煙氣余熱回收與儲(chǔ)能技術(shù)耦合應(yīng)用的可行性研究

郭璞維，彭躍，鄧靖敏，李兵發(fā)，周興，胡鋆，郭海強(qiáng)，王金星

（1.三河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北廊坊 065201；2.沈陽(yáng)工程學(xué)院研究生部，沈陽(yáng) 110136；3.河北師范大學(xué)中燃工學(xué)院，石家莊 050024；4.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

2017 年，國(guó)家發(fā)改委等部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，確定了未來(lái)10 年內(nèi)儲(chǔ)能發(fā)展的階段性目標(biāo)［1］，明確了兩步實(shí)施方案。尤其在碳達(dá)峰、碳中和背景下［2-3］，為進(jìn)一步加快新能源電力的發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)將成為能源領(lǐng)域未來(lái)數(shù)年乃至數(shù)十年的重要發(fā)展內(nèi)容。

煙氣余熱回收是提高煤電機(jī)組系統(tǒng)效率的最有效途徑之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這一技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作。Riffat 等［4］對(duì)一種開(kāi)放式煙氣回收系統(tǒng)進(jìn)行了研究，成功驗(yàn)證了該系統(tǒng)從常規(guī)熱設(shè)備中回收煙氣余熱提高系統(tǒng)整體效率的可行性。Westerlund 等［5］以濕式生物質(zhì)鍋爐為示范探索了一種煙氣驅(qū)動(dòng)式回收系統(tǒng)。結(jié)果表明，生物質(zhì)鍋爐回收熱量與傳統(tǒng)鍋爐相比增加了40.00%。Lazzarin等［6］對(duì)煙氣驅(qū)動(dòng)的開(kāi)放式回收系統(tǒng)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，開(kāi)放式系統(tǒng)中的電熱泵回收煙氣效果優(yōu)于封閉式系統(tǒng)。Wei 等［7］建立了一個(gè)開(kāi)放式煙氣余熱回收系統(tǒng)的仿真模型，為北京優(yōu)選天然氣和電力價(jià)格提供了重要的參考信息。Ye 等［8］為了提高煙氣驅(qū)動(dòng)式開(kāi)放回收系統(tǒng)的效率，探索了一種根據(jù)熱源溫度自由切換單機(jī)或雙機(jī)模式的余熱回收方式。

儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展為煙氣余熱回收提供了配套的應(yīng)用保障。Sun 等［9］對(duì)以陶瓷為殼的熔融鹽蓄熱單元性能進(jìn)行探索，這種復(fù)合相變材料可以在其熔點(diǎn)溫度下正常使用，有效預(yù)防堵塞和腐蝕的問(wèn)題。Parsimehr 等［10］用玉米基碳制備的儲(chǔ)能電極，具有良好的電化學(xué)性能，可用來(lái)制作超級(jí)電容器的電極。Kohler等［11］以水沸石為吸附物質(zhì)進(jìn)行熱化學(xué)儲(chǔ)能研究，分別測(cè)量并計(jì)算了熱化學(xué)儲(chǔ)能的效率和能量密度，證明隨著吸附物質(zhì)碳鏈長(zhǎng)度的增加，解吸溫度會(huì)提高。在整個(gè)解吸溫度范圍內(nèi)甲醇具有的能量密度最高，為402 kJ/kg。Wang等［12］提出了將抽水儲(chǔ)能與壓縮空氣儲(chǔ)能耦合的新型儲(chǔ)能系統(tǒng)，有助于解決風(fēng)電儲(chǔ)能受限的問(wèn)題。

燃煤電廠設(shè)計(jì)排煙溫度為120～150 ℃，實(shí)際運(yùn)行排煙溫度往往高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。排煙熱損失超過(guò)鍋爐總熱損失的50.00%～80.00%［13］，是煤電機(jī)組熱損失最多的一項(xiàng)。因此，降低排煙熱損失具有重要意義［14-16］。將燃煤電廠煙氣余熱利用儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)存起來(lái)并加以利用，可極大地提高燃煤電廠的能源利用效率。結(jié)合煙氣余熱回收和儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)及二者的溫度區(qū)間，探索燃煤電廠煙氣余熱回收與儲(chǔ)能技術(shù)耦合應(yīng)用的可行性，以期對(duì)該技術(shù)的推廣與研究探索提供參考。

1 煙氣余熱回收的利用方式

1.1 變工況下煙氣余熱回收

變工況下煙氣余熱回收主要通過(guò)高壓省煤器和低壓省煤器實(shí)現(xiàn)。其中，煙氣余熱回收的循環(huán)部位是旁路煙氣管道，其溫度區(qū)間是350～400 ℃。將回收的余熱能量同時(shí)用于加熱鍋爐給水和凝結(jié)水，當(dāng)旁路煙氣與總煙氣流量比為10.00%～30.00%時(shí)，能夠使鍋爐給水和凝結(jié)水的溫度達(dá)到前置空氣加熱器和空氣預(yù)熱器出口空氣溫度。低壓省煤器的進(jìn)口煙氣溫度和排氣煙氣溫度等主要節(jié)點(diǎn)溫度均下降，系統(tǒng)的?效率降低，廢熱回收效率和能量等級(jí)替換系數(shù)提高。Wang 等［17］通過(guò)安裝低壓省煤器提高了600 MW 鍋爐的節(jié)煤效果。Stevanovic等［18］通過(guò)加裝高壓省煤器提高了620 MW 燃煤機(jī)組的煙氣余熱利用效率。Xu 等［19］提出在高溫空氣預(yù)熱器和低溫空氣預(yù)熱器之間加裝低溫節(jié)能器，有效減少?損失。Yan 等［20］通過(guò)改進(jìn)濕法脫硫旁路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)煙氣余熱回收利用，使凈標(biāo)準(zhǔn)煤耗減少了5.38 g/（kW·h）。Yang 等［21］提出了一種概念性的煙氣余熱回收系統(tǒng)，包括高溫空氣預(yù)熱器、低溫空氣預(yù)熱器、主空氣預(yù)熱器，可用于加熱冷凝水。Liu 等［22］針對(duì)上述節(jié)煤和煙氣余熱改造，提出不同工況下煙氣余熱級(jí)聯(lián)回收系統(tǒng)（Flue Gas Waste Heat Cascade Recovery System，F(xiàn)WCRS），如圖1所示。

圖1 煙氣余熱級(jí)聯(lián)回收系統(tǒng)Fig.1 Flue gas waste heat cascade recovery system

圖2 是某1 000 MW 超超臨界雙再熱燃煤機(jī)組的工作原理［23］，來(lái)自鍋爐的高溫?zé)煔夥殖? 路，30.00%的旁路煙氣經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥依次流過(guò)高壓省煤器和低壓省煤器，分別加熱冷凝水和鍋爐補(bǔ)給水，再經(jīng)過(guò)旁路閥門與通過(guò)空氣預(yù)熱器的另一路煙氣匯合后進(jìn)入反靜電除塵器和后續(xù)的煙氣脫硫裝置。由低壓省煤器和前置空氣預(yù)熱器組成循環(huán)裝置預(yù)熱來(lái)自送風(fēng)機(jī)的冷空氣之后，再經(jīng)過(guò)空氣預(yù)熱器加熱一次風(fēng)和二次風(fēng)并分別送入爐膛和磨煤機(jī)。

圖2 1 000 MW超超臨界雙再熱燃煤機(jī)組的FWCRS工作原理Fig.2 Working principle of the FWCRS in a 1 000 MW ultra?supercritical double reheat coal?fired unit

1.2 低溫省煤器-暖風(fēng)器聯(lián)合運(yùn)行

肖卓楠等［24-25］針對(duì)燃煤電廠設(shè)計(jì)排煙溫度低于實(shí)際排煙溫度的情況，提出3種可行的解決方案，分別是低溫省煤器-冷風(fēng)加熱器聯(lián)合運(yùn)行、低溫省煤器-空氣預(yù)熱器聯(lián)合運(yùn)行、低溫省煤器-暖風(fēng)器聯(lián)合運(yùn)行，最后一種方案如圖3 所示。煙氣余熱回收的循環(huán)部位是暖風(fēng)器，其溫度為122～160 ℃，將回收的余熱用于加熱汽輪機(jī)回?zé)峒訜崞髦械幕旌夏Y(jié)水，達(dá)到排煙溫度降到100 ℃的效果。研究結(jié)果表明，低溫省煤器-暖風(fēng)器可起到較好的節(jié)煤效果，?損失效率最低，更適合降低煙氣的排煙溫度。

圖3 低溫省煤器-暖風(fēng)器聯(lián)合運(yùn)行Fig.3 Combined operation of low?temperature economizers and air heaters

1.3 直膨式熱泵型煙氣余熱回收裝置

直膨式熱泵型煙氣余熱回收裝置通過(guò)直膨式熱泵蒸發(fā)器換熱和高溫?zé)煔?水換熱器回收煙氣余熱，其工作溫度為77～180 ℃?；厥盏挠酂嵊糜诩訜釤峋W(wǎng)回水，進(jìn)而可計(jì)算得到余熱回收系統(tǒng)水流量與燃?xì)饫眯实年P(guān)系。王明爽［26］為利用回水溫度約50 ℃的熱水管網(wǎng)對(duì)中小型鍋爐（10～10 000 kW）進(jìn)行深度煙氣余熱回收，研究了直膨式熱泵型煙氣余熱回收系統(tǒng)，如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，直膨式熱泵型煙氣余熱回收系統(tǒng)的效果良好。

圖4 直膨式熱泵型煙氣余熱回收系統(tǒng)工作原理Fig.4 Working principle of the flue gas waste heat recovery system with direct expansion heat pumps

2 熱能儲(chǔ)存形式及應(yīng)用特點(diǎn)

2.1 壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用溫度區(qū)間為200～400 ℃，通常利用地下巖洞、熔巖洞或人工建造的管道系統(tǒng)等作為容器，將非峰值時(shí)段的電力通過(guò)壓縮空氣儲(chǔ)存在上述容器內(nèi)［27］，在用電高峰時(shí)間段將壓縮空氣釋放、加熱、膨脹，利用渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。該項(xiàng)技術(shù)可以更靈活地根據(jù)區(qū)域內(nèi)的具體情況進(jìn)行應(yīng)用。壓縮空氣儲(chǔ)能的效率接近70.00%，預(yù)期運(yùn)行周期為40 a［28］。目前該項(xiàng)技術(shù)包括以下2 個(gè)方面：一是在空氣膨脹過(guò)程中，重用壓縮熱來(lái)消除和減少排放階段和加濕壓縮空氣過(guò)程中消耗的燃料；二是直接利用壓縮泵儲(chǔ)存能量［29-30］，如圖5所示。

圖5 壓縮空氣儲(chǔ)能原理Fig.5 Principle of compressed air energy storage technology

2.2 液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)

液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)將電能以低溫液態(tài)空氣的形式儲(chǔ)存，其應(yīng)用的溫度區(qū)間低于200 ℃。英國(guó)Highview Power Storage 公司率先將該技術(shù)應(yīng)用于Slough工廠［31］，如圖6所示。該項(xiàng)技術(shù)第1階段類似于壓縮空氣儲(chǔ)能，區(qū)別是需要將壓縮空氣液化并在接近大氣壓力的情況下儲(chǔ)存在容器中。使用時(shí)可以用泵抽取液化空氣直接用于制冷；余下的廢熱可以用來(lái)進(jìn)行膨脹做功產(chǎn)生電能。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是液態(tài)空氣的體積僅為氣態(tài)空氣的1/700，即使是小容器也可以儲(chǔ)存大量的液態(tài)空氣。不足之處是該技術(shù)儲(chǔ)能效率較低，僅為40.00%～70.00%［32-33］，仍有可以提升和發(fā)展的空間。同時(shí)，在發(fā)電階段可以利用液化過(guò)程回收熱量，從而提高效率。

圖6 液化空氣儲(chǔ)能技術(shù)原理Fig.6 Principle of liquefied air energy storage technology

2.3 熱能存儲(chǔ)

熱能存儲(chǔ)的工作溫度區(qū)間為90～200 ℃，目前有3種應(yīng)用方式［34］。

（1）顯熱儲(chǔ)能。該方式一般采用水、巖石等作為儲(chǔ)能材料，主要用來(lái)儲(chǔ)存溫度較低（≤150 ℃）的熱能［35］。該技術(shù)受限于儲(chǔ)熱材料的熱力學(xué)性能，儲(chǔ)能效率不高，僅適用于采暖。

（2）潛熱儲(chǔ)能。該方式是利用物質(zhì)發(fā)生固體-液相變的相變潛熱進(jìn)行儲(chǔ)能，因此具有較高的儲(chǔ)能容量［36］。目前用于潛熱儲(chǔ)存的原介質(zhì)有氟化物、氯化物、磷酸鹽、硫酸鹽、亞硝酸鹽以及氫氧化合物的低共熔混合物。

（3）熱化學(xué)儲(chǔ)能。利用吸熱反應(yīng)儲(chǔ)存能量，利用放熱反應(yīng)釋放能量［37-38］。這種系統(tǒng)與潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)同樣具有在恒溫下存儲(chǔ)、釋放能量的優(yōu)點(diǎn)。熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)不需要絕緣的儲(chǔ)能容器，但其反應(yīng)裝置復(fù)雜、精密，必須由經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的人員進(jìn)行仔細(xì)維護(hù)，只適用于較大型的系統(tǒng)。

綜上所述，針對(duì)理論界探討和實(shí)踐中已有體現(xiàn)的處理機(jī)制，每一種都具有自身的局限性，都難以作為執(zhí)行依據(jù)不明確的處理方式統(tǒng)一適用。

3 煙氣余熱回收耦合儲(chǔ)能應(yīng)用方式

3.1 煙氣余熱回收系統(tǒng)耦合壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)有多種應(yīng)用方式，如圖7 所示，可結(jié)合煙氣余熱回收系統(tǒng)溫度范圍進(jìn)行選擇。

圖7 煙氣余熱回收裝置與壓縮空氣儲(chǔ)能的耦合Fig.7 Coupling of flue gas waste heat recovery devices and compressed air energy storage technologies

例如，德國(guó)Huntorf電站是世界上容量最大的壓縮空氣儲(chǔ)能電站，機(jī)組壓縮機(jī)功率60 MW，釋能輸出功率為290 MW［39］，具體原理如圖7a 所示。超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能也是煙氣余熱回收利用的備選方案，以中科院工程熱物理所在廊坊所建1.5 MW 示范裝置為例，其以超臨界壓縮空氣為介質(zhì)，循環(huán)效率可以達(dá)到67.41%［40］。該系統(tǒng)的蓄冷容量為10 GJ，裝置容積為60 m3，可承受-196 ℃的低溫，裝置承壓達(dá)到7 MPa，由此帶來(lái)造價(jià)較高、制造難度大等問(wèn)題［41］。而通過(guò)如圖7b 所示的煙氣余熱回收系統(tǒng)與其進(jìn)行耦合，可以降低對(duì)外部熱源的需求，進(jìn)一步解決運(yùn)行成本高的問(wèn)題。

3.2 煙氣余熱回收耦合其他單一儲(chǔ)熱技術(shù)

根據(jù)煙氣余熱回收和低溫儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)，可將二者進(jìn)行耦合如圖8a 所示。其工作原理是利用電網(wǎng)低谷時(shí)段電量驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)做功，獲得低溫或液態(tài)空氣，回收煙氣中的熱能并驅(qū)動(dòng)透平主機(jī)發(fā)電。圖8b 和圖8c 分別展示了利用空氣預(yù)熱器和吸收式熱泵回收煙氣余熱的工作原理。空氣預(yù)熱器系統(tǒng)依靠來(lái)自汽輪機(jī)內(nèi)的混合凝結(jié)水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，熱泵型煙氣余熱回收系統(tǒng)主要利用蒸發(fā)器內(nèi)流動(dòng)的熱網(wǎng)低溫水為儲(chǔ)熱介質(zhì)。

圖8 煙氣回收裝置與熱能存儲(chǔ)的3種耦合方式Fig.8 Three coupling ways of flue gas recovery devices and heat energy storage technologies

4 結(jié)論

介紹了3 種煙氣余熱回收形式和3 種儲(chǔ)熱應(yīng)用技術(shù)，并結(jié)合煙氣余熱回收和儲(chǔ)熱技術(shù)的溫度區(qū)間特點(diǎn)提出了各種可行的耦合方式。其中，相變儲(chǔ)熱材料為煙氣余熱利用提供了新的發(fā)展方向。

從未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，煙氣余熱回收與壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)耦合方案最具實(shí)際應(yīng)用意義及發(fā)展?jié)摿?。該方案保留了現(xiàn)有系統(tǒng)中的大部分設(shè)備，在不造成試驗(yàn)裝置失效浪費(fèi)的前提下進(jìn)行耦合，提高了能源的利用效率，符合國(guó)家高效、環(huán)保的能源理念。

最后，對(duì)不同煙氣余熱回收技術(shù)與熱能存儲(chǔ)技術(shù)的耦合方式進(jìn)行了可行性分析，闡述了有效可行耦合方式的技術(shù)原理，為煙氣余熱回收技術(shù)與熱能存儲(chǔ)耦合技術(shù)開(kāi)發(fā)提供參考。