【論文精選】熱電廠煙氣和循環冷卻水余熱利用技術途徑

作者：張若瑜，王海超，李祥立，端木琳

第一作者單位：大連理工大學

摘自《煤氣與熱力》2019年3月刊

1? ?概述

熱電聯供可實現一次能源的梯級利用和具有較高的整體能效，盡管如此，在熱電生產過程中仍存在大量低品位余熱未被有效利用的情況，尤其是鍋爐的煙氣余熱和凝汽器循環冷卻水（本文簡稱循環水）余熱沒有得到充分利用。

電廠燃煤鍋爐的省煤器、空氣預熱器僅能回收煙氣中部分顯熱，煙氣中的大量潛熱未被有效利用

［1］

。同時，循環水余熱一般直接通過冷卻塔（集中設置在空冷島）散失在環境中，未得到有效利用

［2］

。近年來，采用汽輪機低真空運行技術提高凝汽器循環水的出水溫度直接用于供熱的方式在熱電廠得到了部分應用，但該類技術的供熱效果受到機組運行參數的制約，而且凝汽器內真空度的改變會對機組本身造成安全隱患。本文對熱電廠煙氣余熱回收在煙氣脫白工藝中的應用和循環水余熱回收的研究進展和技術手段進行綜述。

2? ?煙氣余熱回收在脫白工藝中的應用

目前，國內大多數燃煤熱電廠的煙氣在向外界排放前均會經過濕法脫硫，處理后的煙氣具有低溫高濕的特點，溫度通常為45~55 ℃，含有12%~16%的水蒸氣

［3］

，在脫硫過程中部分可溶性顆粒物、粉塵、硫化物等易溶解在水蒸氣中。若將濕法脫硫后的煙氣由煙囪直接排至大氣，由于環境溫度及含濕量低，煙氣會迅速降溫，其中的水蒸氣將凝結成濕煙羽，即“冒白煙”現象，對大氣造成污染。

傳統煙氣余熱回收技術手段通常將余熱用于鍋爐的回熱系統中，余熱利用途徑較為單一。根據煙氣脫白機理，將煙氣余熱用于脫白工藝，成為煙氣余熱另一條利用途徑。

2.1??煙氣再熱法

煙氣再熱法是利用未經處理的高溫煙氣加熱脫硫處理后的低溫高濕煙氣，通常采取間接換熱的方式，主要以煙氣再熱器（Gas-Gas Heater，GGH）、中間熱媒體煙氣換熱器（Media Gas-Gas Heater，MGGH）兩種換熱裝置為主。自20世紀80年代，國內初期建設的熱電廠脫硫工藝中均安裝了煙氣再熱器，以實現煙氣脫白。采用GGH的煙氣脫白工藝見圖1。由圖1可知，未經處理的高溫煙氣先進入熱管換熱器與經過脫硫處理的低溫高濕煙氣進行換熱后進入脫硫裝置脫硫，脫硫裝置出口的低溫高濕煙氣經熱管換熱器加熱后排至煙囪。

圖1? ?采用GGH的煙氣脫白工藝

采用MGGH的煙氣脫白工藝流程見圖2。空氣預熱器出口未經處理的高溫煙氣經煙氣冷卻器與換熱介質換熱后進入電除塵器進行除塵，然后進入脫硫塔。經脫硫處理后，低溫高濕煙氣進入煙氣再熱器被換熱介質加熱升溫（排煙溫升有利于煙氣在排放時的抬升高度）。由于煙氣冷卻器布置在除塵器之前，使煙氣中的酸性蒸汽在冷凝后同粉塵顆粒的堿性物質相結合，有利于被除塵器捕捉，從而去除部分硫化物，以減小后續設備受到低溫酸腐蝕。

圖2? ?采用MGGH的煙氣脫白工藝流程

無論是采用GGH，還是采用MGGH的煙氣脫白工藝，本質上僅利用未經處理的高溫煙氣余熱提高了排煙溫度，但排煙中的水蒸氣含量并未顯著降低，

無法實現排煙除濕

［4］

，處理過程中存在低溫酸腐蝕情況。為解決低溫酸腐蝕問題，需要采用材料成本較高的換熱設備，環境效益與經濟效益存在矛盾。

2.2??煙氣冷凝法

對濕法脫硫后的低溫高濕煙氣通過降溫冷凝的方法回收煙氣中的水蒸氣，是實現煙氣脫白的另一種思路。利用間接接觸式換熱器處理低溫高濕煙氣，需要較大的換熱面積和較高的防腐要求。而采用噴淋式直接接觸式換熱器的煙氣冷凝除濕系統（工藝流程見圖3）具有余熱回收效率高、回收凝結水量大、凈化效果好等優點

［5］

。

圖3? ?采用噴淋式直接接觸式換熱器的煙氣冷凝除濕系統工藝流程

脫硫后的低溫高濕煙氣進入噴淋式直接接觸式換熱器，與低溫噴淋水以逆流形式進行直接接觸時傳熱傳質，煙氣流動方向自下往上，噴淋水從上往下噴淋，煙氣中的水蒸氣放熱凝結后與噴淋水送至水處理裝置。經噴淋式直接接觸式換熱器除濕后的煙氣，從換熱器頂部排出。在除濕過程中，低溫高濕煙氣內殘留的顆粒物、粉塵以及硫化物也會溶解在噴淋水中，煙氣得到了進一步凈化。

近年來，部分學者提出了吸收式熱泵結合噴淋式直接接觸式換熱器的燃煤熱電廠煙氣余熱回收系統

［6］

，工藝流程見圖4。將噴淋水吸收的煙氣余熱作為吸收式熱泵的低溫熱源加熱熱網回水，該系統可制取20 ℃左右的低溫噴淋水用于與煙氣換熱，提高了換熱效率和除濕效果。魏茂林等人

［7］

將該系統用于燃煤熱電廠中，實測結果表明脫硫后的煙氣溫度由50 ℃降至39 ℃，余熱回收量可觀，煙氣中二氧化硫、氮氧化物的排放量進一步降低。雖然煙氣冷凝法實現了煙氣脫白，并使得煙氣余熱得到了合理利用，但由于排煙溫度過低，易導致排煙抬升高度降低，不利于污染物的擴散。

圖4? ?吸收式熱泵結合噴淋式直接接觸式換熱器的燃煤熱電廠煙氣余熱回收系統工藝流程

2.3??煙氣冷凝再熱法

煙氣冷凝再熱法是一種解決煙氣脫白的新工藝，通過采用多組不同的換熱器，實現不同煙溫段煙氣余熱的合理利用。煙氣冷凝再熱系統工藝流程見圖5。在采用MGGH的煙氣脫白工藝的基礎上，在脫硫裝置前設置煙氣冷卻器2，在脫硫裝置后設置噴淋式直接接觸式換熱器。鍋爐尾部高溫煙氣依次通過煙氣冷卻器1、干式電除塵器、煙氣冷卻器2、脫硫裝置、噴淋式直接接觸式換熱器、煙氣再熱器，完成冷凝至再熱升溫的全過程。設置兩組煙氣冷卻器可以將進入脫硫裝置前的煙氣梯級冷卻至70~80 ℃，保證了脫硫裝置的工作效率。在滿足排煙溫度要求和系統穩定性的前提下，換熱介質管路可以耦合鍋爐回熱裝置或熱網加熱裝置，將富裕熱量用于加熱鍋爐凝結水或熱網回水。此外，與采用MGGH的煙氣脫白工藝相比，進入煙氣再熱器內的煙氣含濕量較低，升溫所需熱量比較低。通常，煙氣再熱器出口煙氣60 ℃即可達到排煙要求，減少了煙氣再熱器的換熱面積。

圖5? ?煙氣冷凝再熱系統工藝流程

舒喜等人

［8］

提出了煙氣冷凝再熱技術在熱電廠煙氣脫白的應用，以某300 MW燃煤熱電機組為例，與采用MGGH的煙氣脫白工藝進行分析比較。研究表明，煙氣冷凝再熱脫白工藝的節能、節水、減排效果更好。

3? ?熱電廠循環水余熱利用途徑

傳統的低真空運行技術存在熱電耦合的問題，凝汽器內真空度的改變易影響發電機組運行參數，存在一定的安全隱患，因此僅適用于熱負荷較小且穩定的供熱系統

［9］

。循環水余熱屬于低品位熱能，但蓄熱量大、水質比較好，運用熱泵技術回收循環水余熱用于集中供熱，不僅節能效果顯著，還可以降低電廠對外界的熱濕污染。按照熱泵的驅動能源不同，可將用于熱電廠循環水余熱回收的熱泵分為吸收式熱泵、電驅動熱泵。

3.1??吸收式熱泵

發達國家如日本、美國對于吸收式熱泵用于回收工業廢熱余熱的研究起步較早。近年來，國內也開始推廣吸收式熱泵回收熱電廠循環水余熱，用于集中供熱

［10-11］

。典型的吸收式熱泵供熱系統工藝流程見圖6。吸收式熱泵以汽輪機抽汽為驅動熱源，以循環水作為低溫熱源，熱網回水先經過吸收式熱泵經第一次溫升，隨后進入熱網加熱器利用汽輪機抽汽對其進行第二次溫升，達到供水溫度。受限于熱泵機組容量等原因，循環水余熱通常難以全部回收，因此部分循環水仍將被送至冷卻塔降溫。許國春等人

［12］

的研究表明，采用吸收式熱泵時，合理的余熱回收方案可顯著提高電廠的能源利用率和整體經濟效益。

圖6? ?典型的吸收式熱泵供熱系統工藝流程

吸收式熱泵余熱回收系統的運行效率受到抽汽參數、低溫熱源溫度以及熱網水溫的限制，制熱效率較低，提高余熱回收效果是當前研究的熱點問題。降低熱網回水溫度是提高吸收式熱泵回收循環水余熱能力的一種思路

［13-14］

，可通過在各熱力站內設置吸收式換熱機組（由吸收式熱泵與板式換熱器組成），取代傳統的水-水換熱器，可在保證供水溫度不變的前提下大幅降低熱網回水溫度，實現大溫差供熱。

另一種思路是通過增設煙氣余熱回收裝置提高余熱回收量，最大限度地實現余熱的梯級利用。劉媛媛等人

［15］

提出了一種增設煙氣余熱回收裝置的吸收式熱泵供熱系統，工藝流程見圖7。在典型吸收熱泵供熱系統的基礎上，采用高溫吸收式熱泵機組代替熱網加熱器，并增設煙氣余熱回收裝置（用于回收煙氣余熱）。兩臺吸收式熱泵（第一級吸收式熱泵可以采用雙效機組）均以汽輪機抽汽為驅動熱源，凝汽器出口處的循環水經過煙氣余熱回收裝置吸收煙氣余熱后，依次進入兩級吸收式熱泵。熱網回水經兩級吸收式熱泵機組加熱后，溫升至供水溫度。

圖7? ?增設煙氣余熱回收裝置的吸收式熱泵供熱系統工藝流程

3.2??電驅動熱泵

國外基于以下原因，將電驅動熱泵應用于熱電廠循環水余熱回收領域

［16-17］

：電驅動熱泵的制熱效率要遠高于吸收式熱泵。吸收式熱泵回收循環水余熱的效果受到機組抽汽參數的限制，而電驅動熱泵直接以電力驅動，控制方便，調節能力更強。電驅動熱泵消耗電能，具有成為電力調峰手段的潛力

［18］

。

國內針對電驅動熱泵在熱電廠循環水余熱回收方面的研究很少，主要原因在于國內普遍認為較高的電價易導致經濟性較差；熱電廠以熱定電的運行方式，往往導致用熱高峰期發電量過剩，對于風力發電區域易引發“棄風”。研究表明，配置蓄熱裝置的熱電聯供系統，可大幅提高消納風電的能力

［19-20］

。電驅動熱泵聯合蓄熱裝置的供熱系統工藝流程見圖8。

圖8? ?電驅動熱泵聯合蓄熱裝置的供熱系統工藝流程

在電負荷低谷期（往往對應熱負荷高峰期），蓄熱罐向外放熱，儲存的高溫水由頂部送入熱網供水管道中，部分熱網回水由底部進入蓄熱罐內。電驅動熱泵回收循環水余熱，配合熱網加熱器加熱部分熱網回水。該階段，以電驅動熱泵制熱為主，熱網加熱器加熱為輔，風電上網空間增加。

在電負荷高峰期（往往對應熱負荷低谷期），蓄熱罐蓄熱，部分熱網供水由頂部進入蓄熱罐，蓄熱罐內的低溫水從底部匯入熱網回水中，熱網加熱器制熱功率增加，電驅動熱泵配合完成蓄熱罐儲熱量與用戶熱負荷需求。

4? ?結論

利用煙氣余熱的煙氣脫白工藝包括煙氣再熱法、煙氣冷凝法、煙氣冷凝再熱法，煙氣冷凝再熱法通過多組不同的換熱器，實現煙氣余熱的合理利用。熱電廠循環水余熱利用途徑可分為吸收式熱泵利用、電驅動熱泵利用。為實現供熱，吸收式熱泵與熱網加熱器聯合運行，或采用多臺吸收式熱泵梯級加熱熱網回水。電驅動熱泵制熱能效比高，可消納風電。

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