嚴(yán)寒地區(qū)大型燃?xì)忮仩t排煙加熱空氣方式的優(yōu)化與應(yīng)用

肖慧鵬王隨林穆連波翟慧星程冬冬馬兆康

吳亞?wèn)|2壽德2張 偉3陳玉平4張彤4王守金5

（1北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100044；2烏魯木齊市供熱行業(yè)管理辦公室 烏魯木齊 830000；3新疆維泰熱力股份有限公司 烏魯木齊 830000；4新疆騎馬山熱力有限公司 烏魯木齊 830000；5北京華遠(yuǎn)意通熱力科技股份有限公司 北京 100160）

嚴(yán)寒地區(qū)大型燃?xì)忮仩t排煙加熱空氣方式的優(yōu)化與應(yīng)用

肖慧鵬1王隨林1穆連波1翟慧星1程冬冬1馬兆康1

吳亞?wèn)|2壽德2張 偉3陳玉平4張彤4王守金5

（1北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100044；2烏魯木齊市供熱行業(yè)管理辦公室 烏魯木齊 830000；3新疆維泰熱力股份有限公司 烏魯木齊 830000；4新疆騎馬山熱力有限公司 烏魯木齊 830000；5北京華遠(yuǎn)意通熱力科技股份有限公司 北京 100160）

由于嚴(yán)寒地區(qū)冬季室外空氣的溫度低，助燃的空氣進(jìn)入鍋爐會(huì)產(chǎn)生爆燃和震動(dòng)、燃燒效率降低。同時(shí)大型供熱系統(tǒng)回水溫度高，燃?xì)忮仩t排煙溫度較高，排煙余熱深度利用中，煙溫降低程度受到回水溫度條件限制。本文提出了新的煙氣加熱空氣方式，與常規(guī)煙氣加熱空氣方式相比，減少了設(shè)備耗材、體積及阻力，應(yīng)用于大型燃?xì)夤徨仩t煙氣余熱深度梯級(jí)利用的節(jié)能改造。工程實(shí)測(cè)表明：煙氣余熱回收和助燃空氣加熱系統(tǒng)，可將煙氣溫度降到鍋爐回水溫度及以下，鍋爐燃?xì)饫脽嵝侍岣吡?3.2%，煙氣余熱回收率為66.7%，實(shí)現(xiàn)了排煙余熱深度利用，并解決了助燃空氣進(jìn)入鍋爐產(chǎn)生爆燃和震動(dòng)的問(wèn)題，為嚴(yán)寒地區(qū)燃?xì)忮仩t煙氣余熱深度利用與助燃空氣加熱提供了參考。

嚴(yán)寒地區(qū)；大型燃?xì)忮仩t；排煙余熱利用；空氣加熱；工程實(shí)測(cè)

我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)室外溫度低，如烏魯木齊市的供暖室外計(jì)算溫度為－19.7℃，供暖季平均溫度為 －7.1℃，累年最冷月平均溫度為 －12.7℃［1］，累年最冷日平均溫度為－29.3℃［2］；哈爾濱市的供暖室外計(jì)算溫度為－24.2℃，供暖季平均溫度為－9.4℃，累年最冷月平均溫度為－18.4℃，累年最冷日平均溫度為－32.0℃。在這些地區(qū)，由于室外空氣溫度低，作為助燃空氣進(jìn)入鍋爐易產(chǎn)生爆燃和振動(dòng)，使得鍋爐燃燒效率降低，對(duì)空氣進(jìn)行加熱是減少鍋爐振動(dòng)和噪聲、提高燃燒效率的重要途徑。常規(guī)空氣加熱設(shè)備采用煙氣加熱空氣，由于空氣和煙氣均為氣體，與液體相比，對(duì)流換熱系數(shù)低，換熱設(shè)備傳熱系數(shù)?。?］，需要的換熱面積大，體積大，耗材多，設(shè)備阻力大［4］，煙氣冷凝水還會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕［5－8］。

本文提出的基于空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式，與常規(guī)空氣-煙氣換熱的空氣加熱方式相比，大幅度減小體積和耗材，降低了空氣和煙氣阻力，同時(shí)可將排煙溫度降到回水溫度以下，深度回收煙氣顯熱和水蒸氣冷凝潛熱［9－16］，實(shí)現(xiàn)煙氣余熱深度利用。將該空氣加熱方式應(yīng)用于烏魯木齊市某70 MW大型燃?xì)夤徨仩t排煙余熱深度利用節(jié)能改造工程，進(jìn)行跟蹤檢測(cè)與數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)：在空間小、投資低的條件下，顯著改善了助燃空氣進(jìn)入鍋爐產(chǎn)生爆燃、振動(dòng)及燃燒效率降低的現(xiàn)象，同時(shí)實(shí)現(xiàn)排煙余熱深度利用，提高鍋爐系統(tǒng)效率，為嚴(yán)寒地區(qū)燃?xì)忮仩t煙氣余熱深度利用與助燃空氣加熱系統(tǒng)優(yōu)化提供參考。

圖1 空氣?水?煙氣換熱的空氣加熱方式用于排煙余熱深度利用系統(tǒng)原理圖Fig.1 The principle diagram of the gas boiler smoke waste heat deep utilization system based on the air?water?flue gas pattern to heat the air

1 空氣加熱方式分析

1.1 空氣?水?煙氣換熱的空氣加熱方式

結(jié)合空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式的燃?xì)夤徨仩t排煙余熱深度利用系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

由圖1可知，煙氣用于加熱一次網(wǎng)回水和二次網(wǎng)回水，鍋爐助燃空氣的加熱方式，采用空氣-水-煙氣換熱的方式，即由空氣-水間壁式換熱設(shè)備和煙氣-水間壁式換熱設(shè)備組成。一次網(wǎng)回水在空氣預(yù)熱器中加熱助燃空氣后，再進(jìn)入煙氣冷凝熱能回收裝置吸收煙氣余熱，當(dāng)溫度先回升到一次網(wǎng)回水溫度ts1后，進(jìn)一步被煙氣加熱升溫，最后進(jìn)入鍋爐；鍋爐出口煙氣加熱一次網(wǎng)回水后溫度降到ty2，進(jìn)一步加熱二次網(wǎng)回水，煙溫最終降到ty3。

1.2 空氣?水?煙氣換熱與空氣?煙氣換熱的空氣加熱方式比較

常規(guī)空氣加熱方式為空氣與煙氣通過(guò)間壁式換熱設(shè)備進(jìn)行熱量交換，為提高單位體積換熱能力，通常采用板式換熱方式，如圖2所示。

空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式（如圖3所示），即由空氣-水間壁式換熱設(shè)備和煙氣-水間壁式換熱設(shè)備組成，可通過(guò)在氣側(cè)加肋的方式強(qiáng)化傳熱［3，17－18］，大幅度減小設(shè)備體積和耗材，并通過(guò)優(yōu)化降低阻力，便于在空間小、投資低的條件下實(shí)施。

圖2 空氣?煙氣換熱原理示意圖Fig.2 The schematic diagram of heat transfer of air and flue gas

圖3 空氣（或煙氣）?水換熱示意圖Fig.3 The schematic diagram of heat transfer of air or flue gas?water

以某70 MW大型燃?xì)夤徨仩t煙氣余熱深度利用節(jié)能改造為例，設(shè)計(jì)條件為：鍋爐回水溫度53℃，在煙氣加熱空氣系統(tǒng)中，在供暖季室外空氣平均溫度－7.1℃條件下，空氣被加熱到30℃，煙氣溫度從55.3℃降到53℃，空氣與煙氣總阻力為200 Pa。對(duì)其分別采用空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式與空氣-煙氣換熱的空氣加熱方式，且空氣-水-煙氣換熱設(shè)備采用自主研發(fā)的防腐高效低阻換熱設(shè)備，進(jìn)行設(shè)備選型，比較結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，在相同換熱量及設(shè)計(jì)參數(shù)下，空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式采用自主研發(fā)的防腐高效低阻換熱設(shè)備，其設(shè)備的換熱面積與空氣-煙氣換熱的空氣加熱方式相當(dāng)?？諝?煙氣換熱的空氣加熱方式的設(shè)備體積為空氣-水-煙氣換熱設(shè)備體積的6.8倍，其設(shè)備凈質(zhì)量是空氣-水-煙氣換熱設(shè)備的2.8倍。原因是氣-氣換熱雖然傳熱溫差較大，但兩側(cè)流體均為氣體，傳熱系數(shù)小，空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式傳熱系數(shù)較大，且可通過(guò)氣側(cè)加肋的方式強(qiáng)化傳熱，大幅度減小設(shè)備體積和耗材。因此，氣-氣換熱設(shè)備耗材多、體積大，若減小體積，則會(huì)造成設(shè)備煙風(fēng)阻力大，影響鍋爐等設(shè)備的正常運(yùn)行。

表1 兩種煙氣加熱空氣方式設(shè)備選型比較Tab.1 The equipment selection of two types of flue gas heating the air

2 燃?xì)夤徨仩t煙氣余熱深度利用節(jié)能改造工程實(shí)測(cè)

2.1 工程概況

烏魯木齊市某70 MW燃?xì)鉄崴仩t，一次網(wǎng)回水溫度為51.8～52.5℃，二次網(wǎng)回水溫度為32.6～32.7℃。在安裝空間及項(xiàng)目投資均有限的條件下，采用自主研發(fā)的防腐高效低阻煙氣冷凝熱能回收裝置和空氣-水換熱設(shè)備，對(duì)鍋爐進(jìn)行排煙余熱深度利用與助燃空氣加熱節(jié)能改造，加熱空氣采用空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式，原理如圖1所示。

2.2 測(cè)試原理及數(shù)據(jù)整理依據(jù)

1）節(jié)能率Δη

燃?xì)忮仩t排煙余熱利用提高的燃?xì)饫脽嵝?，即?jié)能率Δη，為回收煙氣熱量與燃?xì)忮仩t燃?xì)馊紵艧崃恐龋?/p>

式中：Q1為回收煙氣熱量，kW；Qr為燃?xì)忮仩t燃?xì)馊紵艧崃?，kW。

2）排煙余熱回收率Δη′

Δ η′為回收煙氣熱量與鍋爐出口煙氣攜帶的總余熱量之比：

式中：Qy為鍋爐出口煙氣攜帶的總余熱量，kW，即煙氣從鍋爐出口溫度降到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0℃，101.325 kPa）放出的總熱量。

2.3 主要測(cè)試參數(shù)及儀器設(shè)備

主要測(cè)試參數(shù)及儀器設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 主要測(cè)試參數(shù)及儀器設(shè)備Tab.2 Main test parameters and instruments

圖4 空氣?水?煙氣換熱過(guò)程中空氣和煙氣及水溫變化Fig.4 The temperature change of the air，flue gas and water in the process of heating in the pattern of air?water?flue gas

3 檢測(cè)及計(jì)算結(jié)果與分析

檢測(cè)時(shí)間為2015／2016年供暖季，鍋爐負(fù)荷率為53.6% ～75.1%，過(guò)剩空氣系數(shù)為1.3～1.4。

3.1 空氣?水?煙氣加熱過(guò)程中溫度的變化

采用空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式的換熱過(guò)程中空氣、煙氣及水溫變化見(jiàn)圖4（a）和（b）。由圖4可知，換熱過(guò)程中，一次網(wǎng)回水溫度為51.8～ 52.5℃，煙氣溫度由53.3～62.7℃降至51.1～52.7℃，煙氣溫度降到回水溫度及以下。并將7.8～8.9℃的助燃空氣加熱至42.4～43.4℃。

3.2 空氣?水?煙氣加熱過(guò)程中空氣吸熱量／煙氣放熱量

采用空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式的換熱過(guò)程中，空氣吸熱量／煙氣放熱量見(jiàn)圖5。

圖5 空氣吸熱量／煙氣放熱量Fig.5 The variation of the heat transferred from the gas to the air with time

由圖5可知，換熱過(guò)程中，助燃空氣溫度被加熱為42.4～43.4℃，避免嚴(yán)寒地區(qū)助燃空氣進(jìn)入鍋爐產(chǎn)生爆燃和振動(dòng)及噪聲，此過(guò)程空氣吸熱量或煙氣放熱量為647～903 kW。

圖6 煙氣加熱一次網(wǎng)回水系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果Fig.6 The testing results of primary network backwater system of flue gas heating

3.4 燃?xì)夤徨仩t煙氣余熱深度利用節(jié)能改造工程效果

在燃?xì)夤徨仩t排煙余熱深度利用節(jié)能改造工程中，煙氣加熱一次網(wǎng)回水，進(jìn)而加熱二次網(wǎng)回水。

3.4.1 煙氣加熱一次網(wǎng)回水系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果

在煙氣加熱一次網(wǎng)回水系統(tǒng)中，結(jié)合了空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式，將煙氣溫度進(jìn)一步降低，深度回收煙氣顯熱和水蒸氣冷凝潛熱。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可知，當(dāng)回水溫度51.8～52.5℃時(shí)，空氣冷卻后回水溫度降至50.4～50.7℃，使鍋爐排煙溫度由124.6～157.8℃降至51.1～52.7℃，將排煙溫度降到回水溫度及以下，在空間小、投資低的條件下，實(shí)現(xiàn)了排煙余熱深度利用。

3.4.2 燃?xì)夤徨仩t排煙余熱深度利用節(jié)能改造工程檢測(cè)結(jié)果

在燃?xì)夤徨仩t排煙余熱深度利用節(jié)能改造工程中，煙氣加熱一次網(wǎng)回水后，繼而加熱二次網(wǎng)回水，實(shí)現(xiàn)余熱梯級(jí)利用，最終檢測(cè)結(jié)果的平均值，見(jiàn)表3。

表3 燃?xì)夤徨仩t排煙余熱深度利用節(jié)能改造工程檢測(cè)結(jié)果Tab.3 The testing results of energy saving reconstruction project for gas heating boiler flue gas waste heat deep utilization

由表3可知，鍋爐平均出口煙溫從146℃降至平均排煙溫度37.5℃，其中回收的煙氣顯熱和冷凝水潛熱基本相當(dāng)，總節(jié)能率 13.2%，總余熱回收率66.7%，實(shí)現(xiàn)了排煙余熱深度回收利用。

4 結(jié)論

本文提出了空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式，并對(duì)采用該空氣加熱方式的大型燃?xì)夤徨仩t煙氣余熱深度利用節(jié)能改造系統(tǒng)的部分及整體進(jìn)行跟蹤實(shí)測(cè)，得到的結(jié)論如下：

1）空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式與常規(guī)空氣-煙氣換熱的空氣加熱方式相比，可大幅度減小設(shè)備體積和耗材，并可通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低煙氣和空氣側(cè)阻力，在相同換熱量及設(shè)計(jì)參數(shù)下，空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式采用自主研發(fā)的防腐高效低阻換熱設(shè)備，兩種空氣加熱方式的換熱面積相當(dāng)，空氣-煙氣換熱的空氣加熱方式設(shè)備體積為空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式的6.8倍，設(shè)備質(zhì)量是空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式的2.8倍，便于在空間小、投資低的條件下應(yīng)用。

2）空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式采用自主研發(fā)的防腐高效低阻換熱設(shè)備的工程實(shí)測(cè)表明，在被加熱介質(zhì)（一次網(wǎng)回水）溫度51.8～52.5℃條件下，將煙氣溫度降至51.1～52.7℃，即降到了一次網(wǎng)回水溫度及以下，助燃空氣溫度被加熱至42.4～43.4℃，避免了助燃空氣進(jìn)入鍋爐產(chǎn)生爆燃、振動(dòng)及噪聲。

3）結(jié)合空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式的燃?xì)夤徨仩t煙氣冷凝余熱深度利用節(jié)能改造工程應(yīng)用表明，在一次網(wǎng)回水溫度51.8～52.5℃和二次網(wǎng)回水溫度32.6～32.7℃條件下，鍋爐煙氣溫度由124.6～157.8℃降至37.0～38.0℃，提高鍋爐燃?xì)饫脽嵝?，總?jié)能率為13.2%，總余熱回收率為66.7%，實(shí)現(xiàn)了排煙余熱深度梯級(jí)利用。

本文受北京市教委創(chuàng)新能力提升計(jì)劃（PXM2016＿014210＿000016）項(xiàng)目和北京學(xué)者計(jì)劃項(xiàng)目資助。（The project was supported by the Innovation Ability Promoting Project of Municipal Education Commission in Beijing（ No.PXM2016＿014210＿000016）and the Program of Beijing Scholar’s Plan）.）

［1］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50736—2012民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012：174.（Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Repubic of China.GB50736—2012 Design code for heating ventilation and air conditioning of civil buildings［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2012：174.）

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Optimization of Air Heating in Large Gas?fired Boiler by Flue
Gas Waste Heat in Cold Areas

Xiao Huipeng1Wang Suilin1Mu Lianbo1Zhai Huixing1Cheng Dongdong1Ma Zhaokang1Wu Yadong2Shou De2Zhang Wei3Chen Yuping4Zhang Tong4Wang Shoujin5
（1.School of Environment and Energy Engineering，Bejing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing，100044，China；2.The Management Office of Urumqi’s Heating Industry，Urumchi，830000，China；3.Xinjiang Weitai Heating Institute，Urumchi，830000，China；4.Xinjiang Qimashan Heating Institute，Urumchi，830000，China；5.Beijing Huayuanyitong Thermal Technology Institute，Beijing，100160，China）

Because the outdoor air temperature in cold regions is severely low in winter，the combustion-supporting air will cause deflagration and vibration while directly supplied to the boiler and the combustion efficiency is also decreased.At the same time，the temperature of the return water in a large heating system，and the exhaust gas from the gas boiler，are both high.Thus，the exhaust gas could not be cooled down to a relatively low temperature by the return water during the waste heat utilization process.This paper presents a new way to heat the air by using flue gas waste heat，which is smaller，requires less space，and has less resistance compared with conventional heat exchange equipment.The proposed method can be applied to the flue gas waste heat deep-utilization of a large gas heating boiler.Field test results show that the flue gas waste heat deep-utilization and the combustion-supporting air heating system can cool the flue gas temperature near to or even lower than the return water temperature of heating network.The utilization efficiency of gas combustion is increased by 13.2%，and the recovery rate of the flue gas waste heat is 66.7%.Then，flue gas waste heat deep recovery is realized，and the problem in which the combustion-supporting air causes deflagration and vibration while directly supplied to the boiler is solved.The paper provides a reference for flue gas waste heat deep-utilization in cold regions，and for combustion-supporting air heating system optimization.

cold regions；large gas-fired boiler；flue gas waste heat recovery；air heating；engineering test

TK115；TK229.8

：A

0253－4339（2017）03－0101－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.101

王隨林，女，教授，北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，13911602617，E-mail：suilinwang＠bucea.edu.cn。研究方向：供熱節(jié)能和熱能高效利用。

國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFB0601100）資助。（The project was supported by State’s Key Project of Research and development Plan in 13th Five-Year（No.2016YFB0601100）.）

2016年11月16日

About the corresponding author

Wang Suilin，female，professor，School of Environment and Energy Engineering，Bejing University of Civil Engineering and Architecture，＋86 13911602617，E-mail：suilinwang＠ bucea.edu.cn. Research fields：heating saving and heat energy utilization efficiently.