冷凝式锅炉与热泵联合系统

电力专家 · 发表于 2007-7-24 20:31:03

冷凝式锅炉与热泵联合系统   作者：叶勇军寇广孝王汉青王志勇   摘要：简述了我国城市供热的现状，根据我国的供热特点和节能环保的要求，介绍了冷凝式锅炉与热泵联合系统系统。根据国外资料分析了该系统的经济性和环保性以及在我国的应用前景。 关键词：冷凝式锅炉热泵节能环保 1 引言 我国北方地区一直以传统的燃煤、燃油采暖，随着经济的发展、城市规模的扩大，这些传统的采暖方式的缺点越来越突出，不能适应可持续发展的要求，据统计燃煤采暖已经成为北方城市冬季空气污染的罪魁祸首。如北京1999年北京市终端能源消费量为3828万吨标煤，其中煤炭消费量2011万吨；约占终端能源消费量的53%，是造成大气污染的主要根源[1]。为了避免尾部受热面的低温腐蚀，传统的燃煤供热锅炉排烟温度通常高于150℃，蒸汽锅炉甚至高于200℃，大多数燃气热水锅炉的排烟温度在140℃-200℃之间。过高的排烟温度不仅耗费了大量的能源，而且提高了锅炉的运行成本[2，3]。因此对于这些地区探索出一些洁净，节能高效的采暖技术就具有非常现实而重要的意义，并逐渐成为工程界、学术界普遍关注的热点问题。 为此，20 世纪70 年代以来，西欧和美国等相继研制了冷凝式锅炉，即在传统锅炉的基础上加设冷凝式热交换受热面，将排烟温度降到40-50℃，使烟气中的水蒸气冷凝下来并释放潜热，可以使热效率提高到100%以上（以低位发热量计算）；同时研究发现，在烟气冷凝时，烟气中的SOx、NOx、CO2、CO 以及飞灰和烟尘能部分或者全部溶解于水中，这样就使排入大气中的有害物质大大减少,有利于环保[2，3]。因此，采用冷凝式锅炉对节能和环保都具有非常重要的意义。但是我国采用传统95/70℃闭式供热系统，相当多的锅炉按80/70℃运行[4]。当采用洁净燃料天然气时，烟气的露点温度一般在55℃左右，要通过原有供热系统的回水去完成烟气的冷凝是不可行的。并且较高温度的排烟，相对于用空气源热泵采暖的系统来说，应是较好的低温热源[5]。针对冷凝式锅炉应用于我国传统供热存在的问题，为了达到节能和环保的目的，介绍国外广泛应用的烟气的余热回收系统—冷凝式锅炉与热泵联合系统。 2 冷凝式锅炉与热泵联合系统 冷凝式锅炉与热泵联合系统不仅利用了冷凝式锅炉节能和环保的原理，还利用了热泵提高低品位热能到高品位热能的原理。在该系统中为了使热泵系统尽可能的回收较低品位的热能，减少热泵系统装机容量和电耗，做到尽可能的节能，先将热网回水与来自冷凝式锅炉本体高温的排烟进行换热，使烟气冷却至一定的温度，再将低温的烟气通过冷凝换热器（为防腐材料，如不锈钢），回收烟气中的部分潜热和显热。为了维持热泵蒸发端低温热源温度的稳定性，并减小蒸发端的传热平均温差，采用烟气先通过间壁式冷凝换热器（如板式、管式等）或接触式冷凝换热器（如液柱式、填料式等），用低温水（冷却水）先与烟气换热，再将被加热的冷却水用水泵抽送到热泵的蒸发端，和热泵工质(如R11等)发生热交换。下面介绍冷凝换热器与热泵联合热能回收系统，该系统有两种型式：如图1间壁式冷凝换热器与热泵联合热能回收系统和图2接触式冷凝换热器与热泵联合热能回收系统。   图1 间壁式冷凝换热器与热泵联合热能回收系统

1-锅炉本体 2-冷凝用烟气通道 3-烟气旁通通道 4-排烟至烟囱通道 5-间壁式冷凝热交换器 6-待处理的冷凝液排放管 7，13-来自区域热网的回水 8-烟气冷却器 9-冷却水循环泵 10-热泵蒸发器 11-节流阀 12-热泵冷凝器 14-压缩机  图2 接触式冷凝换热器与热泵联合热能回收系统

1-锅炉本体 2-冷凝用烟气通道 3-烟气旁通通道 4-排烟至烟囱通道 5-接触式冷凝热交换器 6-烟气冷却器7，15-来自区域热网的回水 8-冷却水循环泵9-处理液循环泵10-污水排放管 11-水处理器 12-热泵蒸发器 13-压缩机 14-热泵冷凝器 16-节流阀 在图1中，间壁式冷凝换热器与热泵联合热能回收系统除锅炉本体的换热外，存在四个热交换过程：（1）在烟气冷却器8中，高温烟气和来自区域热网的回水之间的热交换过程；（2）在间壁式冷凝换热器5中，来自烟气冷却器的低温温烟气与冷却水（热泵的低温热源）之间的热交换过程；（3）在热泵的蒸发器10中，来自间壁式冷凝换热器的冷却水与热泵低温工质之间的热交换过程；（4）在热泵的冷凝器13中，热泵高温工质与来自区域热网的回水之间的热交换过程。在冷凝式换热器5产生的冷凝水通过待处理的冷凝液排放管6排放，在冷凝式换热器5中被冷凝的烟气和来自旁通烟道3的烟气混合，进入烟囱。 在图2中，接触式冷凝换热器与热泵联合热能回收系统与间壁式系统显著区别在与烟气的冷凝换热器，采用接触式换热器，烟气与冷却水发生直接接触换热，并且冷却水受到污染，需要定时处理和进行排污。 间壁式冷凝换热器和接触式冷凝换热器在国外都得到了利用，它们各自有自己的优缺点。如间壁式具有烟气与水分离，水质无污染，但换热存在较大温差，受结构尺寸限制，换热面积有限，存在间壁热阻和污垢热阻，换热效率低等。接触式具有气液两相离散接触，传热温差小，换热面积大大增大，烟气中污染物得到清洗，利于环保，但水质受影响，需处理等。 3 冷凝式锅炉与热泵联合系统的应用 在国外，采用先进的方法回收烟气中热能的系统得到了大力的发展，冷凝式锅炉与热泵联合系统广泛的用于诸如区域供热锅炉房，尤其是使用如生活垃圾、碎木屑等比较湿的燃料以及天然气为燃料的锅炉房[6，7，8]。例如，1985年瑞典在其最大的城市垃圾焚烧厂（位于东南部的乌普萨拉市）安装了一套回收热能为20MW的冷凝式锅炉与热泵联合系统。安装主要设备的投资（包括安装）及余热回收的年效益如表1[2]。 表1主要设备的投资（包括安装）及余热回收的年效益

通过经济性计算，虽然初投资较大，但与通过建立一个锅炉来增加产热量所用的资金相比，所用的投资都是较低的，并且它在提高热生产效率的同时，除去烟气中的酸性气体和汞，因此从节能和环保的角度来说，这将是十分有利的。因此在一些急需扩建，改造和新建的集中供热锅炉房中，采用冷凝式锅炉与热泵联合系统，应是一种节能环保的方式。 根据《北京市城市热网集中供热设施建设“九五”计划及2010年发展规划》，现有一热和二热等7家热源厂将改扩建，设计供热面积将增加592万平方米。另拟新建2个热电厂，新增供热规模1000万平方米左右。 2005年热力供热面积预期达到8359万平方米，占市建筑面积的31.13%[1]。并且北京开始以环境评价为中心目标，重点分析各种供热方式对环境保护带来的影响，并将之作为分析比较的基准点和出发点，同时兼顾能源利用效率、资源利用、投资和经济效益等因素的研究，因此在该地区实行冷凝式锅炉与热泵联合系统的研究具有重要的意义。并且在燃烧清洁燃料天然气时，在理论上每标准立方米约可产生1.6kg的冷凝水，如WNS4.2-1.0/95/70-Q型热水锅炉的燃料消耗约为440Nm3/h，如果产生的水蒸气的60%被冷却下来，可产生440×1.6×0.6=422.4kg/h 的水,可以看出所获得的水量是可观的。如果采取措施对这一部分水加以利用，对一些缺水地区无疑会产生积极的作用 [2，9]。 4 结束语 冷凝式锅炉与热泵联合系统是一种高效节能和环保的热能回收系统，针对我国目前供热现状：污染严重，热量不足，急需扩建和新建一些锅炉房资金紧缺等问题，采用冷凝式锅炉与热泵联合系统应是一种值得探讨和应用的节能和环保方式。该系统还能能产生可观的冷凝水，这一部分水可以加以处理并利用，可作为一些水质要求不高的工业用水和畜牧用水。并且该系统的热泵部分在夏季也能给用户提供冷量，作小型的中央空调使用，具有更大的节能性。 参考文献 1 沙心诚,赵迎,叶运良,等.北京城市采暖供热方式研究.中国国际工程咨询公司,2001,5.中国能源网：<a href="http://www.china5e.com/focus/bluesky">www.china5e.com/focus/bluesky</a>    2 车得福.冷凝式锅炉及其系统.北京：机械工业出版社,2002 3 贾力，孙金栋，李孝萍.天然气锅炉烟气冷凝热能回收的研究.节能与环保,2001,31(1):31～33 4 贺平，孙刚，等.供热工程.北京：中国建筑出版社，1993. 5 徐邦裕陆亚俊马最良.热泵中国建筑工业出版社，1988 6 Makansi J.Options multiply for low-temperature heat recovery.Power,1985,129(8):73-75 7 Bernstein R.Experience in Sweden with condensing heat exchangers when firing different fuels.Symposum on Condensing Heat Exchangers Proceedings,1982 8 Brady J D.Sensible and latent heat recovery from hazardous waste incinerator exhaust gases.Proceedings.Annual Meeting-Air Pollution Control Association,1984 9 Harold D E,Baumann E R.Characterization and treatment of condensates from High Efficiency Application.Water Research,1985,19(5):627-638 作者简介： 叶勇军，男，1979年4月生，在读研究生。 通信地址：湖南衡阳南华大学空调与热能利用研究所,电话：（0734）6689257，邮政编码：421001， E-mail: <a href="mailto:yeyongjun@etang.com">yeyongjun@etang.com</a>    ※本课题是湖南省教育厅资助项目：冷凝式供热锅炉试验研究（编号02A03）

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