吸收式热泵在燃气锅炉烟气余热中的应用案例分析

王玉山

山东莱钢永锋钢铁有限公司山东省德州市251100

摘要：开式吸收式热泵具有结构简单、低品位热能驱动、省电等优点，推广利用该技术，对解决目前面临的城市热源不足及提高工业能源利用效率具有重要意义，但运行中存在设备腐蚀、不凝性气体等问题。总结国内外开式吸收式热泵的研究进展，其应用领域涉及供暖、空调、制冷及工业生产，处理气流包括空气、燃烧后烟气，驱动热源包括太阳能、生物质锅炉、天然气锅炉及电厂锅炉等集中热源和分布式能源，结构形式多样化；简述开式吸收式热泵在工业余热，特别是天然气锅炉烟气余热和湿法脱硫电厂饱和烟气潜热和水回收领域中的应用；分析运行中出现的溶液腐蚀、不凝气气体及设备堵塞问题，提出解决方案。

关键词：开式吸收式热泵；余热；烟气

引言

我国能源结构正向清洁低碳方向转型，天然气用能设备迅速发展，燃气的高效利用已成为当今节能的重要课题。普通燃气锅炉等热能动力设备排烟温度约为150～250℃，排烟热损失达到20％以上，造成能源浪费和环境污染。目前市场上应用最多的燃气锅炉能量回收方法是在锅炉尾部加装烟气余热利用回收装置，由于受被加热介质的温度限制，即供暖回水温度一般较高，经烟气余热回收利用装置后排烟温度仍在55℃以上，烟气中还有近一半的余热未被回收利用。可见，若仅用烟气余热回收利用装置来回收烟气余热，其节能潜力是有限的。

1.开式吸收式热泵国内外应用

1.1太阳能驱动开式吸收式热泵进展

公认的最早的开式吸收式热泵是1955年提出的以太阳能为再生热源的开式液体干燥制冷系统，工质为三乙烯乙二醇，吸收空气中的水蒸气。2011年，沙特阿拉伯的伊塔夫大学联合埃及的艾斯尤特及曼苏拉大学在溶液除湿再生和太阳能利用的基础上也提出了利用太阳能的开式吸收式制冷循环，并对发生器建模。太阳辐射模型采用项目所在地的实时辐射情况建立，在软件平台上求解系统方程，分析了回热器长度、溶液流率、浓度、空气流率对系统性能的影响。

1.2天然气驱动开式吸收式热泵研究进展1992年意大利用开式吸收式制冷系统对房间空气进行调节。该系统以天然气作为加热源，对浓溶液再生。冬季模式下回收利用烟气余热，新风经吸收器后除湿空气、浓溶液加热后，与部分回风混热，吸收冷凝热与烟气余热后用于房间供暖。燃料烟气与部分室内排气混合，经吸收器除湿释放出汽化潜热并加热新鲜空气后排出，一次能源效率为1.2～1.3。夏季情况下，燃料释放烟气直接排放，室内空气的湿负荷由喷淋室承担，送风由三部分组成，分别回收除湿回风、浓溶液热量及排风热量后的新风及经吸收器除湿，释放显热后又加湿后的回风。一次能源效率为1.2～1.4。Lazzarin等[11]分析了开式吸收式热泵用于回收天然气余热的效益，烟气余热加热再生器和入口空气，一次能源系数大于1.3，高于结构复杂的闭式吸收式热泵系统和蒸汽压缩式电动热泵。

1.3生物质锅炉烟气净化和能量回收

瑞典吕勒奥大学能源工程部采用开式吸收式热泵技术，对生物质锅炉烟气净化和能量回收进行了研究。高温烟气驱动发生器后进入主烟道，湿烟气进入吸收器中与喷淋浓溶液进行热质交换后排出系统。实验结果表明，排出烟气中粉尘比普通的生物质锅炉减少了33%～44%，并且当采用湿燃料时产热量提高40%，提高了锅炉效率，达到保护环境的目的。对开式吸收式热泵在实验室条件下进行了测试，溶液与湿空气采用叉流方式流过吸收器，空气速度超过2m/s时，液滴夹带现象严重，除雾器能显著消除该影响，吸收过程主要发生在填料塔的1/4段内，吸收器采用两级结构，级间采用隔板分开，每级结构液位高低不同，低液位吸收器外部设置过滤器；每级吸收器外置溶液/水换热器，稀溶液经喷淋泵升压后换热冷却，然后进入吸收器吸收烟气中的水分。热网回水依次吸收溶液吸收热、蒸汽冷凝热、锅炉燃料热量送入热用户。

1.4电厂中的应用

山东建筑大学张亮等针对目前热电企业面临的供热能力不足、余热利用有限等问题，将开式吸收式热泵技术应用于热电联产系统中，是以汽轮机抽汽为驱动热源，利用溴化锂溶液的吸收特性吸收乏汽中的热量，进而提高供热管网热水，满足供热需求，理论计算出在供暖季节工况下的能耗和制热量，其COP为1.73，不改变现有规模，可提高供热能力73%，大幅提高了冬季供热系统的供热能力。对比分析表明，在供热负荷超过60MW时，其经济效益明显大于低真空供暖能力；同时对影响开式吸收式热泵的多种因素进行了分析。

开式吸收式热泵在烟气余热回收中的应用我国工业余热资源从其来源可分为高温烟气余热和冷却介质余热等6类，高温烟气余热在余热总资源中高达50%，因此回收这部分资源的意义非常重大。高温烟气余热数量大、分布广，如在冶金、化工、建材、机械、电力等行业各种冶炼炉、加热炉、内燃机和锅炉的排气排烟。有些工业窑炉的高温烟气余热量甚至高达窑炉本身燃料消耗量的30%～60%。

2、天然气锅炉中的应用

目前，开式吸收式热泵的研究主要集中在燃气锅炉的烟气冷凝热回收利用方面为解决我国天然气供需矛盾，一方面采用先进动力循环提高天然气的利用效率，如燃气蒸汽联合循环和湿空气透平循环等；另一方面回收排烟余热。天然气余热包括显热和潜热，受热力排烟的影响，烟气温度不能过低，有限温降内烟气可利用显热有限。天然气的主要成分为甲烷，燃烧后会产生大量水蒸气，对于过量空气系数较低的燃气系统，其排烟中蒸汽体积成分可达20%（，水的汽化潜热占到天然气低位发热量的10%左右，如能回收利用这部分潜热，将较大地提高系统能效。中国科学院工程热物理研究所。针对HAT循环、水回收问题展开了开式吸收式热泵的理论和部件实验研究，设计了内冷型和绝热型吸收器，并对盐溶液的腐蚀问题提出了有效的解决方式。

3、开式吸收式热泵用于脱硫烟气深度处理流程

我国正处于经济高速发展阶段，从而带动了电力工业的快速发展。在今后相当长的时间内，电力工业将以火力发电为主，由此带来的环境影响问题不容忽视。目前，为了减少烟气中SO2有毒气体的排放，多数电厂采用湿法烟气脱硫系统，但是排出系统之后的烟气处于饱和状态，含有大量蒸汽，在环境温度较低时，凝结水汽会形成白色的烟羽，而且气象扩散条件不好时，烟囱出口会形成冷凝水滴，不仅会造成水资源和能量的浪费，增加循环运行费用，而且污染环境。开式吸收式热泵能够同时回收烟气中的水蒸气和汽化潜热。

结束语

开式吸收式热泵利用溶液的热力学性质进行能量的转换，结构简单，可以采用低品位的热能驱动，在工业余热回收利用及分布式能源中具有广阔的应用前景，其应用领域涉及供暖、空调、制冷等。开式吸收式热泵结构多样化，适用于工业生产生活各方面，为推广该技术的应用，总结国内外开式吸收式热泵的研究进展，分析开式吸收式热泵在工业余热，特别是天然气锅炉和燃煤电厂锅炉湿法脱硫后烟气余热回收领域中的系统结构形式，建议针对运行中出现的溶液腐蚀问题采用改进溶液物性及采用电化学方法对金属表面处理，选择合适的真空泵排除系统内不凝气气体，并用微滤过滤器防止设备堵塞。

参考文献

[1]张春青.第二类吸收式热泵在分布式能源系统中的应用研究[D].合肥工业大学,2014.

[2]祝侃.降低供热系统能源品位损失的分析与研究[D].清华大学,2014.

[3]杨石,顾中煊,罗淑湘,钟衍.我国燃气锅炉烟气余热回收技术[J].建筑技术,2014,11:976-980.

[4]龚方远.电站低压省煤器热经济性分析[D].重庆大学,2014.