引言近年来，随着全球经济的快速发展，人们对于能源需求和环境保护的关注度日益增加。而燃气锅炉产生的烟气中含有大量水蒸气，当排烟温度较高时，在烟囱周围形成白烟，产生雾霾，且水蒸气的潜热不能得到充分利用，造成能源浪费。寻求一种节能、产生效益的烟气处理流程，消除白羽，充分利用烟气余热，成为当前的研究热点。韩宇[1]等提出应用氟塑料换热器技术，在电站锅炉尾部烟道中同时串联布置２级水媒式烟气加热器与２级低温省煤器，使烟气余热进行充分的梯级利用。廖高良[2]等综述烟气余热利用的研究现状，得出结合吸收式溴化锂热泵技术，可以实现烟气出口温度低于热媒进口温度。孙杰[3]等提出一种锅炉排烟温度自动控制的高效循环系统方案。祝侃[4]等提出一种使用吸收式热泵和直接接触式换热技术的热回收系统。以上研究都是基于单个吸收式热泵装置或直膨式热泵进行改进。本研究提出一种利用烟气余热驱动溴化锂吸收式制冷—直膨热泵一体装置，实现利用烟气余热冷热联供，可以高效利用燃气锅炉烟气中的热量，满足不同工况和环境下的制冷、制热需求，同时消除燃气锅炉烟气排放白羽。还通过Aspen Plus对其中的溴化锂吸收式制冷装置进行理论设计模拟，讨论制冷参数和烟气出口温度对该系统COP和制冷量的影响，为燃气锅炉余热深度利用设计提供理论参考。1系统介绍本装置为燃气锅炉烟气余热分段驱动的溴化锂吸收式制冷装置和R134a直膨热泵装置，系统示意图如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F001图1烟气余热驱动溴化锂吸收式制冷—直膨热泵一体装置图1.1溴化锂吸收式制冷装置对于单效溴化锂吸收式制冷系统，包括发生器、吸收器、节流阀、冷凝器、蒸发器、溶液热交换器以及循环泵。溴化锂稀溶液在发生器中与高温烟气进行热交换，溴化锂稀溶液吸热，不断分离出冷剂水蒸气，变成溴化锂浓溶液，当烟气温度降低至80 ℃后进入直膨式装置。分离出来的冷剂水蒸气在冷凝器中放热，被冷凝成液态冷剂水，经过节流阀的绝热节流作用后进入蒸发器，冷凝器处冷却水吸热升温后流入吸收器。液态冷剂水在蒸发器内吸收大量热量，变成冷剂水蒸气，产生制冷量，并进入吸收器。吸收器中经发生器回流的溴化锂浓溶液吸收冷剂水蒸气后变成溴化锂稀溶液，放出热量，冷却水吸热升温后又流回冷凝器，同时通过溶液热交换器，使浓溶液和稀溶液在各自进入吸收器和发生器之前彼此进行热量交换，使稀溶液温度升高，浓溶液温度降低。冷却水循环加热达到工艺要求后供生产线使用。1.2直膨热泵装置直膨热泵系统由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流阀等组成。烟气主要流经直膨式热泵蒸发器，与制冷剂R134a进行热交换，R134a蒸发吸热，烟气放热，温度降低后再排入大气。过热的R134a蒸汽经压缩机压缩升温后，在冷凝器中与循环工艺热水进行热交换，R134a蒸汽放出热量冷却冷凝，循环工艺热水升温达到工艺要求后供生产线使用，冷凝后的R134a经节流阀降压后进入蒸发器再吸收烟气的热量蒸发，如此循环，使得烟气降温，循环工艺热水获得热量。烟气最终温度可降到30~40 ℃。对溴化锂吸收式制冷系统进行Aspen仿真，工作过程包括发生、冷凝、节流、蒸发和吸收过程。溴化锂吸收式制冷机工作过程如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F002图2溴化锂吸收式制冷机工作过程图中：h表示烟气焓值；pk表示冷凝压力，即发生器压力；pa表示吸收器压力，即蒸发压力；ωa表示吸收器的饱和稀溶液状态下溴化锂的质量分数；ωr表示发生过程终了时溴化锂溶液的质量分数。2烟气显热的计算假设锅炉烟气余热进入发生器的温度为150 ℃，烟气量1 800 m3/h，通过文献[5]中有关天然气的气体含量和比热容数据进行理论计算。研究表明，烟气余热进入发生器的温度在57~185 ℃之间，随着温度的下降，烟气焓值下降缓慢。当温度达到57 ℃时，由于水蒸气开始冷凝，焓值下降加快[6]，不同温度下烟气焓值如图3所示。当其出口温度为100 ℃、95 ℃、90 ℃、85 ℃、80 ℃时，只需考虑烟气的显热，无须进行汽化潜热的计算。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F003图3不同温度下烟气焓值通过烟气中各气体含量，求得单位体积的显热值。烟气显热公式如下[7]：Q1=V×CP1×T1-CP2×T2 (1)冷媒进口12 ℃、出口7 ℃、蒸发温度5 ℃时，不同烟气出口温度的显热对比，如表1所示。由表1可知，相同制冷状态参数下，当烟气的出口温度为80 ℃时，可以得到最多的热量用于制冷循环系统。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T001表1不同烟气出口温度的烟气显热值温度/℃烟气显热值Q/（kJ/h）80174 569.3785163 872.0790149 788.4095163 872.07100174 569.373不同工况下的Aspen模拟分析3.1流程的假设与构建进行模拟之前，先完成组分定义。在溴化锂吸收式制冷系统中，工作介质为溴化锂溶液和水，由于溴化锂在水溶液中为离子态，因此需要使用Aspen电解质向导Elec Wizard在组分中添加溴离子、锂离子[8]。锅炉烟气的组分为H2O、CO2、N2、O2。由于定义了电解质组分，在模拟过程中，Elecnrtl基本物性法被用于模拟系统中的各个电离子之间的反应[9]。再根据溴化理吸收式循环系统的原理图搭建Aspen Plus的模拟流程，如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F004图4Aspen Plus流程图3.2工况对比（1）制冷状态参数的假定如表2所示。保持烟气出口温度不变，改变制冷状态参数，通过Aspen Plus的模拟，得到同样烟气出口温度下，单位制冷量随蒸发温度的变化情况，如图5所示。同样烟气出口温度下，COP随蒸发温度的变化情况如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T002表2制冷状态参数的假定温度制冷状态12345冷媒水进口温度1012141618冷媒水出口温度5791113蒸发温度357911℃10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F005图5单位制冷量随蒸发温度的变化情况10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F006图6COP随蒸发温度的变化情况（2）烟气出口温度的假定如表3所示。保持制冷状态参数2的情况下，通过Aspen Plus模拟，得到单位制冷量随烟气出口温度的变化情况如图7所示。得到COP随烟气出口温度的变化情况如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T003表3烟气出口温度的假定序号123456烟气出口温度7580859095100℃10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F007图7单位制冷量随烟气出口温度变化情况10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F008图8COP随烟气出口温度变化情况4结果与分析4.1制冷参数对系统制冷量及COP的影响由图5和图6可知，当蒸发温度降低时，系统制冷量和COP都随之下降。原因是当蒸发温度降低时，蒸发压力下降，吸收器内溶液吸收水蒸气的能力减弱，吸收终了稀溶液中溴化锂的质量分数升高，放气范围变小，系统制冷量下降，性能系数降低。满足生产工艺或性能需求的基础上，应尽可能地提高蒸发温度。4.2烟气出口温度对系统制冷量及COP的影响由图7和图8可知，当烟气出口温度降低时，系统制冷量和COP都随之升高。原因是当烟气进口温度不变，出口温度降低时，烟气出口焓值降低，烟气释放显热增加，即烟气所能提供的冷量增加，系统制冷量增加，性能系数增大。但是当烟气出口温度低于80 ℃时，性能系数COP变化率开始变得平缓，意味着烟气出口温度低于80 ℃时，进一步降低烟气温度回收烟气中热量意义不大。从烟气余热回收利用经济角度分析，通过溴化锂吸收式制冷系统进行烟气余热利用，烟气出口温度降至80 ℃为宜。此时烟气中还含有大量潜热，可进一步采用直膨式热泵装置对烟气余热进行深度利用。5结语本设计为烟气余热深度利用，充分利用燃气烟气中高含水量的潜热，同时获取冷量与热量，而且烟气输出特性为湿度较低的干烟气，低空排出后，不会产生白烟现象。该装置接入锅炉系统方便、可靠性高，可实现冷热联供的节能最大化，环保处理装置运行经济化、效益化。基于Aspen Plus模拟软件，对溴化锂吸收式制冷系统对燃气锅炉烟气余热的性能影响因素进行模拟分析，主要结论如下：（1）当烟气出口温度不变，蒸发温度降低时，系统制冷量和COP都随之下降。在满足生产工艺或性能需求的基础上，应尽可能地提高蒸发温度。（2）当制冷参数不变，烟气出口温度降低时，系统制冷量和COP都随之升高。但是当烟气出口温度低于80 ℃时，COP变化率开始趋于平缓。故烟气出口温度降至80 ℃为宜，之后可进一步采用直膨式热泵装置对烟气余热进行深度利用。