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【论文精选】热电厂烟气和循环冷却水余热利用技术途径

2019-03-18 08:35 13

作者:张若瑜,王海超,李祥立,端木琳

第一作者单位:大连理工大学

摘自《煤气与热力》2019年3月刊

1   概述

热电联供可实现一次能源的梯级利用和具有较高的整体能效,尽管如此,在热电生产过程中仍存在大量低品位余热未被有效利用的情况,尤其是锅炉的烟气余热和凝汽器循环冷却水(本文简称循环水)余热没有得到充分利用。

电厂燃煤锅炉的省煤器、空气预热器仅能回收烟气中部分显热,烟气中的大量潜热未被有效利用

[1]

。同时,循环水余热一般直接通过冷却塔(集中设置在空冷岛)散失在环境中,未得到有效利用

[2]

。近年来,采用汽轮机低真空运行技术提高凝汽器循环水的出水温度直接用于供热的方式在热电厂得到了部分应用,但该类技术的供热效果受到机组运行参数的制约,而且凝汽器内真空度的改变会对机组本身造成安全隐患。本文对热电厂烟气余热回收在烟气脱白工艺中的应用和循环水余热回收的研究进展和技术手段进行综述。

2   烟气余热回收在脱白工艺中的应用

目前,国内大多数燃煤热电厂的烟气在向外界排放前均会经过湿法脱硫,处理后的烟气具有低温高湿的特点,温度通常为45~55 ℃,含有12%~16%的水蒸气

[3]

,在脱硫过程中部分可溶性颗粒物、粉尘、硫化物等易溶解在水蒸气中。若将湿法脱硫后的烟气由烟囱直接排至大气,由于环境温度及含湿量低,烟气会迅速降温,其中的水蒸气将凝结成湿烟羽,即“冒白烟”现象,对大气造成污染。

传统烟气余热回收技术手段通常将余热用于锅炉的回热系统中,余热利用途径较为单一。根据烟气脱白机理,将烟气余热用于脱白工艺,成为烟气余热另一条利用途径。

2.1  烟气再热法

烟气再热法是利用未经处理的高温烟气加热脱硫处理后的低温高湿烟气,通常采取间接换热的方式,主要以烟气再热器(Gas-Gas Heater,GGH)、中间热媒体烟气换热器(Media Gas-Gas Heater,MGGH)两种换热装置为主。自20世纪80年代,国内初期建设的热电厂脱硫工艺中均安装了烟气再热器,以实现烟气脱白。采用GGH的烟气脱白工艺见图1。由图1可知,未经处理的高温烟气先进入热管换热器与经过脱硫处理的低温高湿烟气进行换热后进入脱硫装置脱硫,脱硫装置出口的低温高湿烟气经热管换热器加热后排至烟囱。

1   采用GGH的烟气脱白工艺

采用MGGH的烟气脱白工艺流程见图2。空气预热器出口未经处理的高温烟气经烟气冷却器与换热介质换热后进入电除尘器进行除尘,然后进入脱硫塔。经脱硫处理后,低温高湿烟气进入烟气再热器被换热介质加热升温(排烟温升有利于烟气在排放时的抬升高度)。由于烟气冷却器布置在除尘器之前,使烟气中的酸性蒸汽在冷凝后同粉尘颗粒的碱性物质相结合,有利于被除尘器捕捉,从而去除部分硫化物,以减小后续设备受到低温酸腐蚀。

2   采用MGGH的烟气脱白工艺流程

无论是采用GGH,还是采用MGGH的烟气脱白工艺,本质上仅利用未经处理的高温烟气余热提高了排烟温度,但排烟中的水蒸气含量并未显著降低,

无法实现排烟除湿

[4]

,处理过程中存在低温酸腐蚀情况。为解决低温酸腐蚀问题,需要采用材料成本较高的换热设备,环境效益与经济效益存在矛盾。

2.2  烟气冷凝法

对湿法脱硫后的低温高湿烟气通过降温冷凝的方法回收烟气中的水蒸气,是实现烟气脱白的另一种思路。利用间接接触式换热器处理低温高湿烟气,需要较大的换热面积和较高的防腐要求。而采用喷淋式直接接触式换热器的烟气冷凝除湿系统(工艺流程见图3)具有余热回收效率高、回收凝结水量大、净化效果好等优点

[5]

3   采用喷淋式直接接触式换热器的烟气冷凝除湿系统工艺流程

脱硫后的低温高湿烟气进入喷淋式直接接触式换热器,与低温喷淋水以逆流形式进行直接接触时传热传质,烟气流动方向自下往上,喷淋水从上往下喷淋,烟气中的水蒸气放热凝结后与喷淋水送至水处理装置。经喷淋式直接接触式换热器除湿后的烟气,从换热器顶部排出。在除湿过程中,低温高湿烟气内残留的颗粒物、粉尘以及硫化物也会溶解在喷淋水中,烟气得到了进一步净化。

近年来,部分学者提出了吸收式热泵结合喷淋式直接接触式换热器的燃煤热电厂烟气余热回收系统

[6]

,工艺流程见图4。将喷淋水吸收的烟气余热作为吸收式热泵的低温热源加热热网回水,该系统可制取20 ℃左右的低温喷淋水用于与烟气换热,提高了换热效率和除湿效果。魏茂林等人

[7]

将该系统用于燃煤热电厂中,实测结果表明脱硫后的烟气温度由50 ℃降至39 ℃,余热回收量可观,烟气中二氧化硫、氮氧化物的排放量进一步降低。虽然烟气冷凝法实现了烟气脱白,并使得烟气余热得到了合理利用,但由于排烟温度过低,易导致排烟抬升高度降低,不利于污染物的扩散。

4   吸收式热泵结合喷淋式直接接触式换热器的燃煤热电厂烟气余热回收系统工艺流程

2.3  烟气冷凝再热法

烟气冷凝再热法是一种解决烟气脱白的新工艺,通过采用多组不同的换热器,实现不同烟温段烟气余热的合理利用。烟气冷凝再热系统工艺流程见图5。在采用MGGH的烟气脱白工艺的基础上,在脱硫装置前设置烟气冷却器2,在脱硫装置后设置喷淋式直接接触式换热器。锅炉尾部高温烟气依次通过烟气冷却器1、干式电除尘器、烟气冷却器2、脱硫装置、喷淋式直接接触式换热器、烟气再热器,完成冷凝至再热升温的全过程。设置两组烟气冷却器可以将进入脱硫装置前的烟气梯级冷却至70~80 ℃,保证了脱硫装置的工作效率。在满足排烟温度要求和系统稳定性的前提下,换热介质管路可以耦合锅炉回热装置或热网加热装置,将富裕热量用于加热锅炉凝结水或热网回水。此外,与采用MGGH的烟气脱白工艺相比,进入烟气再热器内的烟气含湿量较低,升温所需热量比较低。通常,烟气再热器出口烟气60 ℃即可达到排烟要求,减少了烟气再热器的换热面积。

5   烟气冷凝再热系统工艺流程

舒喜等人

[8]

提出了烟气冷凝再热技术在热电厂烟气脱白的应用,以某300 MW燃煤热电机组为例,与采用MGGH的烟气脱白工艺进行分析比较。研究表明,烟气冷凝再热脱白工艺的节能、节水、减排效果更好。

3   热电厂循环水余热利用途径

传统的低真空运行技术存在热电耦合的问题,凝汽器内真空度的改变易影响发电机组运行参数,存在一定的安全隐患,因此仅适用于热负荷较小且稳定的供热系统

[9]

。循环水余热属于低品位热能,但蓄热量大、水质比较好,运用热泵技术回收循环水余热用于集中供热,不仅节能效果显著,还可以降低电厂对外界的热湿污染。按照热泵的驱动能源不同,可将用于热电厂循环水余热回收的热泵分为吸收式热泵、电驱动热泵。

3.1  吸收式热泵

发达国家如日本、美国对于吸收式热泵用于回收工业废热余热的研究起步较早。近年来,国内也开始推广吸收式热泵回收热电厂循环水余热,用于集中供热

[10-11]

。典型的吸收式热泵供热系统工艺流程见图6。吸收式热泵以汽轮机抽汽为驱动热源,以循环水作为低温热源,热网回水先经过吸收式热泵经第一次温升,随后进入热网加热器利用汽轮机抽汽对其进行第二次温升,达到供水温度。受限于热泵机组容量等原因,循环水余热通常难以全部回收,因此部分循环水仍将被送至冷却塔降温。许国春等人

[12]

的研究表明,采用吸收式热泵时,合理的余热回收方案可显著提高电厂的能源利用率和整体经济效益。

6   典型的吸收式热泵供热系统工艺流程

吸收式热泵余热回收系统的运行效率受到抽汽参数、低温热源温度以及热网水温的限制,制热效率较低,提高余热回收效果是当前研究的热点问题。降低热网回水温度是提高吸收式热泵回收循环水余热能力的一种思路

[13-14]

,可通过在各热力站内设置吸收式换热机组(由吸收式热泵与板式换热器组成),取代传统的水-水换热器,可在保证供水温度不变的前提下大幅降低热网回水温度,实现大温差供热。

另一种思路是通过增设烟气余热回收装置提高余热回收量,最大限度地实现余热的梯级利用。刘媛媛等人

[15]

提出了一种增设烟气余热回收装置的吸收式热泵供热系统,工艺流程见图7。在典型吸收热泵供热系统的基础上,采用高温吸收式热泵机组代替热网加热器,并增设烟气余热回收装置(用于回收烟气余热)。两台吸收式热泵(第一级吸收式热泵可以采用双效机组)均以汽轮机抽汽为驱动热源,凝汽器出口处的循环水经过烟气余热回收装置吸收烟气余热后,依次进入两级吸收式热泵。热网回水经两级吸收式热泵机组加热后,温升至供水温度。

7   增设烟气余热回收装置的吸收式热泵供热系统工艺流程

3.2  电驱动热泵

国外基于以下原因,将电驱动热泵应用于热电厂循环水余热回收领域

[16-17]

:电驱动热泵的制热效率要远高于吸收式热泵。吸收式热泵回收循环水余热的效果受到机组抽汽参数的限制,而电驱动热泵直接以电力驱动,控制方便,调节能力更强。电驱动热泵消耗电能,具有成为电力调峰手段的潜力

[18]

国内针对电驱动热泵在热电厂循环水余热回收方面的研究很少,主要原因在于国内普遍认为较高的电价易导致经济性较差;热电厂以热定电的运行方式,往往导致用热高峰期发电量过剩,对于风力发电区域易引发“弃风”。研究表明,配置蓄热装置的热电联供系统,可大幅提高消纳风电的能力

[19-20]

。电驱动热泵联合蓄热装置的供热系统工艺流程见图8。

8   电驱动热泵联合蓄热装置的供热系统工艺流程

在电负荷低谷期(往往对应热负荷高峰期),蓄热罐向外放热,储存的高温水由顶部送入热网供水管道中,部分热网回水由底部进入蓄热罐内。电驱动热泵回收循环水余热,配合热网加热器加热部分热网回水。该阶段,以电驱动热泵制热为主,热网加热器加热为辅,风电上网空间增加。

在电负荷高峰期(往往对应热负荷低谷期),蓄热罐蓄热,部分热网供水由顶部进入蓄热罐,蓄热罐内的低温水从底部汇入热网回水中,热网加热器制热功率增加,电驱动热泵配合完成蓄热罐储热量与用户热负荷需求。

4   结论

利用烟气余热的烟气脱白工艺包括烟气再热法、烟气冷凝法、烟气冷凝再热法,烟气冷凝再热法通过多组不同的换热器,实现烟气余热的合理利用。热电厂循环水余热利用途径可分为吸收式热泵利用、电驱动热泵利用。为实现供热,吸收式热泵与热网加热器联合运行,或采用多台吸收式热泵梯级加热热网回水。电驱动热泵制热能效比高,可消纳风电。

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