1、用 空气源热泵热水器吸收烟气余热的 意义和 可行性 研究 摘要：分析了现代火力发电站热能利用效率低的原因，得出烟气的排放温度高于环境温度（即初始锅炉的进气温度）是其效率低的主要原因，同时提出用高效率的空气源热泵热水器对余热进行回收， 并对其分别从技术和经济的可行性方面做了研究。设备 产生的热水创造了经济价值，同时提高了能源的利用率， 响应了当今世界节能减排为主题的号召，更重要的是如果研究发现能将整个火力发电产业的能源利用率提高数个百分点，那其意义将是重大的。 关键词：烟气的余热利用 火力发电 能源利用率 的提高 空气源热泵的可行性研究 1 引言 锅炉烟气余热回收的意义 我选择的依据是 ，现在阶
2、段我国乃至全世界发电装置主要利用的是利用蒸汽动力循环装置，而蒸汽动力循环装置（无论是核电还是火力发电）的热能利用效率是很低的尤其是火力发电，受郎肯循环的限制热效率一般仅为 40%50%， 即使是实现热电联产并加入各种节能装置以后 其热利用效率也只能达到 60%,而 现代大型锅炉的热效率在 90%以上 ， 故能量利用效率低的原因不在锅炉，且继续提高其热效率是很困难的。 热量损失不可避免的主要原因是 烟囱 排烟热损失 ， 烟囱 排烟热损失 是各项损失中较大的一项， 可降低总能源利用率的 5-12，排烟温度的高低直接决定热利用效率的高低，排烟温度越高，排烟损失越大。一般排烟温度升高 15-20 ，就
3、会使排烟热损失升高 1，目前电厂排烟温度比设计值高 20 左右，降低排烟温度对提高电厂效率意义重大并有有很大的经济性 。 2 用空气源热泵热水器吸收烟气余热的技术可行性研究 （ 1） 烟气余热回收利用的 技术 可行性 前提 目前锅炉的排烟温度根据煤种不同，设计值在 110-160 ， 由于燃煤锅炉 的燃料在燃烧时会产生二氧化硫，因为它的 露点 是摄氏 150，低于这个温度，在锅炉尾部形成 “硫酸水 ”腐蚀金属，所以， 燃煤锅炉的设计排烟温度都是不低于 150 ，不高 于 160 。 温度较高，但这部分烟气中含 有的硫化物、硝化和物较多对其烟气余热利用装置的腐蚀性较大故最好先进行 脱硫脱校除尘处
4、理我们先假设用的是目前应用最广泛的 NID脱硫系统。 NID脱硫原理 ： NID烟气脱硫系统采用增湿灰循环烟气脱硫技术它是ABB公司在喷雾干燥烟气脱硫基础上发展起来的烟气脱硫方 法既借鉴了喷雾干燥脱硫的原理又克服了该技术使用制浆系统而产生的弊端，设备紧凑、占地小可方便地安装到原有机组上 。 NID工艺是以 SO：和消石灰 Ca(oH)：之间在潮湿条件下发生反应为基础的一种半干法脱硫技术。 NID技术常用的脱硫剂为 Ca0 Ca0在消化器中加水消化成 Ca(0H)：，再与布袋除尘器除下的大量循环灰相混合进入混合器在此加水增湿使得由消石灰与循环灰组成的混合灰的水分质量分数从 2增湿到 5左右然后以
5、流化风为动力借助烟道负压的引力导向进入直烟道反应器大量的脱硫循环灰进入反应器后由于有极大的蒸发表面水分蒸发很快在极短的时间内使烟气温度从 166左右冷却到 75左右同时烟气相对湿度则很快增加到40 50。 试验证明该系统在设计条件下运行时平均脱硫效率为 91 34出口烟尘质量浓度平均值为 35 0mg m，已经达到了国家的排放标准，故其对烟气余热利用装置 的腐蚀性是较低的，在我们可接受的范围内。 3 烟气余热回收装置的选择 由于从 NID烟气脱硫系统中出来的烟气温度冷却到 75左右属于温度较低的热源 低温余热具有热源温度较低、流量大烟气量稳定，烟气温比较恒定，常年保持在一定范围内的特点，将其回
6、收利用既能节约能源，又能保护环境 再加上目能源消耗给能源和环境都带来了巨大压力，开发利用低位可再生清洁能源是节能降耗的能源使用新模式。但一般的热量回收装置很难达满足目的， 经过技术分析，我们可以采用空气源热泵的方式。 空气源热泵热水器是新一代节能型热水器，其制热效率是电热水器的 2 3倍，在发达国家使用比例高达 80左右 ,然而我国在 2009年 9月 1日起实施的国家标准 GB T23137 2008(家用和类似用途热泵热水器的引导下，热泵热水器产品开始发展，市场份额在 2009年初不足 3， 2010年刚超过 5。 气源热泵热水器采用逆卡诺循环原理，在少部分电能的驱动下，以制冷剂为载体，实
7、现能量搬运的过程。 被称为第 4代热水器的空气源热泵热水器因环保、节能、运行安全等优点，正在引起广泛地重视。 三、【空气源热泵系统的应用】： 空气 源热泵的优势 a)集供热、制冷和热水系统为一体 b)如果利用预热水槽中的水可以节省 35的加热费用 c)由机械部件组成，使用寿命长，管路使用寿命可达 50年 d)与传统的供热、制冷装置尺寸差不多 e)减少能源消耗 10到 35，并且降低维护费用 f)冬季室内空气更加温暖，室温更加稳定，同时不存在其他系统中普遍存在的热、冷不均问题。 g)十分安静，提供了一个悦人的居室内外环境 h)没有嘈杂的风机打扰户外活动 i)没有明火，没有可燃性的燃料，也没有有潜
8、在危险的燃料储存罐 民用建筑 -经济性 是当今最为高效的一种家居供热和制冷系统 比其他供热系统的供热效率高 35到 70；比当今使用的空调的制冷效率高 20到 40 节约运行费用和维护费用 投资在很短的几年就可收回 正向现金流转，节约的能源远远超过系统的花费 一些公用事业公司为购买地源热泵的用户提供优惠或者奖励。 民用建筑 -环 境效益 通过有效的室内气候的调节，降低了热损失，节约了自然能源 使用工厂密封的冷冻系统，将对臭氧层的破坏降低到最小程度，而这种系统几乎不用或者从来不用再次充注。 关于商业建筑领域的应用 空气源热泵系统是一种为建筑物制热和制冷的经济、节能又环保的方法。 DOE和 EPA
9、对这项技术均表示认可。空气源热泵系统在每一个季节按照需求提供可靠的高质量的空调和热量。它不仅适合新建筑，同样适合于旧建筑的改造。灵活的按需设计使它成为学校，高层建筑，政府建筑，公寓和酒店几乎所有的商业建筑的一个很 好的选择。空气源热泵的低运行成本和维护费用，经久耐用和节约能源使它成为商业建筑的明智选择。 商业建筑 -地源热泵的优势 同时为同一建筑的不同部分供热和制冷 非常安静系统在运行时，使用者不会意识到。 可安装在复合区域，每一区域由各个房间的单独控制 机械占用空间减少 50至 80，使建筑设计更加自由 不需要掩藏和防止破坏外部设备，无房顶设备 管路使用寿命为 50年 全部为电动机械，避免了
10、多种公用事业的服务 无锅炉和机组的维护 地热交换换热器无需维护而且可以持续使用 40多年 4 烟气回收后热量的应用 可将 利用烟气 余热回收产生的 55 热水供给 整个发电厂工业园的生产、生活用水如果有剩余还可将其供给周围的住户和其他工业园区。 5 用空气源热泵热水器吸收烟气余热的经济方面可行性研究 现对进行如下计算 以我参观过的青岛东亿热电厂为例，东亿装机容量为三台 75t/h的循环流化床锅炉， 假设电厂 24 小时连续运转不停工，则电厂每天可产生的过热蒸汽量为 3 75 24=5400t 以每产生 1t 蒸汽需要燃烧煤 170kg, 则电厂每天所需燃烧的标煤量为 5400 170=9180
11、00kg 每燃烧 1kg 标煤需要空气 7 立方米空气，并且需要的过剩空气系数约为 1.1，则电厂每天所产生的废烟气量为 918000 7 1.1=7068600m 忽略烟气中湿度影响，在 350K时 ,空气的定压比热容cp=1.005kJ/(kg*K) 空气的 密度 为 1.293 (kg/m3)；以青岛市为例经查得青岛市的全年平均气温约为 12，则空气源热泵可设定可吸收的最低温度为 12；并由 从 NID烟气脱硫系统中出来的烟气温度冷却到 75左右 则空气源热 泵热水器可以吸收的热量为 7068600 1.293 1.005（ 75 12） =5.7868 108KJ 已知水的比热容为 4
12、.2KJ/(kg K),水的密度 为 1000(kg/m3)；水温在冬天平均约为 5夏天温度约为 25故可取水在一年中水的的平均温度为 15 目前我国市场上的空气源热泵热水器产品的出水温度在 50左右，如果出水温度达到 55，就会导致压缩机排气压力超出正常工作压力范围，不利于压缩机安全稳定运行，并且致使 COP偏低，进而导致一次能源利用率低于燃气热水器 故可 设定得到 50的热水，则可列出等式 q 1000 4.2 (50-15)= 5.7868 108KJ 求得该电厂一天中所产生的热水量 q 为 3937立方米 随着生活水平的提高，热水器现已成为人们生活中一项必需的基本设施，国外调查指出，人
13、均热水消耗量为 25 35L d，以三口之家为例每户每天的平均耗热水量为 30 3 1000=0.09m 那么这个方案如果实施起来，可供应的家庭数为 3937 0.09=43745 户 以此计算覆盖周围 5 公里范围内的生活用热水是没有问题的 虽然热泵热水器系统和热泵空调系统工作原理相同，但是运行工况更 恶劣、运行温度范围更宽。 图 l给出了该空气源热泵热水器 COP与热水加热温度的关系。由图 l可以看出， COP随着热水加热温度的升高而快速下降，当热水温度从 15升高到 55 时空气源热泵热水器的 C0P从 5 33降到了 2 47，降幅达54 空气源热泵热水器 COP随着烟气侧干球温度的升
14、高，热泵热水器的 COP也升高。同样，室外湿球温度或相对湿度对空气源热泵热水器的 COP也有较大的影响。可见， COP只有在确定的室外空气参数条件下才具有比较意义，或者说 单一的 COP并不能反映出烟气参数对热泵能效的影响。由 NID烟气脱硫系统中出来的烟气温度冷却到 75左右，同时烟气相对湿度则很快增加到 40 50。故可初步选定在该烟气余热回收条件下空气源热泵热水器 COP为 3. ， 由于电加热式热水器的能量转化效率约为 100%，故加热同样多的热水需要消耗 5.7868 108KJ 能量， 1kw*h=3.6*103KJ,故所需的用电量为 5.7868 108 3.6*103=1607
15、44kw 故此时若用空气源热泵热水器进行烟气余热收集此时用电量仅为用电加热热水器得到热水的耗电量的三分之二， 那么每天就 节约了 160744 2/3=107162kw 数量是惊人的。 但 前空气源 的技术尚不完善，其造价较高一 般热水工程 中 标准报价 为每小时产生一 吨 标准热 水 所需的空气源热泵热水器的报价为6000-7000 元左右 由之前的计算得到该热电厂每天所能产生的热水量为 3937m，水的密度为 1t/m故若全部转化时所需的空气源热泵热水器的价格约为： 3937 1 6500=2559 万 如果取电厂每发一度电的成本为 0.3元，那么由于该方案的实施所节约的电能而节约的金钱数为： 107162 0.3=32148 元 在忽略 空气源热泵热水器 设备的维护费用后，不考虑时间对金钱价值的影响（即不考略钱放银行里能的利息、也不考虑通货膨胀及带来的金钱贬值）预计该设备的投资回收期为 32148 n 365=2559 求得 n=2.18 年，即 空气源热泵热水器 设备的投资回收期为 2.18年 。
