“双碳”目标下烟气余热回收技术的研究进展.pdf

2023年08月|650 引言我国是碳排放量最大和工业种类最多的国家，为解决当前环境问题和气候问题，我国明确提出“力争在 2030 年前达到碳达峰，力争在 2060 年前实现碳中和”的战略目标。而我国目前主要能源结构仍然以化石和煤炭为主，为实现“双碳”目标节能减碳，清洁能源利用、低碳转型、余热回收、梯级利用等技术的发展，为“双碳”目标的实现助力添瓦。1 能源利用现状在当前能源转型和“双碳”目标下，我国作为世界上能源消耗大国，针对不可再生能源利用及新能源开发利用等情况，制定相关能源消费及“双碳”控制政策。从 2000 年开始，我国能源消费结构逐渐发生变化，如图 1 所示，非化石能源及天然气的利用在逐渐增加，石油和化石能源逐年降低，与 2000 年相比 2020 年非化石能源利用占比增长 115%，天然气利用占比增长 290%。虽然石油及煤炭资源消费占比有所降低，但煤炭和石油仍然是当前能源消耗的主要资源，占总能源消费种类的 75.7%，其中煤炭消费占比 56.8%，可见煤炭仍然是当前及近期能源消耗的主 力军1。“双碳”目标下烟气余热回收技术的研究进展苗瑞灿1,2，高小荣1，孙彩霞1，卢星辰1，任小庆1,3，刘林1，刘嘉1(1.中石化绿源地热能开发有限公司，河北 保定 071800；2.中石化四机石油机械有限公司，湖北 荆州 434024；3.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083)摘要：文章对当前国内外烟气余热回收利用现状进行分析，从直接热利用技术、余热提质技术、热工转化技术三方面论述了当前余热技术的方法和现状。直接热利用技术是目前国内使用最广泛的余热回收技术，省煤器、换热器和空气预热器是主要的余热回收设备，随着科学技术发展，烟气冷凝和塔内直接换热技术也逐渐应用在余热回收中；热泵及热泵耦合技术是余热提质技术的关键，主要针对无法直接利用的低温余热进行利用；有机朗肯循环是热工转化技术的主要方法，是将低品质热源转化成机械能或者电能的余热回收技术。文章阐明了当下余热回收现状，为今后余热利用技术的进一步研究指明了方向。关键词：烟气余热回收；余热提质；热工转化；热泵技术；有机朗肯循环中图分类号：X7 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)24-0065-04DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.24.017Research Progress on Waste Heat Recovery Technology of Flue Gas under the Goal of“Dual Carbon”MIAO Rui-can1,2,GAO Xiao-rong1,SUN Cai-xia1,LU Xing-chen1,REN Xiao-qing1,3,LIU Lin1,LIU Jia1(1.SINOPEC Green Energy Geothermal Development Co.,Ltd.,Baodin 071800,China;2.SINOPEC SJ Petroleum Machinery Co.,Ltd.,Jingzhou 434024,China;3.College of Energy,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)Abstract:The article analyzes the current situation of flue gas waste heat recovery and utilization in China and abroad,and discusses the methods and current status of waste heat technology from three aspects:direct heat utilization technology,waste heat quality improvement technology,and thermal conversion technology.Direct heat utilization technology is currently the most widely used waste heat recovery technology in China.Economizers,heat exchangers,and air preheaters are the main waste heat recovery equipment.With the development of science and technology,flue gas condensation and tower direct heat exchange technology are gradually applied in waste heat recovery.Heat pump and heat pump coupling technology are the key to waste heat upgrading technology,mainly targeting the utilization of low-temperature waste heat that cannot be directly utilized.Organic Rankine cycle is the main method of thermal conversion technology.It is a waste heat recovery technology that converts low-quality heat sources into mechanical energy or electrical energy.Clarified the current status of waste heat recovery and pointed out the direction for further research on waste heat utilization technology in the future.Keywords:flue gas waste heat recovery;waste heat improves quality;thermal transformation;heat pump technology;organic Rankine cycle二校-2023-8-下期.indd 652023/8/17 14:51:21环保与节能66|2023年08月图1 我国2000年和2020年能源消费种类对比截至 2021 年，我国火电装机容量占比仍达到55.9%2，火力发电仍是主力。火力发电厂中燃煤锅炉热损失主要为排烟热损失，在锅炉热损失中占比约80%。烟气的余热回收不仅可以减少锅炉热损失还能够实现余热再利用，对当前节能减排、保护环境、能源转型作出贡献。2 余热回收利用现状余热回收是将工业工艺生产过程中的废气、废热等低品位热能再次利用的技术。在余热回收利用技术中，烟气余热回收技术在国内外广泛应用。研究烟气余热回收利用技术，符合当下“双碳”目标的行动。2.1 直接热利用技术在我国，燃煤锅炉烟气大部分是通过直接热利用技术，进行余热回收，主要设备有烟气省煤器、换热器及空气预热器等。郑楠等3用低低温省煤器对某 330 MW电厂进行深度烟气余热回收，发现可节约机组发电煤耗 2.18 g/(kWh)，燃煤费 158 万元/年。白涛等4用低温省煤器回收脱硫前烟气余热，回收效率与环境和煤质均有关。蒋志浩等5将中低温省煤器加装在 660 MW超超临界燃煤机组的空气预热器进口的烟气旁路中，可降低系统煤耗 1.98 g/(kWh)。实验证明梯级余热回收系统可有效提高电厂机组运行效率，旁路烟气比为重要调节参数6。马有福等7用加装热量旁通管的热风再循环系统回收 600 MW 烟煤余热，可降低标煤煤耗1.94 3.32 g/(kWh)。张钧泰等8用低温省煤器和烟气冷凝器回收 330 MW 燃煤机组烟气余热，可回收水量 8.68 kg/s，热量 33.95 MW，可有效节约燃煤量。除省煤器外，换热器和空气预热器也是烟气余热回收的常用设备。在脱硫烟气后加装多级换热器或热管换热器，不仅可以有效降低锅炉排烟温度还可提高除尘和锅炉运行效率9-11。蒋晓锋等12在烟气旁路内布置高低压换热器和两级管式空气预热器，用烟风水复合系统回收320 MW 机组烟气余热，可降低煤耗 2.2 g/(kWh)。唐寅等13用除盐水为介质的换热器对 200 MW 锅炉机组烟气进行深度回收，水回收率可达 100%，锅炉效率提高 0.57%。加装省煤器、换热器和空气预热器等设备的余热回收技术，可使整体机组燃煤煤耗降低 2.12 g/(kWh)左右，节能效果显著，并可以有效提高除尘率。这三种方式是目前最广泛的余热直接利用技术14。烟气冷凝也可有效回收锅炉排烟余热和水分15。李志斌等16发现冷凝室高度和烟气入口流速对换热效率影响最大。米大斌等17用陶瓷膜法对某 330 MW 燃煤机组回收水分和余热，发现提高烟气流速和降低冷却水入口温度均可提升回收性能。Xiao 等18研究了 3 m 的大孔径陶瓷膜冷凝器用于烟气水热回收，发现冷凝速率是影响水回收性能的关键因素，烟气流量和冷却水温度对回收水热量有显著影响。Yang等19研究了 2 m 微孔陶瓷膜管束对热电厂烟气余热回收，发现烟气流量为 500 m3/h 以下，冷却水流量为 0.3 m3/h 时，冷凝器回收性能较好。Wang 等20 通过改变分压来冷凝水蒸气，可使冷凝效率提高至19.4%，降低烟气温度 4。Wang 等21采用多排交错管束换热器对烟气进行冷凝试验，发现并联比串联的冷凝效率更高。综上所述，烟气冷凝器余热回收技术中，烟气流速和冷却水温度是影响回收性能的关键因素，在今后的研究发展中可对其进行深入研究。另外余热直接利用设备和烟气冷凝器的结合利用，为余热回收技术的多元化发展提供研究方向。将脱硫塔或填料塔作为换热的直接接触装置，在塔内实现烟气和水的直接接触换热也是回收烟气余热的方式之一。Cui 等22将填料塔作为烟气和水的直接接触换热设备，实现低阻高效换热，在液气比为 4 L/Nm3、填料厚度为 1.2 m 时，换热效果最好。Wang 等23通过仿真模型研究洗涤塔的传热传质机理，发现适当的液气比和相对较小的水滴等效直径可以有效提高烟气余热回收率。闫敏等24以脱硫塔为换热器，低温脱硫浆液为换热介质，不仅能够降低排烟温度，还能减少 SO2排放。随着技术发展，以脱硫塔或填料塔为换热装置的余热回收技术中，液气比、填料层厚度以及喷淋水滴直径对回收效率的影响需要进一步研究。2.2 余热提质技术余热提质技术是指将无法直接利用的低温回收余热与热泵技术联合，通过热泵技术进一步对回收的低温余热进行利用，热泵技术的提出增加了余热回收利用技术的多元化。Wang 等25利用烟气驱动开放式吸收系统仿真模型，对系统内循环流体的重新分配来提高系统的整体性能，系统余热回收率提高 3.0%23.8%，水回收率提高 5.1%41.4%。烟气冷凝器与热泵协同系统也可较好的回收烟气余热26。高建强等27使用吸收式热泵回收 300 MW 燃煤组机尾部烟气，发现吸收式热泵不仅可回收烟气余热，还能增大烟气冷凝时的换热温差。利用热泵回收烟气中的水和热量，还可提高热泵系统的 COP28-29。宋峥元二校-2023-8-下期.indd 662023/8/17 14:51:212023年08月|67等30设计了耦合热泵的 FCC 脱硫湿烟气脱白净化系统，以烟气脱硫液热泵为回收路线，可回收水量1.47 t/h。Muhammad 等31提出一种双级开放式吸收循环的多功能混合系统，双级系统热性更高。Wang等32建立新型开式压缩吸收式热泵模型，当压缩比为1.4 时热泵系统的水回收率较高。Xue 等33提出一种开放式吸收热泵和低温多效海水淡化新型组合系统，利用烟气对脱硫废水喷淋蒸发，实现燃煤电厂零废水排放，吕杰等34采用嵌入式控制系统监控燃气热泵冷热水机组，显著提高了系统制热能力和一次能源利用率。吸收式热泵技术在提升机组整体系统热效率上有明显效果，不同类型的热泵其回收利用效率上也有差异，热泵技术对余热资源的深度回收利用，还需加强研究探索。2.3 热工转化技术热工转化技术是一种将低品位热源通过膨胀做工转换成机械能或者电能的一种高效余热回收利用技术。有机朗肯循环是低温低压工质通过工质泵加压后输送至蒸发器内，通过蒸发器加热升温变成高温高压工质进入膨胀机内做工，将热能转换成机械能或者电能，从膨胀机内出来的低压高温工质进入冷凝器后释放热量，变成低温低压工质，再一次经过工质泵输送至蒸发器，实现工质的下一次循环。在整个循环过程中低温低压工质从热源吸收热量，通过做功转化成机械能或者电能之后，向冷源排放热量，工质恢复到最初低温低压状态，符合热力学第二定律的要求。有机朗肯循环工质是影响余热回收系统热效率关键因素35-37。Paul 等38研究了带水循环的有机朗肯循环的余热回收技术，发现带水循环的有机朗肯循环的效率和净输出功率最高，且干式制冷剂更加适合带水循环的有机朗肯循环。郭源东等39利用S-CO2循环和有机朗肯循环深度耦合系统回收燃煤电厂烟气余热，可降低排烟温度 9，提高系统发电效率 1.66%。李悦等40利用有机朗肯循环系统对低温烟气余热进行数值模拟，发现夹点温差和蒸发压力对回收效率影响较大。其次，李骥飞等41-42认为热源温度不同对有机朗肯循环机组效率也有一定影响。国内学者对有机朗肯循环低温余热技术研究越来越深入和广泛，循环工质对 ORC 系统效率有显著影响，对有机朗肯循环工质的进一步研究是提升系统性能的关键，有机朗肯循环与其他技术耦合也成为众多学者深入研究的方向。3 结语我国作为能源大国，在“双碳”目标下，烟气余热回收利用显得尤为重要。我国在烟气余热回收利用技术上，直接热利用技术应用最为广泛，最近几年，余热提质技术和热工转化技术也越来越受到学者的青睐。根据目前余热技术的应用，学者应加大余热提质和热工转化技术的深入研究，对高温高湿烟气通过梯级利用技术将余热利用效率达到最佳，直接热利用技术与余热提质技术和热工转化技术的耦合为高温向低低温余热梯级利用回收提供了进一步的研究方向。此外，有机朗肯循环余热利用在我国还处于初级研究阶段，对循环工质和温度等影响因素还需深入研究。参考文献：1 孙子钦.脱硫湿烟气强化换热数值模拟及余热回收应用研究D.徐州:中国矿业大学,2022.2 帅永,赵斌,蒋东方,等.中国燃煤高效清洁发电技术现状与展望J 热力发电,2022,51(01):1-103 郑楠,叶学民 基于等效焓降法的烟气余热利用热经济性分析J 电力科学与工程,2020,36(7):74-784 白涛,靳智平.燃煤烟气冷凝节水及余热回收热力学分析J.动力工程学报,2022,42(10):977-985.5 蒋志浩,刘伟,林强.燃煤机组空气预热器烟气旁路烟水复合余热利用系统节能分析J.锅炉技术,2022(7):53.6 Liu J,Gong X,Zhang W,et al.Experimental Study on a Flue Gas Waste Heat Cascade Recovery System under Variable Working ConditionsJ.Energies,2020,13：1-19.7 马有福,王梓文,吕俊复.热风再循环机炉耦合高效发电系统变负荷性能仿真及优化J.化工进展,2022,41(05):2340-2347.8 张钧泰,张国柱,杨凯旋,等.燃煤机组烟气水回收过程余热利用潜力计算分析J.热能动力工程,2022,37(5):131-136.9 郑利,田珂,刘拥军 烟气余热回收装置的应用J 现代盐化工,2021,48(06):21-2210 郑圣彬.烟气余热梯度利用技术的研究及运用分析J.中国设备工程,2021(22):77-7811 腾达,李铁林,李昂,等.电站锅炉尾部烟气余热回收与梯级利用系统特性分析J.中国电力,2020(7):189-196.12 蒋晓锋,邵睿喆,张贤,等.火电机组烟水复合余热利用系统J 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回热式有机朗肯循环系统热力性能J 科学技术与工程,2022,22(01):166-172 作者简介：苗瑞灿(1993-)，女，汉族，河北邯郸人，硕士研究生，助理工程师，在中石化绿源地热能开发有限公司从事地热、余热利用研究等工作，E-mail：。二校-2023-8-下期.indd 682023/8/17 14:51:22