作者： 王富全，龐卓，田剛，張春堯，楊海霞，由世俊，王娜，王雅然，高沖，趙巖，康益軍，劉興原，董衛(wèi)平

第一作者單位： 天津市宏源熱力工程有限責(zé)任公司

摘自《煤氣與熱力》2018年12月刊

1     概述

為解決北方區(qū)域鍋爐房燃煤供暖造成的環(huán)境污染問(wèn)題，提高經(jīng)濟(jì)效益，保障并提高北方地區(qū)人民群眾的生活質(zhì)量，北方大城市對(duì)城區(qū)內(nèi)的中小型燃煤鍋爐房進(jìn)行裁撤，由燃煤/燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)和區(qū)域燃?xì)忮仩t房實(shí)現(xiàn)城區(qū)建筑物的供暖。常規(guī)燃?xì)鉄崴仩t煙氣尾部增設(shè)的給水預(yù)熱器（又稱節(jié)能器）可在一定程度上回收煙氣余熱，但受熱網(wǎng)回水溫度較高和預(yù)熱器換熱能力的限制，燃?xì)忮仩t排煙溫度仍在 80 ℃ 以上。燃?xì)忮仩t燃燒產(chǎn)生大量的水蒸氣，因排煙溫度較高而被煙氣帶走排向室外，造成熱損失。并且，高濕度的煙氣遇冷后很快凝結(jié)出水滴，形成白霧，極大地影響了附近居民的正常生活。

當(dāng)前， 燃?xì)忮仩t 煙氣余熱回收方案主要有兩類(lèi)：基于煙氣換熱器的余熱回收方式 ^{［ 1 ］} 、基于煙氣換熱器和熱泵結(jié)合的余熱回收方式 ^{［ 2 ］} 。傳統(tǒng)的基于煙氣換熱器的余熱回收系統(tǒng)是利用熱網(wǎng)回水或空氣冷卻鍋爐的高溫?zé)煔?，從而回收排煙中的部分余?/span> ^{［ 3 ］} 。由于受低溫側(cè)溫度和換熱器腐蝕條件的限制，最終排煙溫度往往高于 50 ℃ ^{［ 4-5 ］} 。為深度回收鍋爐排煙中的余熱，最大限度脫除煙氣中的冷凝水，清華大學(xué)付林等人 ^{［ 6 ］} 提出利用接觸式煙氣 - 水換熱和吸收式熱泵回收煙氣中顯熱和潛熱的方法，該技術(shù)方案可有效實(shí)現(xiàn)煙氣中余熱的回收和水分的脫除 ^{［ 7-9 ］} 。

2    項(xiàng)目概況和系統(tǒng)流程

天津市南開(kāi)區(qū)天拖供熱中心鍋爐房，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為 14 臺(tái) 29 MW 燃?xì)鉄崴仩t，目前一期已安裝 10 臺(tái)，供熱面積 400 × 10 ⁴  m ² ，遠(yuǎn)期供熱面積 700 × 10 ⁴  m ² 。目前鍋爐的排煙溫度為 80 ~ 95 ℃，造成鍋爐煙氣余熱的浪費(fèi)，并且煙氣中攜帶大量水蒸氣，排放到大氣后形成白霧，對(duì)居民的生活造成影響。由于本項(xiàng)目中鍋爐房中機(jī)組預(yù)留空間和安監(jiān)、消防等的限制，無(wú)法采用直燃型吸收式熱泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)上述余熱回收系統(tǒng)。如圖 1 所示，為實(shí)現(xiàn)煙氣余熱回收和煙氣“脫白”，本項(xiàng)目采用熱水驅(qū)動(dòng)的溴化鋰吸收式熱泵（以下簡(jiǎn)稱吸收式熱泵）方案。

圖 1    熱泵余熱回收系統(tǒng)流程

系統(tǒng)流程如下：

①余熱水回路：經(jīng)過(guò)吸收式熱泵冷卻的 27 ℃余熱循環(huán)水進(jìn)入接觸式 換熱器 并與煙氣進(jìn)行直接接觸，實(shí)現(xiàn)熱濕交換，完成換熱的 42 ℃余熱水由余熱水循環(huán)泵加壓輸送回?zé)岜玫恼舭l(fā)器進(jìn)行冷卻降溫。

②驅(qū)動(dòng)熱水回路：經(jīng)鍋爐加熱的 115 ℃熱水一部分（稱為驅(qū)動(dòng)熱水）進(jìn)入吸收式熱泵的發(fā)生器中放熱，并驅(qū)動(dòng)熱泵，完成驅(qū)動(dòng)的熱水與另一部分未進(jìn)入熱泵發(fā)生器的熱水混合后，再與熱網(wǎng)回水混合進(jìn)入熱網(wǎng)供水管實(shí)現(xiàn)供熱。

③加熱熱水回路：從熱網(wǎng)的 48 ℃回水中抽出一部分，經(jīng)循環(huán)泵增壓送入吸收式熱泵的冷凝器和吸收器側(cè)加熱，完成加熱的水再回到熱網(wǎng)回水母管。

④煙氣系統(tǒng)：從鍋爐出來(lái)的煙氣首先進(jìn)入節(jié)能器預(yù)熱鍋爐給水，再進(jìn)入接觸式換熱器與余熱水進(jìn)行熱濕交換，冷卻后的煙氣經(jīng)煙囪排出。

⑤熱網(wǎng)回水管路： 60 ℃的熱網(wǎng)回水經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)泵加壓，一部分進(jìn)入熱網(wǎng)供水管與其他熱水混合后以 94.4 ℃向熱用戶供熱，另一部分與鍋爐出水經(jīng)電動(dòng)三通閥混合后返回鍋爐，作為鍋爐給水進(jìn)入節(jié)能器，并重新經(jīng)鍋爐加熱。

實(shí)施后，鍋爐熱效率將提高 10% 以上，排煙溫度將降低到 30 ℃以下，白霧現(xiàn)象得以消除，同時(shí)二氧化硫、氮氧化物的排放也有一定程度的降低（約 10%~15% ）。在不增加供熱面積的情況下，鍋爐的熱效率升高，運(yùn)行燃?xì)赓M(fèi)用降低。如供熱面積繼續(xù)增加，在不增加燃?xì)赓M(fèi)用的情況下，本項(xiàng)目可以增加供熱面積 36 × 10 ⁴  m ² 。本項(xiàng)目以吸收式熱泵技術(shù)為核心的煙氣余熱回收系統(tǒng)，解決煙氣的白霧問(wèn)題，同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。按照目前已投產(chǎn)的 10 臺(tái)鍋爐設(shè)計(jì)熱泵系統(tǒng)，共設(shè)計(jì) 2 臺(tái) 20 MW 熱水型吸收式熱泵、 10 臺(tái) 3 MW 接觸式換熱器及其他輔助設(shè)備。

低溫流體和高溫流體通過(guò)直接接觸混合的方式進(jìn)行強(qiáng)化換熱，這種熱量傳遞方式稱為直接接觸式換熱。為了增強(qiáng)換熱，通常將換熱液體分散成液柱、液滴和霧狀，液滴越小，接觸面積越大，換熱量就越大。回收燃?xì)忮仩t的低溫?zé)煔庥酂釙r(shí)采用噴淋式煙氣-水直接接觸式換熱器，可以增大換熱面積和提高傳熱系數(shù)，將煙氣的顯熱和煙氣中水蒸氣的氣化潛熱最大限度地回收，使燃?xì)忮仩t的燃料利用率顯著提高，因此直接接觸式換熱器在燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。與常規(guī)間壁式換熱器相比，直接接觸式換熱器具有以下優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造和安裝檢修，消耗金屬量較少；不存在傳熱端差，適合應(yīng)用于小溫差傳熱；沒(méi)有污垢熱阻和間壁熱阻，換熱效率較高；氣 - 液兩相流體直接接觸換熱面積增大，傳熱傳質(zhì)過(guò)程瞬間完成。由于直接接觸式換熱器的排煙溫度低，可以回收煙氣的顯熱、水蒸氣的潛熱以及煙氣中水蒸氣的凝結(jié)液，換熱效率高；同時(shí)在換熱過(guò)程中煙氣中的污染物得到清洗使排煙更清潔，有利于保護(hù)環(huán)境。

3    燃?xì)忮仩t與熱回收系統(tǒng)效率分析

根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的熱平衡，滿足如下熱平衡關(guān)系：

燃?xì)忮仩t的高溫?zé)煔馐紫冉?jīng)過(guò)節(jié)能器被回收一部分熱量，離開(kāi)節(jié)能器后進(jìn)入接觸式換熱器時(shí)的煙氣溫度為90 ℃。在換熱過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整控制余熱水的流量，使余熱水離開(kāi)熱泵蒸發(fā)器時(shí)的溫度為 27 ℃。熱泵回收的余熱量與鍋爐負(fù)荷的關(guān)系表示為：

余熱回收系統(tǒng)的效率等于鍋爐的熱效率與煙氣的余熱回收率之和，與熱泵的性能系數(shù)無(wú)關(guān)，當(dāng)鍋爐的熱效率越高，煙氣的余熱回收率越高，系統(tǒng)的效率也越高。

4    系統(tǒng)運(yùn)行分析

為分析本項(xiàng)目中的余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行情況，在2018年 2 月 2 日— 22 日期間對(duì)系統(tǒng)的各部分溫度、流量進(jìn)行了逐時(shí)監(jiān)測(cè)。為保證吸收式熱泵能夠正常工作，驅(qū)動(dòng)熱水進(jìn)入熱泵的溫度應(yīng)高于 100 ℃，圖 2 是驅(qū)動(dòng)熱水進(jìn)出熱泵的逐時(shí)溫度測(cè)試值?？梢钥闯?，測(cè)試期間的絕大部分時(shí)間驅(qū)動(dòng)熱水進(jìn)入熱泵的溫度高于 100 ℃。

圖 2    熱泵驅(qū)動(dòng)熱水進(jìn)出水溫逐時(shí)測(cè)試值

圖3是驅(qū)動(dòng)熱水在熱泵進(jìn)出口的溫差，即驅(qū)動(dòng)熱水的利用溫差。結(jié)合圖 2 可以看出，在測(cè)試期間驅(qū)動(dòng)熱水的利用溫差在 10 ℃ 左右，當(dāng)驅(qū)動(dòng)熱水溫度較低時(shí)，驅(qū)動(dòng)熱水的利用溫差也會(huì)降低。圖 4 是熱泵運(yùn)行期間，驅(qū)動(dòng)熱水、余熱水和加熱熱水的流量逐時(shí)測(cè)試值。

圖 3    熱泵驅(qū)動(dòng)熱水利用溫差逐時(shí)測(cè)試值

圖 4    熱泵余熱回收系統(tǒng)流量逐時(shí)測(cè)試值

圖5和圖 6 分別是加熱熱水和余熱水進(jìn)出口溫度逐時(shí)值，可以看出，余熱水被利用的溫差在 10 ℃ 左右，并將加熱熱水提升 10 ℃ 左右。

圖 5    熱泵加熱熱水進(jìn)出口水溫逐時(shí)測(cè)試值

圖 6    熱泵余熱水進(jìn)出口溫度逐時(shí)測(cè)試值

圖 7 和圖 8 分別是熱泵各部分熱流量的逐時(shí)值和熱泵機(jī)組的 I _COP 逐時(shí)值?？梢钥闯?， 3 種熱流量的總體變化趨勢(shì)基本一致，且吸收式熱泵的 I _COP 在測(cè)試期間基本穩(wěn)定在 1.8 左右。在測(cè)試后期，熱泵 I _COP 有小幅下降，這是由于在這段時(shí)間內(nèi)余熱水的進(jìn)水溫度有小幅降低（見(jiàn)圖 6 ）。

圖 7    吸收式熱泵各部分熱流量

圖 8    吸收式熱泵機(jī)組逐時(shí)性能系數(shù)

5    結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)熱水驅(qū)動(dòng)的吸收式熱泵結(jié)合煙氣-水直接接觸式換熱器回收燃?xì)忮仩t煙氣余熱的方案進(jìn)行探討，推導(dǎo)燃?xì)忮仩t和熱水驅(qū)動(dòng)的吸收式熱泵余熱回收系統(tǒng)的總效率公式，余熱回收系統(tǒng)的效率等于鍋爐的熱效率與煙氣的余熱回收率之和，與熱泵的性能系數(shù)無(wú)關(guān)。本文還對(duì)天津市南開(kāi)區(qū)天拖供熱中心的余熱回收項(xiàng)目進(jìn)行了測(cè)試和運(yùn)行分析，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，系統(tǒng)的運(yùn)行效果較好，熱泵的性能系數(shù)可以保持在 1.8 左右，具備較好的節(jié)能性。

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