淺談燃?xì)庵比夹臀帐綗岜玫墓?jié)能環(huán)保

淺談燃?xì)庵比夹臀帐綗岜玫墓?jié)能環(huán)保

直燃型吸收式熱泵吸收熱量通過加熱和熱量生產(chǎn)工藝，并通過二次吸收和生成能耗、蒸發(fā)和冷凝等循環(huán)過程向用戶提供加熱。根據(jù)循環(huán)過程和主要設(shè)備的組合情況,可分為第Ⅰ類和第Ⅱ類吸收式熱泵。前者以高溫?zé)嵩打?qū)動,吸收低溫?zé)嵩吹臒崃?以中溫?zé)崴男问焦┙o用戶。循環(huán)流程圖如圖1所示。直燃型吸收式熱泵即為此類,以燃料燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔鉃閯恿?驅(qū)動熱泵運(yùn)行。1968年世界上首臺直燃機(jī)在日本誕生。目前,我國已成為世界上直燃型吸收式熱泵機(jī)組的生產(chǎn)大國。近十年來,我國大中型直燃一體機(jī)組的銷售量不斷上升,技術(shù)性能得到很大改善和提高,單效和雙效直燃型吸收式熱泵機(jī)組的循環(huán)性能系數(shù)COP分別達(dá)到0.7和1.2左右,新品三效直燃機(jī)組的COP可達(dá)1.5以上。此外,在開發(fā)低NOx燃燒機(jī)方面也取得了進(jìn)展,例如通過采用燃燒風(fēng)機(jī)再循環(huán)煙氣,可降低火焰溫度以減少NOx的形成等。國外研究機(jī)構(gòu)在此領(lǐng)域投入了大量資金進(jìn)行開發(fā)和研制。如德國的KrenC,SchweiglerC和ZieglerF通過一項聯(lián)合研究項目,開發(fā)出適合歐洲市場使用的高效直燃雙效吸收式冷熱水機(jī)組,其熱效率可提高約20%,并已對包括燃燒器和煙氣余熱回收裝置的樣機(jī)進(jìn)行了試驗。荷蘭的VanderStoelJP開展了家用燃?xì)庵比夹臀帐綗岜玫难芯?并進(jìn)行了工程制造和樣機(jī)試驗,為其產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。我國沼氣資源豐富,如果能把這種可再生能源應(yīng)用于直燃型吸收式熱泵,將可緩解我國能源緊張的局面,同時促進(jìn)二者的推廣應(yīng)用,具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?沼氣冷熱系統(tǒng)的設(shè)計1.1沼氣燃?xì)獾难芯颗c模擬沼氣主要成分是甲烷(CH4),約占50%~70%,其余成分基本為CO2。沼氣燃燒速度較慢,持續(xù)期較長,后燃嚴(yán)重著火溫度及排溫很高,燃燒效率較低。雖然燃燒特性不太理想,但沼氣具有來源豐富、較高熱值和抗爆性好等特點。因此,只要解決好其燃燒速度慢、后燃嚴(yán)重以及排溫高等一些關(guān)鍵問題,沼氣將是理想的優(yōu)質(zhì)燃?xì)狻＝陙淼难芯亢湍M試驗表明:通過設(shè)計湍流強(qiáng)度高的風(fēng)扇形燃燒室、提高壓縮比以及增大點火能量等措施對加快沼氣燃燒速度十分有效,從而解決了沼氣后燃嚴(yán)重的問題,降低排氣溫度,提高了燃燒效率。目前,專用的沼氣燃燒系統(tǒng)已發(fā)展成熟,我國直燃型吸收式熱泵機(jī)組生產(chǎn)工藝和技術(shù)性能也已達(dá)到國際水平,沼氣熱泵可以借鑒其他燃?xì)?如天然氣)熱泵的技術(shù)特點和機(jī)械平臺,因此,沼氣直燃型吸收式熱泵在技術(shù)上完全可行。1.2沼氣冷熱系統(tǒng)的設(shè)計1.2.1燃燒與系統(tǒng)高壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計沼氣燃燒系統(tǒng)包括水封罐、氣水分離緩沖罐和燃燒器三部分。燃燒器是直燃型熱泵機(jī)組的重要設(shè)備,必須根據(jù)沼氣燃燒特性選型設(shè)計,保證充分燃燒并減少污染,而且燃燒器需與循環(huán)系統(tǒng)的高壓發(fā)生器結(jié)合成一體,以簡化結(jié)構(gòu),減少熱損失。燃燒系統(tǒng)對沼氣的輸送、脫硫以及燃燒器的控制,必須有較高的安全性和控制靈敏度,還應(yīng)通過水封罐內(nèi)的水位控制和氣水分離緩沖罐的緩沖穩(wěn)壓作用保持系統(tǒng)正壓,使進(jìn)入燃燒器的沼氣有一定的使用壓力,燃燒后的煙氣則通過余熱換熱器回收熱量或直接排至大氣中。1.2.2熱交換器、吸收器、冷凝器和熱交換器組成熱泵循環(huán)系統(tǒng)主要由高低壓發(fā)生器、蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器和高低溫溶液熱交換器組成。其中高壓發(fā)生器所需的熱輸入來自燃燒系統(tǒng),而冷凝器和吸收器為熱輸出設(shè)備。(1)高壓發(fā)生器的設(shè)計高壓發(fā)生器除了具有與蒸汽型發(fā)生器類似部件外,還包括適用于燃燒系統(tǒng)的爐筒、對流換熱器、余熱換熱器和煙筒等設(shè)備。工作時沼氣由燃燒器噴出,在爐筒中燃燒,高溫?zé)煔馔ㄟ^爐筒和傳熱管加熱二元溶液后,經(jīng)余熱換熱器和煙筒排出,產(chǎn)生的冷劑蒸汽則進(jìn)入低壓發(fā)生器的傳熱管內(nèi)。根據(jù)沼氣燃燒的特點,高壓發(fā)生器采用濕燃燒室較理想,其爐筒后部可浸沒在二元溶液中,而且回流部分作為傳熱面能參與換熱。設(shè)計時配合濕燃燒室應(yīng)選擇煙管式對流換熱器,并把煙管垂直布置,有利于煙汽脫離。煙管內(nèi)應(yīng)設(shè)置波紋隨煙氣溫度降低而變密的濺密式繞流片,以提高傳熱效率。為防止高壓發(fā)生器超壓爆炸,需設(shè)有排氣溫控器、壓力控制器和防爆片等。還需設(shè)置排氣泄壓門,以便在燃燒器故障時,能將淤積在爐膛的沼氣因爆燃產(chǎn)生的沖擊力瞬間釋放。低壓發(fā)生器為管殼式熱交換器。采用沉浸式結(jié)構(gòu)比較適合沼氣熱泵,優(yōu)點是能充分利用每一根傳熱管,溶液受熱均勻。其管排和結(jié)構(gòu)相對簡單,管內(nèi)熱源溫度較低,但靜液柱影響較大,需限制其充液量?？蛇x擇橫向管簇布置方式,以減少垂直方向上的管排數(shù)。當(dāng)供熱負(fù)荷增大時,可用加大高壓發(fā)生器和燃燒器的方法,但必須有所限制,以免影響高低壓發(fā)生器的匹配,導(dǎo)致能耗增加。(2)高效管以提高熱輸出冷凝器由傳熱管、隔板、端蓋、冷劑水盤和擋液裝置等構(gòu)成。傳熱管應(yīng)選用雙側(cè)強(qiáng)化的高效管以提高熱輸出。冷凝器一般與低壓發(fā)生器設(shè)計在一個筒體內(nèi),冷凝器位于低壓發(fā)生器上部,中間隔有水盤。由于加熱時會使溶液沸騰飛濺,為避免發(fā)生冷劑污染,需采用新型網(wǎng)狀擋液裝置,同時確保低壓發(fā)生器第一排傳熱管到冷凝器水盤之間有足夠的距離。(3)凝器的傳熱管道布置吸收器由傳熱管、端蓋、噴淋盤、溶液盤和溶液泵等構(gòu)成,為管殼式結(jié)構(gòu)。吸收器與冷凝器的供熱水管需串接,傳熱管宜選擇帶斜槽或縱槽的高效紫銅管,以交錯排列的方式布置。建議采用壓力型淋板系統(tǒng),通過溶液泵的壓力把液體散布在傳熱管外側(cè),形成均勻液膜。雖然溶液泵需要消耗部分功率,但增加了汽液兩相的接觸面積,傳熱傳質(zhì)效果較好。(4)蒸發(fā)器與吸收器蒸發(fā)器由傳熱管、噴淋盤、冷劑水盤、冷劑泵和擋液裝置等構(gòu)成。傳熱管可選擇大波紋高效紫銅管。蒸發(fā)器與吸收器同屬低壓力區(qū),一般合為一體,蒸發(fā)器位于吸收器上部,必須在汽道中設(shè)置擋液裝置以避免冷劑蒸汽中的液滴進(jìn)入吸收器增加機(jī)組的能耗。應(yīng)選擇淋激式噴淋系統(tǒng)將冷劑水以液膜的形式均勻散布在傳熱管外側(cè),以強(qiáng)化蒸發(fā)效果。(5)熱交換效果好在設(shè)計時,可選用波紋交錯式板式換熱器,在高低溫二元溶液進(jìn)行熱交換后,其剩余溫差僅3~6℃,遠(yuǎn)低于殼管式換熱器的18~30℃,節(jié)能效果非常明顯。1.2.3冷劑蒸汽的制備綜合以上兩方面,即可構(gòu)建出完整的沼氣直燃型吸收式熱泵系統(tǒng),如圖2所示。系統(tǒng)采用雙效溴化鋰吸收式循環(huán),以燃燒器中沼氣燃燒熱加熱高壓發(fā)生器中稀溶液,發(fā)生出高溫冷劑蒸汽,并濃縮為濃溶液,經(jīng)高溫?zé)峤粨Q器進(jìn)入吸收器。低壓發(fā)生器中的稀溶液,被高溫冷劑蒸汽加熱后,也發(fā)生出冷劑蒸汽成為濃溶液,經(jīng)低溫?zé)峤粨Q器進(jìn)入吸收器。濃溶液與吸收器中原有溶液混合成中間溶液,由吸收器泵輸送并噴淋在吸收器管簇外表面,吸收來自蒸發(fā)器的低溫冷劑蒸汽,成為稀溶液進(jìn)入下一個循環(huán)。吸收過程產(chǎn)生的吸收熱以及高低壓發(fā)生器中發(fā)生出的高溫冷劑蒸汽在冷凝器管簇外表面上凝結(jié),所產(chǎn)生的冷凝熱一起作為熱輸出(熱水)供用戶使用。1.3增大點火能量與其他燃?xì)鉄岜孟啾?沼氣熱泵具有以下特點:①沼氣所需要的燃燒空間小,故其高壓發(fā)生器尺寸小,結(jié)構(gòu)更緊湊;②沼氣的輸送和燃燒前的準(zhǔn)備比較簡單,但燃燒速度較慢,需采取提高壓縮比及增大點火能量等措施加以解決;③沼氣燃燒產(chǎn)生的煙氣粉塵含量極少,硫和氮的氧化物也較少,可減少對大氣的污染,有利于環(huán)境保護(hù)。雖然目前還未見沼氣熱泵的具體應(yīng)用實例,但國內(nèi)一些主要生產(chǎn)企業(yè)對沼氣資源的利用做好了準(zhǔn)備。如遠(yuǎn)大集團(tuán)的直燃型吸收式熱泵機(jī)組就設(shè)計成適合沼氣以及多種燃?xì)馐褂玫南到y(tǒng),其2004年推出的一體化直燃機(jī)可用天然氣、沼氣、煤氣等驅(qū)動,其加大型產(chǎn)品BYZ582H1型制熱量達(dá)538kW,BYZ4650H2型制熱量達(dá)到5015kW(制熱出口/入口溫度分別為65/53℃)。所以,沼氣熱泵在國內(nèi)的實際應(yīng)用可以預(yù)期。2經(jīng)濟(jì)計算2.1熱值與效率的計算據(jù)實驗測定:1m3沼氣完全燃燒可產(chǎn)生約23MJ的熱量,按60%的熱效率計算,相當(dāng)于0.6~0.7kg汽油燃燒產(chǎn)生的熱值。相對于價格較高的液化石油氣或煤氣(表1),沼氣的比價最低。所以,以沼氣為燃料驅(qū)動熱泵,具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。2.2沼氣冷熱的耗2.2.1發(fā)電過程及配電過程中損失的比較與電動壓縮式熱泵機(jī)組相比,直燃型吸收式熱泵機(jī)組的COP較低,但兩者的比較標(biāo)準(zhǔn)不同,前者未考慮發(fā)電過程及輸配電過程中的損失。因此,以次能源利用率(PER)比較電動壓縮式熱泵機(jī)組與直燃型吸收式熱泵機(jī)組的能源利用效率及經(jīng)濟(jì)性較為合理。(1)qh—電動壓縮式熱泵機(jī)組PER=QhW+Wfηfηwηy(1)ΡER=QhW+Wfηfηwηy(1)式中Qh——熱泵機(jī)組制熱量,kWW——熱泵壓縮機(jī)功率,kWWf——風(fēng)機(jī)功率,kWηf——電廠的供電效率,取30%ηw——電網(wǎng)的輸送效率,取92%ηy——壓縮機(jī)電機(jī)效率,取90%(2)一次能源利用率計算PER=QhGrqrz+Wrbηfηwηy(2)ΡER=QhGrqrz+Wrbηfηwηy(2)式中Qh——熱泵機(jī)組制熱量,kWGr——燃料的消耗量,kg/s或m3/sqrz——燃料的熱值,kJ/kg或kJ/m3Wrb——熱泵機(jī)組各類泵消耗的功率,kW為了進(jìn)行比較,直燃型吸收式熱泵選遠(yuǎn)大集團(tuán)BZ50-VⅡ型機(jī)組(天然氣),其額定工況下的參數(shù)見表2所示;電動壓縮式熱泵選不同廠家生產(chǎn)的3種不同壓縮機(jī)(活塞式、螺桿式和渦旋式)驅(qū)動的熱泵機(jī)組,其額定工況下的參數(shù)見表3;一次能源利用率(PER)的計算結(jié)果見表4所示。從表4可見,直燃型吸收式熱泵機(jī)組的一次能源利用率(PER)比活塞式、螺桿式和渦旋式電動熱泵機(jī)組分別高14.1%、14.3%和6.8%。說明直燃型吸收式熱泵具有較高的能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性。2.2.2油氣和煤氣的價格優(yōu)勢對比一方面,沼氣直燃型吸收式熱泵與電動壓縮式熱泵比較,具有能源利用率高的特點;另一方面,由表1中燃?xì)鈹?shù)據(jù)的比較分析可見,沼氣比液化石油氣和煤氣具有明顯的價格優(yōu)勢,比價也略低于天然氣。而能源價格是決定熱泵運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的主要因素,顯然能源價格越低,運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性越高。例如,把沼氣與液化石油氣分別應(yīng)用于供熱量同為25kW的小型直燃型熱泵機(jī)組中,以目前的能源價格測算,沼氣熱泵機(jī)組每年可節(jié)約燃料費(fèi)1500元以上。因此,從使用不同燃?xì)獾闹比夹臀帐綗岜脵C(jī)組的對比中,可以確定沼氣熱泵在經(jīng)濟(jì)性方面具有更進(jìn)