燃?xì)忮仩t余熱回收節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例

曾輝，張芮，安龍，武曉燕

（1.天津環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司，天津300191；2.中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津300191）

天然氣作為一種清潔能源，其主要成分是甲烷，具有熱值高、燃燒充分、排污小的特點(diǎn)。我國西北地區(qū)儲藏大量的天然氣，但由于開發(fā)條件有限，并未大規(guī)模開發(fā)利用。隨著“西氣東輸”工程進(jìn)一步發(fā)展，以及東部對天然氣的需求進(jìn)一步提高，天然氣將得到廣泛使用。

為貫徹落實(shí)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（國發(fā)［2013］37號）、《京津冀及周邊地區(qū)落實(shí)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施細(xì)則》，結(jié)合天津市的實(shí)際情況，天津市委、市政府制定了“美麗天津·一號工程”計(jì)劃，即“四清一綠”：清新空氣、清水河道、清潔村莊、清潔社會(huì)、綠化美好行動(dòng)。其中清新空氣行動(dòng)中開展包括揚(yáng)塵污染、削減燃煤總量、控制機(jī)動(dòng)車污染等，而煤改燃工程是重中之重。

燃?xì)忮仩t使用天然氣作為能源，可以減少環(huán)境污染，但是燃?xì)忮仩t的燃燒效率仍存在著可以提高的空間，尤其是以余熱回收利用的研究，將進(jìn)一步提高燃?xì)忮仩t的熱效率。

1 燃?xì)忮仩t余熱回收的主要原理

通過對燃?xì)忮仩t的能量傳遞分析可知，當(dāng)天然氣燃燒后，將其本身的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為鍋爐載體的熱值、鍋爐本體揮發(fā)的熱值、天然氣不完全燃燒帶走的熱值以及燃燒后煙氣帶走的熱量。因此，若要提高燃?xì)忮仩t的效率，就必須減少鍋爐本體揮發(fā)的熱量、不完全燃燒帶走的熱量以及煙氣帶走的熱量。

天然氣燃燒過程中，甲烷與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣，水蒸氣中蘊(yùn)含大量的熱值，通?？烧嫉饺?xì)鉄嶂档?0%[1]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通入的空氣量一般為過量空氣，過量系數(shù)可以取1.1左右，而目前通過檢測可知，大部分的燃?xì)忮仩t的排煙溫度在150~200℃，因此隨著煙氣的排出，水蒸氣揮發(fā)過程中會(huì)帶走大量潛藏的熱能。

工業(yè)中常用鍋爐煙氣余熱回收途徑一般采用以下兩種方法：第一種是用來預(yù)熱工件，這種方法余熱利用率低，工件加溫慢；第二種是對空氣進(jìn)行預(yù)熱助燃，預(yù)熱空氣助燃是一種較常用也較實(shí)際的方法，一般配置在加熱爐尾部上，也可強(qiáng)化燃燒，加快爐子的升溫速度，提高爐子熱工性能。這種燃燒方式既能滿足生產(chǎn)工藝要求，也可獲得顯著的綜合節(jié)能效果[2]。

2 冷凝式鍋爐對煙氣回收利用的改造

冷凝式鍋爐是將煙氣中的水蒸氣冷凝成水，回收其汽化潛熱用于鍋爐，使熱效率達(dá)到或超過100%的鍋爐。加設(shè)冷凝式換熱器可以實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)鍋爐的升級，使其變?yōu)槔淠藉仩t。可以說，將傳統(tǒng)鍋爐改造為冷凝式鍋爐是實(shí)現(xiàn)鍋爐熱效率大幅提高，實(shí)現(xiàn)資源高效利用的最佳途徑。在鍋爐排煙熱損失中，水蒸氣所攜帶的熱損失占排煙熱損失的55%～75%[3]。如果將排煙溫度降到煙氣冷凝溫度以下，通過回收利用水蒸氣潛熱，可以很有效地降低排煙熱損失，提高鍋爐熱效率。冷凝式鍋爐排煙溫度可降至40～50℃以下，可以冷凝煙氣中部分水蒸氣，回收水蒸氣的汽化潛熱，同時(shí)回收一定的水，還可以除去煙氣中的有害物質(zhì)。熱效率隨著水蒸氣的冷凝量的增加而增大。

冷凝式鍋爐回收的熱能包括高溫?zé)煔獾娘@熱和水蒸氣的汽化潛熱?；厥盏娘@熱隨著煙氣溫度的降低變化不是很大；而回收的水蒸氣的汽化潛熱則隨著溫度降低有很大的變化，當(dāng)排煙溫度較高時(shí)，回收的潛熱很少，隨著排煙溫度的降低，回收的潛熱迅速增大，隨后又趨于穩(wěn)定，從冷凝的角度來講，煙氣冷凝的難度隨煙氣溫度的降低而越來越大[4]。

3 實(shí)際應(yīng)用情況

天津?yàn)I海旅游熱電發(fā)展有限公司投資1 000萬元，在海博道以南、安正路以東王公路北側(cè)建設(shè)南部2#燃?xì)忮仩t供熱站工程，該工程安裝2臺7 MW燃?xì)鉄崴仩t及相關(guān)的附屬配套設(shè)施。項(xiàng)目建設(shè)完成后，年供熱天數(shù)150 d，年總產(chǎn)熱量145 935.05 GJ。供熱面積為26.2萬m2，供熱范圍為濱海新區(qū)旅游區(qū)南部的碧桂園小區(qū)、白領(lǐng)公寓、東方文化廣場、海魔方4個(gè)用熱戶。

根據(jù)設(shè)計(jì)，該工程的運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 鍋爐運(yùn)行參數(shù)

供熱總建筑面積26.2萬m2。依據(jù)《天津?yàn)I海旅游區(qū)供熱專項(xiàng)規(guī)劃（2012—2020年）》，民用采暖熱指標(biāo)確定為38 W/m2，公用建筑熱指標(biāo)確定為55 W/m2。表2為供熱范圍26.2萬m2建筑熱負(fù)荷估算表。

表2 供熱范圍26.2萬m2建筑熱負(fù)荷估算表

由表2可看出，當(dāng)規(guī)劃居住建筑和公建規(guī)劃建筑面積26.2萬m2，熱負(fù)荷11.214 MW。供熱系統(tǒng)運(yùn)輸熱損失率按92%計(jì)，供熱工程的供熱能力不能低于12.18 MW。因此兩臺2×7 MW的供熱鍋爐可滿足要求。

根據(jù)《天津?yàn)I海旅游區(qū)管理委員會(huì)文件》（津?yàn)I旅發(fā)［2013］18號）中“關(guān)于天津?yàn)I海旅游區(qū)供熱管理辦法第五十六條”可知，濱海旅游區(qū)供熱時(shí)間為“每年11月1日—次年3月31號”。

依據(jù)天津市氣象資料，采用無因次綜合公式法繪制供暖年熱負(fù)荷延續(xù)曲線。

采暖年熱負(fù)荷延續(xù)曲線計(jì)算公式為：

t0=t0' N≤5

t0=t0'+（5－t0'）Rh×b 5＜N≤N'

Q=Q' N≤5

Q=（1－β0×Rh×b）Q' 5＜N≤N'

式中：t0—某室外溫度，℃；

t0'—采暖室外計(jì)算溫度，℃；

tav—采暖期室外平均溫度，℃；

ti—室內(nèi)采暖計(jì)算溫度，℃；

Q'—采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，GJ/h；

Q —某一室外溫度下的采暖熱負(fù)荷，GJ/h；

Rt—無因次室外溫度系數(shù)；

Rh—無因次延續(xù)天（小時(shí)）數(shù)系數(shù)；

b—Rh的指數(shù)值；

N'—采暖期天數(shù)，d；

N—延續(xù)天數(shù)，d；

βO—溫度修正系數(shù)；

μ—延續(xù)天（小時(shí)）修正系數(shù)；

τ'—采暖小時(shí)數(shù)，h；

τ—延續(xù)小時(shí)數(shù)，h；

采暖室外計(jì)算溫度t0'=-6.8℃，采暖期室外平均溫度tav=-0.47℃。

室內(nèi)采暖計(jì)算溫度ti=18℃，采暖期天數(shù)N'=150 d（3 600 h）。

全年采暖熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 全年采暖熱負(fù)荷表

本工程采暖室外計(jì)算溫度為-6.8℃，起始采暖室外平均溫度5℃，室內(nèi)計(jì)算溫度為18℃。采暖天數(shù)為150 d，采暖小時(shí)數(shù)為3 600 h。年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為2 629 h。年采暖供熱量為13.03萬GJ（含管網(wǎng)損失熱量）。

天然氣的熱值按照35.544 MJ/Nm3計(jì)，則消耗天然氣366.64萬Nm3。

采用的鍋爐的額定效率92%考慮，則天然氣最終消耗量為398.52萬Nm3。

公司通過采用節(jié)能器冷凝鍋爐技術(shù)、煙氣余熱深度回收技術(shù)等措施，將鍋爐的熱效率提高至94%，滿足《工業(yè)鍋爐能效限定值及能效等級》GB24500—2009中規(guī)定的一級能效，則消耗天然氣390.04萬Nm3。

綜上，可知安裝前后節(jié)氣量可達(dá)8.48萬Nm3。

4 燃?xì)忮仩t節(jié)能措施

燃?xì)忮仩t除了從煙氣回收利用角度可以提高鍋爐熱效率外，仍有其他的節(jié)能措施可以采取，為整個(gè)鍋爐房的能源效率提高打下基礎(chǔ)。

（1）熱補(bǔ)償方式：直埋管道熱補(bǔ)償[5]盡量采用自然補(bǔ)償，在三通、分支和彎頭等應(yīng)力集中處若不能滿足應(yīng)力條件時(shí)選用補(bǔ)償器，補(bǔ)償器采用直埋型軸向波紋管補(bǔ)償器，要求波紋管補(bǔ)償器具有雙向補(bǔ)償及自穩(wěn)定能力和可靠的抗失穩(wěn)結(jié)構(gòu)。補(bǔ)償器許用疲勞壽命不低于1 000次。

（2）采用專用的燃燒器，特點(diǎn)是燃?xì)馀c空氣在渦旋型的蝸殼腔內(nèi)已充分混合，可使燃料都在受控制的比率下與空氣完全混合。噴出后形成一個(gè)較大的擴(kuò)散角，形成一個(gè)心形類的火焰圖形。心形火焰中心[6]內(nèi)部就是一個(gè)回流區(qū)，將鍋爐內(nèi)的高溫?zé)煔庵匦聣赫刍厝剂匣旌衔锍隹?，加速點(diǎn)火和燃燒程序，這樣火焰不會(huì)很長，爐膛的設(shè)計(jì)比較自由，可以完全適應(yīng)火焰的形狀，充滿度好，從而使得爐膛內(nèi)部溫度很高，火焰較為集中，所有的火焰都聚在爐膛內(nèi)，使充入爐膛內(nèi)的燃料全部燃盡，火焰緊湊，內(nèi)部平均溫度高。

（3）根據(jù)熱力網(wǎng)循環(huán)水供水流量與溫度、回水流量與溫度、補(bǔ)水量，以及鍋爐房進(jìn)水的流量、爐溫、壓力、氧量等儀表檢測信號，實(shí)現(xiàn)鼓引風(fēng)機(jī)的無極變頻調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（4）依據(jù)現(xiàn)行《天津市民用建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB29—216—2013中的規(guī)定，設(shè)定能源供應(yīng)站的能源監(jiān)測系統(tǒng)。

5 結(jié)語

隨著天津產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源供應(yīng)模式變化，燃?xì)忮仩t將具有廣闊的前景。為節(jié)約資源與能源，在大力推廣、發(fā)展和改造燃?xì)忮仩t的同時(shí)，要注意在選用高效率的燃?xì)忮仩t的同時(shí)，將煙氣余熱回收利用作為節(jié)能的重點(diǎn)進(jìn)行考慮，并對整個(gè)鍋爐的運(yùn)行采取相應(yīng)的節(jié)能措施。

[1]王瑞娟.燃?xì)忮仩t余熱回收理論及其應(yīng)用分析[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2014(6):17.

[2]向琴琴，李煜照.綠色工業(yè)建筑設(shè)計(jì)思路探索[J].工業(yè)建筑，2011(41):68-72.

[3]王建國，宋玉梅.燃?xì)夤徨仩t房節(jié)能措施分析[J].北京.區(qū)域供熱，2008(1):41-42.

[4]陳蓉，徐長虹，李軍.冷凝鍋爐熱效率分析[J].山東機(jī)械，2005(4):52-54.

[5]白靈.直埋熱力管道的熱補(bǔ)償和方形補(bǔ)償器[J].中州煤炭，1998(6):18-19.

[6]劉復(fù)田.對克雷登鍋爐安全與節(jié)能的分析[J].中國鍋爐壓力容器安全，2004(4):3-7.