冷凝式鍋爐與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)

    1 引言

    我國(guó)北方地區(qū)一直以傳統(tǒng)的燃煤、燃油采暖，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市規(guī)模的擴(kuò)大，這些傳統(tǒng)的采暖方式的缺點(diǎn)越來(lái)越突出，不能適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求，據(jù)統(tǒng)計(jì)燃煤采暖已經(jīng)成為北方城市冬季空氣污染的罪魁禍?zhǔn)?。如北?999年北京市終端能源消費(fèi)量為3828萬(wàn)噸標(biāo)煤，其中煤炭消費(fèi)量2011萬(wàn)噸；約占終端能源消費(fèi)量的53%，是造成大氣污染的主要根源[1]。為了避免尾部受熱面的低溫腐蝕，傳統(tǒng)的燃煤供熱鍋爐排煙溫度通常高于150℃，蒸汽鍋爐甚至高于200℃，大多數(shù)燃?xì)鉄崴仩t的排煙溫度在140℃-200℃之間。過(guò)高的排煙溫度不僅耗費(fèi)了大量的能源，而且提高了鍋爐的運(yùn)行成本[2，3]。因此對(duì)于這些地區(qū)探索出一些潔凈，節(jié)能高效的采暖技術(shù)就具有非?，F(xiàn)實(shí)而重要的意義，并逐漸成為工程界、學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

    為此，20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，西歐和美國(guó)等相繼研制了冷凝式鍋爐，即在傳統(tǒng)鍋爐的基礎(chǔ)上加設(shè)冷凝式熱交換受熱面，將排煙溫度降到40-50℃，使煙氣中的水蒸氣冷凝下來(lái)并釋放潛熱，可以使熱效率提高到100%以上（以低位發(fā)熱量計(jì)算）；同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，在煙氣冷凝時(shí)，煙氣中的SOx、NOx、CO2、CO 以及飛灰和煙塵能部分或者全部溶解于水中，這樣就使排入大氣中的有害物質(zhì)大大減少，有利于環(huán)保[2，3]。因此，采用冷凝式鍋爐對(duì)節(jié)能和環(huán)保都具有非常重要的意義。但是我國(guó)采用傳統(tǒng)95/70℃閉式供熱系統(tǒng)，相當(dāng)多的鍋爐按80/70℃運(yùn)行[4]。當(dāng)采用潔凈燃料天然氣時(shí)，煙氣的露點(diǎn)溫度一般在55℃左右，要通過(guò)原有供熱系統(tǒng)的回水去完成煙氣的冷凝是不可行的。并且較高溫度的排煙，相對(duì)于用空氣源熱泵采暖的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)是較好的低溫?zé)嵩碵5]。針對(duì)冷凝式鍋爐應(yīng)用于我國(guó)傳統(tǒng)供熱存在的問(wèn)題，為了達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的，介紹國(guó)外廣泛應(yīng)用的煙氣的余熱回收系統(tǒng)—冷凝式鍋爐與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)。

    2 冷凝式鍋爐與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)

    冷凝式鍋爐與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)不僅利用了冷凝式鍋爐節(jié)能和環(huán)保的原理，還利用了熱泵提高低品位熱能到高品位熱能的原理。在該系統(tǒng)中為了使熱泵系統(tǒng)盡可能的回收較低品位的熱能，減少熱泵系統(tǒng)裝機(jī)容量和電耗，做到盡可能的節(jié)能，先將熱網(wǎng)回水與來(lái)自冷凝式鍋爐本體高溫的排煙進(jìn)行換熱，使煙氣冷卻至一定的溫度，再將低溫的煙氣通過(guò)冷凝換熱器（為防腐材料，如不銹鋼），回收煙氣中的部分潛熱和顯熱。為了維持熱泵蒸發(fā)端低溫?zé)嵩礈囟鹊姆€(wěn)定性，并減小蒸發(fā)端的傳熱平均溫差，采用煙氣先通過(guò)間壁式冷凝換熱器（如板式、管式等）或接觸式冷凝換熱器（如液柱式、填料式等），用低溫水（冷卻水）先與煙氣換熱，再將被加熱的冷卻水用水泵抽送到熱泵的蒸發(fā)端，和熱泵工質(zhì)(如R11等)發(fā)生熱交換。下面介紹冷凝換熱器與熱泵聯(lián)合熱能回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)有兩種型式：如圖1間壁式冷凝換熱器與熱泵聯(lián)合熱能回收系統(tǒng)和圖2接觸式冷凝換熱器與熱泵聯(lián)合熱能回收系統(tǒng)。

圖2 接觸式冷凝換熱器與熱泵聯(lián)合熱能回收系統(tǒng)
1-鍋爐本體 2-冷凝用煙氣通道 3-煙氣旁通通道 4-排煙至煙囪通道 5-接觸式冷凝熱交換器 6-煙氣冷卻器7，15-來(lái)自區(qū)域熱網(wǎng)的回水 8-冷卻水循環(huán)泵9-處理液循環(huán)泵10-污水排放管 11-水處理器 12-熱泵蒸發(fā)器 13-壓縮機(jī) 14-熱泵冷凝器 16-節(jié)流閥

    在圖1中，間壁式冷凝換熱器與熱泵聯(lián)合熱能回收系統(tǒng)除鍋爐本體的換熱外，存在四個(gè)熱交換過(guò)程：（1）在煙氣冷卻器8中，高溫?zé)煔夂蛠?lái)自區(qū)域熱網(wǎng)的回水之間的熱交換過(guò)程；（2）在間壁式冷凝換熱器5中，來(lái)自煙氣冷卻器的低溫溫?zé)煔馀c冷卻水（熱泵的低溫?zé)嵩矗┲g的熱交換過(guò)程；（3）在熱泵的蒸發(fā)器10中，來(lái)自間壁式冷凝換熱器的冷卻水與熱泵低溫工質(zhì)之間的熱交換過(guò)程；（4）在熱泵的冷凝器13中，熱泵高溫工質(zhì)與來(lái)自區(qū)域熱網(wǎng)的回水之間的熱交換過(guò)程。在冷凝式換熱器5產(chǎn)生的冷凝水通過(guò)待處理的冷凝液排放管6排放，在冷凝式換熱器5中被冷凝的煙氣和來(lái)自旁通煙道3的煙氣混合，進(jìn)入煙囪。

    在圖2中，接觸式冷凝換熱器與熱泵聯(lián)合熱能回收系統(tǒng)與間壁式系統(tǒng)顯著區(qū)別在與煙氣的冷凝換熱器，采用接觸式換熱器，煙氣與冷卻水發(fā)生直接接觸換熱，并且冷卻水受到污染，需要定時(shí)處理和進(jìn)行排污。

    間壁式冷凝換熱器和接觸式冷凝換熱器在國(guó)外都得到了利用，它們各自有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。如間壁式具有煙氣與水分離，水質(zhì)無(wú)污染，但換熱存在較大溫差，受結(jié)構(gòu)尺寸限制，換熱面積有限，存在間壁熱阻和污垢熱阻，換熱效率低等。接觸式具有氣液兩相離散接觸，傳熱溫差小，換熱面積大大增大，煙氣中污染物得到清洗，利于環(huán)保，但水質(zhì)受影響，需處理等。

    3 冷凝式鍋爐與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)的應(yīng)用

    在國(guó)外，采用先進(jìn)的方法回收煙氣中熱能的系統(tǒng)得到了大力的發(fā)展，冷凝式鍋爐與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)廣泛的用于諸如區(qū)域供熱鍋爐房，尤其是使用如生活垃圾、碎木屑等比較濕的燃料以及天然氣為燃料的鍋爐房[6，7，8]。例如，1985年瑞典在其大的城市垃圾焚燒廠（位于東南部的烏普薩拉市）安裝了一套回收熱能為20MW的冷凝式鍋爐與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)。安裝主要設(shè)備的投資（包括安裝）及余熱回收的年效益如表1[2]。

表1主要設(shè)備的投資（包括安裝）及余熱回收的年效益

    通過(guò)經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，雖然初投資較大，但與通過(guò)建立一個(gè)鍋爐來(lái)增加產(chǎn)熱量所用的資金相比，所用的投資都是較低的，并且它在提高熱生產(chǎn)效率的同時(shí)，除去煙氣中的酸性氣體和汞，因此從節(jié)能和環(huán)保的角度來(lái)說(shuō)，這將是十分有利的。因此在一些急需擴(kuò)建，改造和新建的集中供熱鍋爐房中，采用冷凝式鍋爐與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)，應(yīng)是一種節(jié)能環(huán)保的方式。

    根據(jù)《北京市城市熱網(wǎng)集中供熱設(shè)施建設(shè)“九五”計(jì)劃及2010年發(fā)展規(guī)劃》，現(xiàn)有一熱和二熱等7家熱源廠將改擴(kuò)建，設(shè)計(jì)供熱面積將增加592萬(wàn)平方米。另擬新建2個(gè)熱電廠，新增供熱規(guī)模1000萬(wàn)平方米左右。 2005年熱力供熱面積預(yù)期達(dá)到8359萬(wàn)平方米，占市建筑面積的31.13%[1]。并且北京開(kāi)始以環(huán)境評(píng)價(jià)為中心目標(biāo)，重點(diǎn)分析各種供熱方式對(duì)環(huán)境保護(hù)帶來(lái)的影響，并將之作為分析比較的基準(zhǔn)點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)兼顧能源利用效率、資源利用、投資和經(jīng)濟(jì)效益等因素的研究，因此在該地區(qū)實(shí)行冷凝式鍋爐與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)的研究具有重要的意義。并且在燃燒清潔燃料天然氣時(shí)，在理論上每標(biāo)準(zhǔn)立方米約可產(chǎn)生1.6kg的冷凝水，如WNS4.2-1.0/95/70-Q型熱水鍋爐的燃料消耗約為440Nm3/h，如果產(chǎn)生的水蒸氣的60%被冷卻下來(lái)，可產(chǎn)生440×1.6×0.6=422.4kg/h 的水，可以看出所獲得的水量是可觀的。如果采取措施對(duì)這一部分水加以利用，對(duì)一些缺水地區(qū)無(wú)疑會(huì)產(chǎn)生積極的作用 [2，9]。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    冷凝式鍋爐與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)是一種高效節(jié)能和環(huán)保的熱能回收系統(tǒng)，針對(duì)我國(guó)目前供熱現(xiàn)狀：污染嚴(yán)重，熱量不足，急需擴(kuò)建和新建一些鍋爐房資金緊缺等問(wèn)題，采用冷凝式鍋爐與熱泵聯(lián)合系統(tǒng)應(yīng)是一種值得探討和應(yīng)用的節(jié)能和環(huán)保方式。該系統(tǒng)還能能產(chǎn)生可觀的冷凝水，這一部分水可以加以處理并利用，可作為一些水質(zhì)要求不高的工業(yè)用水和畜牧用水。并且該系統(tǒng)的熱泵部分在夏季也能給用戶提供冷量，作小型的中央空調(diào)使用，具有更大的節(jié)能性。