵进口温度， ℃.

(3)计算吸收式热泵的传热量如下式所示.

以汽轮机抽汽Qs1作为驱动力的吸收式热泵从喷淋循环水中提取余热量Qe，将热量Q2传给低温热网水：

Q2=Qe+Qs1，

(5)

蒸发器吸热：

Qe=cp1×G1×(ts2-ts3)/3600，

(6)

发生器耗热：

Qg=Qs1=Q2/(COPh-1)，

(7)

吸收器和冷凝器放热：

Qc+Qa=Qe+Qs1=G2×cp2×(t2-t1)/3600，

(8)

公式中：ts3为喷淋循环水进入余热回收塔的温度， ℃；COPh为吸收式热泵的制热系数；t2为热网水侧热泵出口温度， ℃.

(4)计算热网加热器的传热量如下式所示.

假设热电厂总抽汽量为Qs(MW)，由热网水侧热平衡得：

Q3=Qs-Qs1=cp2×G2×(tg-t2)/3600，

(9)

(5)计算余热回收塔的传热量如下式所示.

烟气侧换热量：

Q4=Gg×(h2-h3)/1000，

(10)

喷淋循环水侧换热量：

Q4=cp1×G1×(ts1-ts3)/3600，

(11)

2.3 系统关键参数分析

通过对影响烟气深度回收系统性能的系统关键参数筛选，分析影响单位回收余热量投资费用的参数，并探究一次网回水温度对系统能效的影响、排烟温度对系统供热能力的影响.

2.3.1 分析模型的建立

烟气余热回收用于集中供热系统有烟气余热和热电厂供暖抽汽的供热量两种热源.定义系统回收余热能力X为：烟气余热量Qw与热电厂供暖蒸汽的供热量Qs之比，即

(12)

公式中：Qw为余热回收塔内单位时间从烟气中回收的余热量.其表达式为：Qw=cp1G1(ts1-ts3).

由热网水梯级加热计算公式(1)～公式(11)，可推导出公式(13)及公式(14)：

(13)

(14)

由式(14)分析影响系统回收余热能力X的关键参数：

(1)吸收式热泵制热系数COPh.对于给定的驱动热源参数，热网水侧热泵出口温度t2与喷淋循环水进入余热回收塔的温度ts3决定了COPh的大小，t2越高或ts3越低，则COPh越小.若排烟温度不变，对于某一给定设计的余热回收塔，喷淋水温度ts3为定值(烟气排烟温度与喷淋水温差一般为3～5 ℃)，因此COPh取决于热泵热网水出口温度t2.

(2)板式换热器热网水侧温升Δth=(t1-th).(t1-th)越大，则通过板式换热器回收的烟气余热量越大，从而可降低吸收式热泵的投资.对于既定的供热一次管网，假设th波动范围不大，此时影响板式换热器热网水侧温升(t1-th)的主要参数是热网水侧热泵进口温度t1.

综上可知，若排烟温度tp一定时，对于给定的热网回水温度th和烟气余热回收量，t2和COPh均由t1决定，因此影响系统回收余热能力X关键参数是热网水侧热泵进口温度t1，需对其进行分析.

分析计算热网水侧热泵进口温度t1，可得：

t1=Q1×3600/cp2/G2+th，

(15)

Q1=cp1×G1×(ts1-ts2)/3600，

(16)

ts2=th+Δtc，

(17)

(18)

公式中：Δtc为板式换热器的冷端温差(喷淋循环水离开板式换热器与热网回水进入板式换热器的温差)， ℃.

在给定烟气进口温度时，ts1取决于余热回收塔中烟气与水的热质交换效率E，本文取ts1=45 ℃，热网供水温度tg=130 ℃，回水温度th=25 ℃(热力站设大温差换热机组).Δtc影响板式换热器和吸收式热泵设备的选型.因此，板式换热器冷端温差Δtc影响t1的大小，Δtc越小，t1越高.

同时余热回收塔入口烟气温度ty2影响余热回收塔塔体的配置，当余热回收塔处烟气排放温度tp一定时，Δtc和ty2是影响系统设备投资费用的主要参数；排烟温度tp越高，回收烟气余热量越小，在热电厂供暖抽汽量一定情况下X越小，同时系统设备投资费用越低，因此烟气排放温度tp影响整个热网水梯级加热系统的经济性及供热能力.

2.3.2 单位回收余热量的投资费用

研究整个热网水梯级加热系统单位回收余热量投资费用P(元/(GJ·年))，关键在于确定板式换热器的冷端温差Δtc和余热回收塔入口烟气温度ty2，现以排烟温度tp为33 ℃为例进行相关计算.

以某热电厂2台30 MW高温高压背压式汽轮机配3台135 t/h循环流化床锅炉为例设计新系统.采用直接接触式换热与吸收式热泵的烟气余热回收新系统总初投资M主要包括：(1)余热回收塔初投资成本M1，以每回收1 MW余热量需28万元来计算[17]；(2)吸收式热泵初投资成本M2，以每回收1 MW余热量需80万元来计算[18]；(3)水-水板式换热器初投资成本M3，以每平方米换热面积需500元来计算[19]；(4)建筑安装工程费成本M4，以每回收1 MW余热量需30万元来计算[17].

供暖季按照172天计算，设备的折旧年限Y取20年，整个系统每供暖季可回收烟气的余热量Qw为27万GJ，单位回收余热量需要的投资成本P：

(19)

(1)余热回收塔初投资成本

余热回收塔初投资成本M1主要受回收的烟气余热量影响.如图3所示，可看出在相同排烟温度时，余热回收塔入口烟气温度越低，初投资成本越少，可回收的余热量也越少.入口温度从50 ℃提高到89 ℃时，余热回收塔初投资成本M1增加31%.

图3 余热回收塔初投资成本M1图4 吸收式热泵初投资M2

(2)吸收式热泵初投资成本

吸收式热泵初投资M2随板式换热器的冷端温差Δtc和余热回收塔入口烟气温度ty2的变化规律如图4所示.当余热回收塔入口烟气温度ty2一定时，随着Δtc升高，喷淋循环水进入热泵蒸发器温度ts2升高，热泵回收的余热量增加，从而导致吸收式热泵初投资M2变大.当烟气入口温度为80 ℃时，Δtc从2 ℃提高至5 ℃，吸收式热泵初投资M2增加43%.板式换热器的冷端温差Δtc不变时，随着余热回收塔烟气入口温度的升高吸收式热泵回收的余热量越多，从而加大吸收式热泵初投资M2.

(3)板式换热器初投资成本

水-水板式换热器采用合金钢板逆流式，选型号为BR1.02，单片换热的面积为1.02 m2，流道截面积为4.361*10-3m2，板片厚0.8 mm，板间距4.9 mm.换热器有效换热面积F计算如下式所示：

(20)

(21)

公式中：K为板式换热器的传热系数，W/(m2⋅ K)；Δtm为换热器的对数平均温差， ℃.本文取K=4 490 W/(m2⋅ K).

图5 板式换热器初投资M3图6 单位回收余热量投资费用P

板式换热器初投资成本M3随冷端温差Δtc和余热回收塔入口烟气温度ty2的变化情况，如图5所示.当余热回收塔入口烟气温度ty2一定时，随着板式换热器的冷端温差Δtc的升高，换热器的换热量Q1减少，热网水侧热泵进口温度t1降低，对数平均温差Δtm增大，从而导致换热器的换热面积减少，板式换热器初投资成本M3减少.当烟气入口温度为80 ℃时，Δtc从2 ℃提高至5 ℃，板式换热器初投资成本M3降低61%.

板式换热器的冷端温差Δtc不变时，随着余热回收塔烟气入口温度的升高，喷淋循环水质量流量G1增加，Δtm降低，从而增加换热器的有效换热面积，提高板式换热器初投资成本M3.

(4)单位回收余热量投资费用

不同余热回收塔入口烟气温度ty2和板式换热器的冷端温差Δtc下的单位回收余热量投资费用P如图6所示.当余热回收塔入口烟气温度ty2一定时，若增大换热器的冷端温差Δtc，单位回收余热量投资费用P升高，这主要是因为吸收式热泵初投资M2增加的程度大于此时板式换热器降低的初投资成本，吸收式热泵初投资影响总初投资的程度最大.当烟气入口温度为80 ℃时，Δtc从5 ℃降低至2 ℃，单位回收余热量投资费用P降低13%.因此，适当降低板式换热器的冷端温差Δtc可节省系统的初投资费用.

2.3.3 热网回水温度对系统能效的影响

热电厂余热回收应从热源、热网结合一体化考虑，改造热网末端、降低回水温度是实现余热高效回收的重要前提.当热网回水温度从36 ℃降低到25 ℃，烟气余热回收量和蒸汽供热量的变化情况如图7所示.

图7 热网回水温度变化对烟气余热回收量Qw和蒸汽供热量Qs的影响图8 热网回水温度对抽汽供热减少的发电量ΔW的影响

由图7可以看出，当热网回水温度从36 ℃降至25 ℃，此时烟气余热回收量Qw由5.2 MW升高至9.84 MW，提高率为89%.对应的蒸汽供热量从52.23 MW降至47.59 MW.

抽汽供热减少的发电量ΔW计算公式：

(22)

公式中：η为汽轮机发电效率，取0.9；hv为蒸汽的比焓，kJ/kg，0.4 MPa、190 ℃时，hv=2 860 kJ/kg；hz为蒸汽发电后的比焓，hz=2 244 kJ/kg；hc为凝结水比焓，0.4 MPa、80 ℃时，hc=335 kJ/kg.

抽汽供热减少的发电量ΔW随热网回水温度变化情况如图8所示.当总供热量不变时，随着热网回水温度由36 ℃降低至25 ℃，由于回收的烟气余热量的增加，抽汽供热量减少，ΔW由4 743万kWh降至4 322万kWh.

现以电量为统一性基准，引入能效评价指标供热等效电W[20]，其定义为每供应1 GJ的热量而减少的发电量.在热电工况相同的情况下，其值越小说明余热回收率和系统能效越高.其表达式为：

(23)

该系统的供热等效电W随着不同热网回水温度的变化情况如图9所示.由图9可知，热网回水温度越低，回收能力越高，抽汽供热越少，供热等效电越高.随着热网回水温度由36 ℃降低到25 ℃，供热等效电W由55.6 kWh/GJ降至50.6 kWh/GJ，即提高了系统的能效.

图9 热网回水温度对系统供热等效电W的影响图10 排烟温度对系统供热能力的影响

2.3.4 排烟温度对系统供热能力的影响

以入口烟气温度为80 ℃，排烟温度为20 ℃～50 ℃时计算系统供热能力的变化情况，排烟温度对系统供热能力的影响如图10所示.由图10可见随着排烟温度 的升高，随着烟气比焓的增大，系统烟气余热可回收量越少，从而导致系统回收余热能力X显著降低.当排烟温度从50 ℃降低至20 ℃，系统余热回收能力提高80%.

3 结 论

本文提出了一种采用直接接触式余热回收塔与吸收式热泵相结合的系统回收烟气余热用于集中供热的方法.构建了烟气余热回收集中供热系统，并建立相应数学模型，为方便分析，本文定义系统余热回收能力为烟气余热量Qw与热电厂供暖蒸汽的供热量Qs之比，利用供热等效电W概念，其定义为每供应1GJ的热量而使抽汽供热减少的发电量，其值越小说明换热首站系统能效更高，最后以某热电厂为例对系统的关键参数进行分析.研究发现当排烟温度一定时，对于给定的热网回水温度和烟气余热回收量，影响系统回收余热能力X关键参数是热网水侧热泵进口温度.以某热电厂为例设计新系统，经过计算分析，适当减少板式换热器的冷端温差Δtc可节省该系统的初投资费用；降低一次网回水温度可提高系统的能效；适当降低排烟温度可提升系统回收余热能力.当烟气入口温度为80 ℃时，Δtc从5 ℃降低至2 ℃，单位回收余热量投资费用P降低13%.当排烟温度从50 ℃降低至20 ℃，系统余热回收能力提高80%.在热电工况相同的情况下，随着热网回水温度的降低，供热等效电W由55.6 kWh/GJ降至50.6 kWh/GJ，其值越小说明余热回收能力越高，抽汽供热越少，供热等效电越高.该余热回收系统的余热回收效率高、节能潜力巨大，经济性较好，同时具有巨大的节能减排潜力，因此基于直接接触式余热回收塔与吸收式热泵相结合的回收烟气余热用于集中供热技术具有很高的推广应用价值.本文在建模过程中假定吸收式热泵的COP在所研究温度范围内保持恒定不变，后续研究可对模型进行修正，以便开展动态性能分析.

附录：符号列表