浅谈燃气直燃型吸收式热泵的节能环保

浅谈燃气直燃型吸收式热泵的节能环保

直燃型吸收式热泵吸收热量通过加热和热量生产工艺，并通过二次吸收和生成能耗、蒸发和冷凝等循环过程向用户提供加热。根据循环过程和主要设备的组合情况,可分为第Ⅰ类和第Ⅱ类吸收式热泵。前者以高温热源驱动,吸收低温热源的热量,以中温热水的形式供给用户。循环流程图如图1所示。直燃型吸收式热泵即为此类,以燃料燃烧所产生的高温烟气为动力,驱动热泵运行。1968年世界上首台直燃机在日本诞生。目前,我国已成为世界上直燃型吸收式热泵机组的生产大国。近十年来,我国大中型直燃一体机组的销售量不断上升,技术性能得到很大改善和提高,单效和双效直燃型吸收式热泵机组的循环性能系数COP分别达到0.7和1.2左右,新品三效直燃机组的COP可达1.5以上。此外,在开发低NOx燃烧机方面也取得了进展,例如通过采用燃烧风机再循环烟气,可降低火焰温度以减少NOx的形成等。国外研究机构在此领域投入了大量资金进行开发和研制。如德国的KrenC,SchweiglerC和ZieglerF通过一项联合研究项目,开发出适合欧洲市场使用的高效直燃双效吸收式冷热水机组,其热效率可提高约20%,并已对包括燃烧器和烟气余热回收装置的样机进行了试验。荷兰的VanderStoelJP开展了家用燃气直燃型吸收式热泵的研究,并进行了工程制造和样机试验,为其产业化奠定了基础。我国沼气资源丰富,如果能把这种可再生能源应用于直燃型吸收式热泵,将可缓解我国能源紧张的局面,同时促进二者的推广应用,具有极大的发展潜力。1沼气冷热系统的设计1.1沼气燃气的研究与模拟沼气主要成分是甲烷(CH4),约占50%~70%,其余成分基本为CO2。沼气燃烧速度较慢,持续期较长,后燃严重着火温度及排温很高,燃烧效率较低。虽然燃烧特性不太理想,但沼气具有来源丰富、较高热值和抗爆性好等特点。因此,只要解决好其燃烧速度慢、后燃严重以及排温高等一些关键问题,沼气将是理想的优质燃气。近年来的研究和模拟试验表明:通过设计湍流强度高的风扇形燃烧室、提高压缩比以及增大点火能量等措施对加快沼气燃烧速度十分有效,从而解决了沼气后燃严重的问题,降低排气温度,提高了燃烧效率。目前,专用的沼气燃烧系统已发展成熟,我国直燃型吸收式热泵机组生产工艺和技术性能也已达到国际水平,沼气热泵可以借鉴其他燃气(如天然气)热泵的技术特点和机械平台,因此,沼气直燃型吸收式热泵在技术上完全可行。1.2沼气冷热系统的设计1.2.1燃烧与系统高压发生器的结构设计沼气燃烧系统包括水封罐、气水分离缓冲罐和燃烧器三部分。燃烧器是直燃型热泵机组的重要设备,必须根据沼气燃烧特性选型设计,保证充分燃烧并减少污染,而且燃烧器需与循环系统的高压发生器结合成一体,以简化结构,减少热损失。燃烧系统对沼气的输送、脱硫以及燃烧器的控制,必须有较高的安全性和控制灵敏度,还应通过水封罐内的水位控制和气水分离缓冲罐的缓冲稳压作用保持系统正压,使进入燃烧器的沼气有一定的使用压力,燃烧后的烟气则通过余热换热器回收热量或直接排至大气中。1.2.2热交换器、吸收器、冷凝器和热交换器组成热泵循环系统主要由高低压发生器、蒸发器、吸收器、冷凝器和高低温溶液热交换器组成。其中高压发生器所需的热输入来自燃烧系统,而冷凝器和吸收器为热输出设备。(1)高压发生器的设计高压发生器除了具有与蒸汽型发生器类似部件外,还包括适用于燃烧系统的炉筒、对流换热器、余热换热器和烟筒等设备。工作时沼气由燃烧器喷出,在炉筒中燃烧,高温烟气通过炉筒和传热管加热二元溶液后,经余热换热器和烟筒排出,产生的冷剂蒸汽则进入低压发生器的传热管内。根据沼气燃烧的特点,高压发生器采用湿燃烧室较理想,其炉筒后部可浸没在二元溶液中,而且回流部分作为传热面能参与换热。设计时配合湿燃烧室应选择烟管式对流换热器,并把烟管垂直布置,有利于烟汽脱离。烟管内应设置波纹随烟气温度降低而变密的溅密式绕流片,以提高传热效率。为防止高压发生器超压爆炸,需设有排气温控器、压力控制器和防爆片等。还需设置排气泄压门,以便在燃烧器故障时,能将淤积在炉膛的沼气因爆燃产生的冲击力瞬间释放。低压发生器为管壳式热交换器。采用沉浸式结构比较适合沼气热泵,优点是能充分利用每一根传热管,溶液受热均匀。其管排和结构相对简单,管内热源温度较低,但静液柱影响较大,需限制其充液量。可选择横向管簇布置方式,以减少垂直方向上的管排数。当供热负荷增大时,可用加大高压发生器和燃烧器的方法,但必须有所限制,以免影响高低压发生器的匹配,导致能耗增加。(2)高效管以提高热输出冷凝器由传热管、隔板、端盖、冷剂水盘和挡液装置等构成。传热管应选用双侧强化的高效管以提高热输出。冷凝器一般与低压发生器设计在一个筒体内,冷凝器位于低压发生器上部,中间隔有水盘。由于加热时会使溶液沸腾飞溅,为避免发生冷剂污染,需采用新型网状挡液装置,同时确保低压发生器第一排传热管到冷凝器水盘之间有足够的距离。(3)凝器的传热管道布置吸收器由传热管、端盖、喷淋盘、溶液盘和溶液泵等构成,为管壳式结构。吸收器与冷凝器的供热水管需串接,传热管宜选择带斜槽或纵槽的高效紫铜管,以交错排列的方式布置。建议采用压力型淋板系统,通过溶液泵的压力把液体散布在传热管外侧,形成均匀液膜。虽然溶液泵需要消耗部分功率,但增加了汽液两相的接触面积,传热传质效果较好。(4)蒸发器与吸收器蒸发器由传热管、喷淋盘、冷剂水盘、冷剂泵和挡液装置等构成。传热管可选择大波纹高效紫铜管。蒸发器与吸收器同属低压力区,一般合为一体,蒸发器位于吸收器上部,必须在汽道中设置挡液装置以避免冷剂蒸汽中的液滴进入吸收器增加机组的能耗。应选择淋激式喷淋系统将冷剂水以液膜的形式均匀散布在传热管外侧,以强化蒸发效果。(5)热交换效果好在设计时,可选用波纹交错式板式换热器,在高低温二元溶液进行热交换后,其剩余温差仅3~6℃,远低于壳管式换热器的18~30℃,节能效果非常明显。1.2.3冷剂蒸汽的制备综合以上两方面,即可构建出完整的沼气直燃型吸收式热泵系统,如图2所示。系统采用双效溴化锂吸收式循环,以燃烧器中沼气燃烧热加热高压发生器中稀溶液,发生出高温冷剂蒸汽,并浓缩为浓溶液,经高温热交换器进入吸收器。低压发生器中的稀溶液,被高温冷剂蒸汽加热后,也发生出冷剂蒸汽成为浓溶液,经低温热交换器进入吸收器。浓溶液与吸收器中原有溶液混合成中间溶液,由吸收器泵输送并喷淋在吸收器管簇外表面,吸收来自蒸发器的低温冷剂蒸汽,成为稀溶液进入下一个循环。吸收过程产生的吸收热以及高低压发生器中发生出的高温冷剂蒸汽在冷凝器管簇外表面上凝结,所产生的冷凝热一起作为热输出(热水)供用户使用。1.3增大点火能量与其他燃气热泵相比,沼气热泵具有以下特点:①沼气所需要的燃烧空间小,故其高压发生器尺寸小,结构更紧凑;②沼气的输送和燃烧前的准备比较简单,但燃烧速度较慢,需采取提高压缩比及增大点火能量等措施加以解决;③沼气燃烧产生的烟气粉尘含量极少,硫和氮的氧化物也较少,可减少对大气的污染,有利于环境保护。虽然目前还未见沼气热泵的具体应用实例,但国内一些主要生产企业对沼气资源的利用做好了准备。如远大集团的直燃型吸收式热泵机组就设计成适合沼气以及多种燃气使用的系统,其2004年推出的一体化直燃机可用天然气、沼气、煤气等驱动,其加大型产品BYZ582H1型制热量达538kW,BYZ4650H2型制热量达到5015kW(制热出口/入口温度分别为65/53℃)。所以,沼气热泵在国内的实际应用可以预期。2经济计算2.1热值与效率的计算据实验测定:1m3沼气完全燃烧可产生约23MJ的热量,按60%的热效率计算,相当于0.6~0.7kg汽油燃烧产生的热值。相对于价格较高的液化石油气或煤气(表1),沼气的比价最低。所以,以沼气为燃料驱动热泵,具有较高的经济效益。2.2沼气冷热的耗2.2.1发电过程及配电过程中损失的比较与电动压缩式热泵机组相比,直燃型吸收式热泵机组的COP较低,但两者的比较标准不同,前者未考虑发电过程及输配电过程中的损失。因此,以次能源利用率(PER)比较电动压缩式热泵机组与直燃型吸收式热泵机组的能源利用效率及经济性较为合理。(1)qh—电动压缩式热泵机组PER=QhW+Wfηfηwηy(1)ΡER=QhW+Wfηfηwηy(1)式中Qh——热泵机组制热量,kWW——热泵压缩机功率,kWWf——风机功率,kWηf——电厂的供电效率,取30%ηw——电网的输送效率,取92%ηy——压缩机电机效率,取90%(2)一次能源利用率计算PER=QhGrqrz+Wrbηfηwηy(2)ΡER=QhGrqrz+Wrbηfηwηy(2)式中Qh——热泵机组制热量,kWGr——燃料的消耗量,kg/s或m3/sqrz——燃料的热值,kJ/kg或kJ/m3Wrb——热泵机组各类泵消耗的功率,kW为了进行比较,直燃型吸收式热泵选远大集团BZ50-VⅡ型机组(天然气),其额定工况下的参数见表2所示;电动压缩式热泵选不同厂家生产的3种不同压缩机(活塞式、螺杆式和涡旋式)驱动的热泵机组,其额定工况下的参数见表3;一次能源利用率(PER)的计算结果见表4所示。从表4可见,直燃型吸收式热泵机组的一次能源利用率(PER)比活塞式、螺杆式和涡旋式电动热泵机组分别高14.1%、14.3%和6.8%。说明直燃型吸收式热泵具有较高的能源利用效率和经济性。2.2.2油气和煤气的价格优势对比一方面,沼气直燃型吸收式热泵与电动压缩式热泵比较,具有能源利用率高的特点;另一方面,由表1中燃气数据的比较分析可见,沼气比液化石油气和煤气具有明显的价格优势,比价也略低于天然气。而能源价格是决定热泵运行经济性的主要因素,显然能源价格越低,运行经济性越高。例如,把沼气与液化石油气分别应用于供热量同为25kW的小型直燃型热泵机组中,以目前的能源价格测算,沼气热泵机组每年可节约燃料费1500元以上。因此,从使用不同燃气的直燃型吸收式热泵机组的对比中,可以确定沼气热泵在经济性方面具有更进