一種鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)分析

侯 軼，謝英柏，陳 天，張 猛

(華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

一種鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)分析

侯 軼，謝英柏，陳 天，張 猛

(華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

目前我國以燃煤鍋爐為主，燃煤鍋爐產(chǎn)生的煙氣帶走了大量熱量。電站燃煤鍋爐可以較好地回收煙氣余熱，但是分布更廣、效率更低的工業(yè)鍋爐產(chǎn)生的煙氣利用率很低。針對工業(yè)鍋爐排煙溫度高、難以利用等特點，提出一種回收鍋爐排煙余熱的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。通過計算驗證該系統(tǒng)可行性好、能效比高。變參數(shù)分析不同工況下系統(tǒng)性能參數(shù)的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)濕蒸汽溫度改變時系統(tǒng)性能變化明顯，系統(tǒng)對于熱水溫度和壓力的變化不敏感。

煙氣余熱；水蒸氣；工業(yè)鍋爐

我國的能源消耗以煤炭為主，大量的電站鍋爐和工業(yè)鍋爐用煤炭作為燃料。我國能源回收比例僅為2%[1]，大型電站鍋爐的熱效率已經(jīng)達到90%，然而數(shù)量更大的工業(yè)鍋爐熱效率一般為 65%左右[2-5]。鍋爐熱損失造成了巨大的能量浪費，而在鍋爐的全部熱損失中排煙熱損失占比超過一半，鍋爐煙氣中蘊藏著巨大的余熱資源。

不同用途鍋爐的排煙溫度不盡相同，電站鍋爐的排煙溫度一般在 120～130 ℃[6]；工業(yè)鍋爐的排煙溫度較高，水泥加工行業(yè)的排煙溫度為140～178 ℃，旋轉(zhuǎn)窯爐約為180 ℃，鋼鐵冶金和化學(xué)化工行業(yè)的排煙溫度超過190 ℃。研究表明，煙氣溫度每降低20 ℃，鍋爐效率可以提高1%[7]，相應(yīng)可降低煤耗約1 g/kWh。

1 系統(tǒng)簡述

工業(yè)鍋爐效率低、煙氣溫度高的特點吸引了許多學(xué)者注意。本文提出一套回收鍋爐煙氣余熱制取水蒸氣的系統(tǒng)。煙氣排放溫度為70 ℃左右，能效比高，理論計算知COP>5.3,可制取120 ℃左右的水蒸氣。

1.1系統(tǒng)流程(圖1)

常溫常壓水作為補水被送入系統(tǒng)，補水和由蒸發(fā)器而來的回水混合一起經(jīng)過水泵進入第1級加熱器第1次吸收煙氣的余熱成為熱水。熱水分為兩股：第1股通過換熱器、熱泵蒸發(fā)器放熱，隨后作為回水再次進入水泵；第2股通過減壓閥降壓成為濕蒸汽后依次在第1級換熱器、第2級加熱器、第2級換熱器和熱泵的冷凝器中吸熱成為飽和蒸汽。熱水產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)過第1級蒸汽壓縮機加壓至一定壓力，之后產(chǎn)生的過熱蒸汽在第2級換熱器中定壓放熱為飽和蒸汽，接著蒸汽進入第2級蒸汽壓縮機升壓，進而得到所需的水蒸氣。

圖1 系統(tǒng)流程1———調(diào)節(jié)閥A;2———水泵;3———加熱器A;4———調(diào)節(jié)閥B;5———減壓閥;6———換熱器A;7———換熱器B;8———換熱器C;9———冷凝器;10———蒸汽壓縮機A;11———蒸汽壓縮機B;12———調(diào)節(jié)閥C;13———蒸發(fā)器;14———節(jié)流閥;15———壓縮機

水經(jīng)過第1級加熱器成為熱水后，第2股節(jié)流降壓變成濕蒸汽，溫度降低進而保持較大溫差繼續(xù)吸收熱量。利用濕蒸汽區(qū)加熱時溫度、壓力不變的特性可以減小換熱溫差。

由于煙氣排放溫度遠低于露點溫度，所以第1、2級加熱器內(nèi)部采用納米涂層技術(shù)。加熱器采用納米涂層可以耐腐蝕、防磨損、少積灰，以延長加熱器使用壽命。煙氣二次加熱，1、2級加熱器分開布置，第1級加熱器用煙氣制取熱水，熱水節(jié)流降壓后溫度降低可以用第2級加熱器再次加熱，從而可以實現(xiàn)煙氣最終以70 ℃左右的溫度排放。

1.2理論計算

選取某廠SHW29-1.25/130/70-H型鍋爐，其運行參數(shù)為：排煙溫度158 ℃，耗煤量M3=9 034 kg/h，實際煙氣量8.133 8 Nm3/kg。該廠在實際生產(chǎn)中需要將一部分100～150 ℃蒸汽用于生活。

為方便計算提出以下假設(shè)：

a.忽略管道阻力損失；

b.系統(tǒng)中熱泵的能效比為3；

c.加熱器和換熱器效率等于1；

d.壓縮機等熵壓縮；

e.最小煙氣換熱溫差為10 ℃；

f.補水采用20 ℃的常溫常壓水。

利用MATLAB編程同時調(diào)用REFPROP函數(shù)進行計算。計算表明該系統(tǒng)可行，相關(guān)性能參數(shù)如下：

水泵耗功：

Wwater=(m1+m2)×wwater

(1)

式中：m1為第1股熱水質(zhì)量，kg；m2為第2股熱水質(zhì)量，kg；wwater為水泵單位質(zhì)量做功,kJ/kg。

壓縮機耗功：

Wtur=m2×(w2+w3)

(2)

式中：w2為第1級蒸汽壓縮機單位質(zhì)量做功,kJ/kg；w3為第2級蒸汽壓縮機單位質(zhì)量做功,kJ/kg。

總輸入功：

W=Wwater+m1×w1+Wtur

(3)

式中：w1為熱泵壓縮機單位質(zhì)量做功,kJ/kg。

能效比：

(4)

式中：hz3為制取的水蒸氣焓值,kJ/kg；h0為補水焓值,kJ/kg。

由計算得：COP=5.45。

通過計算可知該系統(tǒng)可行，同時具有一定的能效比。

1.3結(jié)果分析

通過閃蒸、熱泵和復(fù)壓技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了將煙氣溫度降至70 ℃。通過減壓閥和第1級換熱器使得最終作為水蒸氣輸出的第2股熱水在第1級換熱器、第2級加熱器、第2級換熱器和熱泵的冷凝器中始終處于60 ℃，獲得了大量能量作為潛熱儲存起來，可以和其他工質(zhì)之間得到較大溫差，保證換熱效果。

計算得能效比為5.45，較好地實現(xiàn)了煙氣余熱回收，能夠提高經(jīng)濟效益。產(chǎn)生的蒸汽用途廣，可以用于食品、衛(wèi)生、生產(chǎn)等。

2 運行參數(shù)分析

本文分析水泵出口壓力、第1級加熱器出口熱水溫度、加壓后濕蒸汽溫度的變化對系統(tǒng)性能的影響。

為了更好地比較系統(tǒng)性能，除采用COP外還采用η來進行分析，η是水蒸氣的焓升與輸入的總能量之比：

(5)

式中：my為煙氣質(zhì)量，kg；hy0為鍋爐排煙焓值,kJ/kg；hy3為常溫常壓下煙氣焓值,kJ/kg。

2.1改變濕蒸汽溫度

計算濕蒸汽溫度為60～70 ℃下系統(tǒng)的性能，對系統(tǒng)進行評價，選定合適的運行參數(shù)。圖2直觀表現(xiàn)出系統(tǒng)COP與濕蒸汽溫度的關(guān)系，當(dāng)濕蒸汽溫度升高時COP上升，輸入相同的功可以獲得更多的能量。圖3中η與COP變化趨勢相反，即隨著濕蒸汽溫度升高得到的水蒸氣的能量減少。由于濕蒸汽溫度升高，η減小，當(dāng)制取的蒸汽焓值不變時，制取的蒸汽量減少(見圖4)。濕蒸汽溫度變高，意味著濕蒸汽壓力增大，加壓閥處的節(jié)流損失減小，最后在蒸汽升壓過程中兩級蒸汽壓縮機的單位功耗減少，同時蒸汽質(zhì)量減少使得蒸汽壓縮機蒸汽功耗降低(見圖5)，即出現(xiàn)了COP和η變化趨勢相反的情況，權(quán)衡不同工作環(huán)境下的電價和煤價來選取合適的濕蒸汽壓力，以尋找最優(yōu)工況。

圖2 濕蒸汽溫度變化時COP

圖3 濕蒸汽溫度變化時η

圖4 濕蒸汽溫度變化時水蒸氣質(zhì)量

圖5 濕蒸汽溫度變化時輸入功

2.2改變熱水溫度

如果熱水溫度波動，會造成第1級加熱器排煙溫度變化，繼而改變第2級加熱器的換熱情況。計算、比較熱水為75～85 ℃時系統(tǒng)的性能，熱水溫度升高時COP變化不明顯，而η下降卻很快(見圖6、圖7)，這是因為熱水溫度升高，致使煙氣在加熱器中放熱減少，從而使η下降。熱水溫度上升，產(chǎn)生的水蒸氣量減少，繼而造成蒸汽壓縮機做功降低(見圖8、圖9)。

圖6 熱水溫度變化時COP

圖7 熱水溫度變化時η

圖8 熱水溫度變化時水蒸氣質(zhì)量

圖9 熱水溫度變化時輸入功

3 結(jié)束語

針對工業(yè)鍋爐排煙溫度高、效率低的特點，本文提出了一種回收煙氣余熱制取水蒸氣的系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用現(xiàn)有條件，結(jié)合閃蒸和熱泵技術(shù)，降低吸熱溫度，從而提高煙氣余熱的利用率，極大地降低了煙氣排放溫度。以SHW29-1.25/130/70-H型鍋爐為例進行理論計算，得到的結(jié)果表明該系統(tǒng)可行、能效比較高。最后得出以下結(jié)論：當(dāng)濕蒸汽溫度升高，COP上升，η下降，兩者成反比關(guān)系；提高熱水溫度時，COP提升不明顯，但η下降較快。該系統(tǒng)拓展性好，可以廣泛應(yīng)用于有工業(yè)鍋爐的企業(yè)。

[1] 國家統(tǒng)計局能源統(tǒng)計司．中國能源統(tǒng)計年鑒 2014[M]．北京：中國統(tǒng)計出版社，2014：98．

[2] 尚慶雨. 我國煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2016, 44(1):201-206.

[3] 仝 營,顧新建,紀楊建,等. 基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算的工業(yè)鍋爐在線監(jiān)測[J].計算機集成制造系統(tǒng), 2016, 22(1):213-219.

[4] 宋春燕, 張 鑫, 李 婷. 高效煤粉鍋爐替換層燃鍋爐技術(shù)改造與能效分析[J].潔凈煤技術(shù), 2015,21(3):98-102.

[5] 宋春燕.高效煤粉鍋爐系統(tǒng)技術(shù)的工程化應(yīng)用[J].潔凈煤技術(shù), 2015,20(2):89-92.

[6] 鞏建華.循環(huán)流化床鍋爐煙氣降硝改造探討[J].東北電力技術(shù), 2016, 37(9):30-31.

[7] 姚振剛, 陳 曦, 白 巖,等. 燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收利用[J]. 東北電力技術(shù), 2013, 34(4):32-35.

A New Boiler Flue Gas Waste Heat Recovery System

HOU Yi，XI Yingbai，CHEN Tian，ZHANG Meng

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University，Baoding,Hebei 071003，China)

At present, China’s coal-fired boilers, coal-fired boiler flue gas took away a lot of heat. The utility model has the advantages that the utility model can recover the waste heat of the flue gas, but the utilization rate of the flue gas is low. In view of the characteristics of high temperature and difficulty to use in industrial boiler, also the urgent need of water vapor in the enterprise, a steam generating system. The results show that the system is feasible and energy efficient. The variation trend of system performance parameters under different conditions is analyzed by changing parameters. It is found that the performance of the system varies with the change of wet steam temperature.

waste heat of flue gas; steam；industrial boiler

TM621.2

A

1004-7913(2017)08-0037-04

河北省自然科學(xué)基金項目(E2014502085)

侯 軼(1992)，男，碩士在讀，主要研究方向為煙氣回收利用與凈化。

2017-05-20)