王彦琳 陈振

（北京京能未来燃气热电有限公司，北京 102209）

燃气电厂喷淋冷凝式余热深度回收利用系统的应用分析

王彦琳 陈振

（北京京能未来燃气热电有限公司，北京 102209）

针对燃气-蒸汽联合循环机组余热锅炉尾部受热面在烟气结露情况下会发生腐蚀，难以回收烟气潜热的问题，本文介绍了一种基于喷淋冷凝式的余热深度回收利用系统。喷淋塔喷淋的冷水与烟气直接接触换热，回收烟气中大部分显热和潜热，并通过吸收式热泵将吸收的热量用于对一次热网回水的加热，从而达到节能减排的目的。

烟气余热回收；喷淋冷凝式；烟气潜热；烟气露点

1 研究背景

1.1 余热利用技术的意义及发展历史

节能减排是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是一项极为紧迫的任务。回收余热降低能耗对我国实现节能减排、环保发展战略具有重要的现实意义。同时，余热利用在改善劳动条件、节约能源、增加生产、提高产品质量、降低产品成本等方面起着较大作用，已经成为工业生产中不可分割的重要组成部分。在能源问题已成为经济社会发展瓶颈的今天，提高能源利用率，回收低位烟气余热，将其作为二次能源资源化利用，已成为我国节能减排战略中最具潜力的研究方向。余热深度回收技术作为国家发展改革委员会第三批重点节能技术推广目录发布，充分彰显了此项技术的发展潜力。“低位烟气余热”是指现阶段尚未回收利用的、废弃的、高于环境温度的、仍具有进一步回收利用价值的烟气热能。低位烟气余热深度回收对提高设备热效率具有显著作用。对于燃气锅炉，在未发生冷凝的条件下，排烟温度每降低20℃，燃料利用率可提高大约2%；在发生冷凝的条件下，当烟气温度从60℃降低至40℃时，燃料的利用率大约提高8%［1］。

1.2 余热利用技术的发展历程

①2000年开始研究烟气余热回收技术。2001年，在清华大学推出热电联产技术；2005年，在清华大学超低能耗示范楼建立热电冷三联供系统（间壁式换热器）；2008年，北京南站运用了热电冷三联供系统（间壁式换热器）。

②2010年天津西站项目。开发出专用于烟气余热深度回收项目的吸收式热泵（采用间壁式换热器）。

③2011年东坝锅炉房烟气余热回收项目。该技术首次应用于燃气锅炉烟气余热回收（采用直接接触式换热器）。

④2012-2013年北京市科委两大示范工程。应用于总后干休所锅炉房、竹木厂小区锅炉房（采用直接接触式换热器、一体化设计）。

⑤2014年开始推广燃气电厂喷淋冷凝式余热回收利用系统。该技术首次应用于未来燃气热电厂烟气余热回收项目（喷淋冷凝式余热深度回收利用）。

2 燃气电厂喷淋冷凝式余热深度回收利用实例分析

2.1 项目简介

本烟气余热深度利用是在一套E级联合循环机组余热锅炉之后设置一座直接接触式换热塔，机组余热锅炉的排烟全部通过换热塔，与中介水接触回收热量，直接接触式换热技术采用喷嘴喷淋中介水与烟气混合，通过热烟气与喷淋中介水的直接接触传热实现烟气余热热量的回收，回收热量设计值为48MW，回收的热量通过蒸汽驱动的热泵实现余热利用，以加热热网水，共安装4台（一期2台）供热量为28MW/台的吸收式热泵机组。

2.2 深度余热利用原理及各组成系统介绍

整个烟气余热系统的原理是在余热锅炉之后设置深度利用烟气冷凝换热器，利用余热锅炉尾部低温烟气的余热进行深度换热，即进一步降低常规余热锅炉的排烟温度，从约89℃降低到33℃。同时，由于烟气中含有水蒸气，当烟气温度低于水蒸气的冷凝温度时，水蒸气将释放出大量的汽化潜热，同时凝结成液态水。通过中介水，置换出烟气的低温余热，将中介水由28℃加热到38℃并使其进入吸收式热泵。43℃的热网回水利用吸收式热泵技术在驱动蒸汽作用下吸收中介水的热量，转化为80℃的热网供水。烟气余热深度利用系统如图1所示。

图1 烟气余热深度利用系统图

余热锅炉排放烟气经深度利用后烟气温度降低，烟气中的水分部分凝结后回收用作厂内循环水补水，减少了电厂的用水量。因此，本系统对节能、节水、提高系统的综合利用效率都有重要意义。

烟气余热深度利用系统主要包括余热塔烟气系统（IGCC工艺）、加热蒸汽系统，热网水系统、水系统（中介水系统及疏水系统）。

2.2.1 烟气系统。烟气系统包括烟道、烟气增压风机、烟气余热喷淋塔、挡板门等。烟气的流程为：余热锅炉出口烟气由原有烟囱下部抽出，抽出的烟气经过增压风机增压后进入烟气余热喷淋塔底部，由下至上经过余热喷淋塔，经风道至原烟囱上部排出，在余热喷淋塔进出口连接烟道设置挡板门，以便于在余热喷淋塔停运时实现余热喷淋塔烟气系统与联合循环烟气系统的隔离。在余热喷淋塔中，烟气中的热量被喷淋中介水吸收，温度由89℃降为33℃。

与常规的联合循环机组相比，在联合循环机组余热锅炉尾部设置余热喷淋塔增加了烟气的流动阻力，造成燃机背压升高［2］。为避免增设余热喷淋塔对联合循环系统中烟气流动阻力的影响，在余热喷淋塔前设置了增压风机，克服余热喷淋塔系统新增的阻力损失，保证烟气流动的通畅。烟气主要设计参数如表1所示。

表1 烟气主要设计参数

2.2.2 水系统。余热喷淋塔水系统包括喷淋装置（见图2）、集水槽。余热喷淋塔水系统流程为：喷淋中介水自厂内热泵机组余热回收后进入余热喷淋塔系统，中介水进入余热喷淋塔中喷淋装置后通过喷嘴雾化为小液滴，喷淋液滴与烟气直接接触换热实现烟气余热的回收，经过烟气加热的液滴在重力作用下落入设置在余热喷淋塔底部的集水槽中。余热喷淋塔集水槽设置有出水口，集水槽中的中介水通过中介水泵进入热泵装置进行余热回收。由于烟气中含有水蒸气，中介水喷淋液滴与烟气逆流接触换热过程中，烟气中的水蒸气将发生部分冷凝，释放出一定量的汽化潜热，同时凝结成液态水。该部分凝结液态水与中介水混合，送出塔后作为中介水。随着运行时间的增加，冷凝水量增加，运行过程中通过排出多余的中介水实现循环中介水量的稳定，排出的中介水送往循环水系统作为循环水补水。中介水参数如表2所示。

图2 喷淋塔中介水喷淋层布置图

表2 中介水参数

表3 实际运行与设计参数对比表

2.2.3 热网水系统。烟气深度余热利用系统热网水侧和联合循环机组热网站串联设计。自厂外的40℃热网回水首先进入烟气深度余热利用系统的余热利用热泵机组，吸热升温至约80℃后引至联合循环机组热网站继续加热，加热至120℃后对外供出。

烟气深度余热利用系统热网水侧设置有旁路，即烟气深度余热利用系统若发生故障，也不会影响联合循环机组热网系统的正常运行。

经烟气深度余热利用系统，热网水侧压降不大，不需设置热网循环水升压泵。

2.2.4 吸收式的热泵换热机组。吸收式热泵以高温热源驱动，把低温热源的热量提高到中温，从而提高系统能源的利用效率。

图3为单效溴化锂吸收式热泵的工作原理：热泵由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液热交换器、节流装置、溶液泵及冷剂泵等组成；为了提高机组的热力系数，还设有溶液热交换器；为了使装置能连续工作，使工质在各设备中进行循环，因而，还装有溶液泵、冷剂泵及相应的连接管道、阀门等。

图3 吸收式的热泵换热机组

2.3 实际运行与设计参数对比

通过表3可以看出实际出力未达到设计值，具体是因为：①由于区域能源是独立的热网，热网回水温度比较难控制，热网回水温度高于设计值；②由于北京京能未来燃气热电有限公司投入外置式扩大省煤器运行，使烟气温度提前降至70℃左右，低于设计入口烟温。

2.4 该项目的创新点和关键技术

2.4.1 该项目的推广优势点。①燃气蒸汽联合循环机组国际上首次使用此技术；②将烟气出口温度降低到露点以下；③燃气电厂国内第一座直接接触式换热塔；④充分吸收烟气余热，提高供热能力24%；⑤节水，可收集冷凝水约12万t/a；⑥与主机同步设计、一体化实施，降低了项目实施的成本。

2.4.2 该项目的关键技术应用

2.4.2.1 重大装备的应用。第一，大功率烟气冷凝换热器的应用。图4为直接接触式换热器结构图，喷淋式直接接触式冷凝原理的热回收，一般以水作为热的载体，向烟气中喷入比烟汽水蒸气露点温度更低的水，烟气与水直接接触换热，二者之间不仅伴随有显热交换，而且伴随着潜热交换。同时，烟气中各种组分与水接触的界面上吸附吸收，对延期具有洗涤净化作用。从热力学角度，在烟气与水直接接触换热过程是动量、热量、质量传递同时发生并且相互耦合、交叉影响，是负责的不可逆热交换过程。

图4 新型烟气冷凝换热器——直接接触式换热器三维仿真结构

采用喷淋式直接接触换热方式的优势在于：极大地增加了烟气-水两相流体的接触面积，瞬间完成传热和传质，达到强化换热，提高效率。

利用直接接触式换热器实现气-水换热的优点：①换热效率高，端差小，有利于降低热泵成本；②体积小、质量轻、成本低；③易防腐、寿命长，冷凝水集中处理回收。

第二，利用专用吸收式热泵（见图5）回收烟气余热。利用专用吸收式热泵回收烟气余热的优点：①根据供热工况设计，满足初末寒期和严寒期的变工况要求；②具备一键运行、自动调节的功能，自适应锅炉负荷；③完善的防腐措施；④两级蒸发的特殊流程-增大冷却水的温降，深度回收烟气余热。

表4 污染物排放

表5 节约燃料量

图5 现场实拍吸收式热泵机组

2.4.2.2 烟气余热回收系统及设备防腐蚀问题。①冷却水与烟气直接接触换热，省去巨大的传热面积，避免了腐蚀问题，同时降低了流动阻力，提高了传热效率；②喷淋塔的壳体利用陶瓷粉末涂料来防腐，并且申请有2项发明专利；③热泵——抗腐蚀最强的材料。

3经济及社会效益、结论

尽管燃气是一种清洁能源，但仍然含有大量的CO2，少量的NOX及SO2。采取余热回收后，相应可减少天然气的燃烧和CO2、NOX的排放，减少的污染排放量见表4。

烟气余热深度节能效果明显。烟气余热利用投产后，供热量208MW,提高到256MW，回收利用冷凝水约12万t。按照年利用小时数2 873h计算，可以计算年回收总热量，以及热量折合天然气与标煤量见表5。

由此可见，其社会效益方面：第一，可减少天然气燃烧过程中CO2、NOX的污染排放。CO2年减排为3.1万t，NOx年减排为31.47t。第二，降低了烟气排烟温度，回收了大量水蒸气，防止烟囱冒白烟现象，降低对周边环境的影响。经济效益方面：背压工况下烟气余热深度利用节能折合天然气：1 622万Nm3（设计工况），折合经济效益3 650万元（设计工况）。

北京京能未来燃气热电有限公司2014-2015供暖季经济效益：由于该公司2014-2015供暖季机组为连续运行，余热利用机组还处于调试期，2台热泵机组只运行了465h，供回收余热3 055MW。节能折合天然气量35.8万Nm3，经济效益计算：35.8×2.25=80.55万元。

总之，烟气余热深度利用投产后，供热能力提高48MW；可收集冷凝水约12万t/a，减少了电厂的用水量；大大降低大气污染物的排放，减少了温室气体CO2的排放，改善了北京地区的空气质量。

［1］ 李翠洁.天然气锅炉烟气余热回收系统优化配置研究［D］.北京：北京建筑大学，2015.

［2］ 陈康，赵岩，王随林，等.热电厂排烟余热深度回收利用模拟试验与节能分析［J］.暖通空调，2013（3）：53-58.

Application of Flue Gas Waste Heat Recovery and Utilization System Based on Spray Condensation Type

Wang YanlinChen Zhen
（Beijing Jingneng Future Gas Power Company Limited，Beijing 102209）

For the problem of Gas-steam combined cycle unit HRSG final heating surface corroding,recover⁃ing difficultly flue gaslatent heat in flue gas condensation,this paper introduced a waste heat recovery and utilization system based on spray condensation type,cold water of the spray tower and flue gas directly heat transfer,recovering the most sensible and latent heatin flue gas,the absorbed heat is used for heating a heating backwater by absorption heat pump,in order to achieve the purpose of energy-saving and emis⁃sion-reduction.

flue gas waste heat recovery；spray absorption type；flue gas latent heat；flue gas dew point

TU995

A

1003-5168（2017）11-0081-04

2017-10-09

王彦琳（1982-），男，工程师，本科，研究方向：热能动力及供热、制冷；陈振（1984-），男，本科，助理工程师，研究方向：热能动力及供热。