燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收方案比選

李 清， 趙耀宗， 高 峻， 王 遜

(1.北京燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100035； 2.北京優(yōu)奈特燃?xì)夤こ碳夹g(shù)有限公司，北京 100023)

1 概述

煙氣熱損失是燃?xì)忮仩t各項(xiàng)熱損失中最大的一項(xiàng)。常規(guī)煙氣余熱回收技術(shù)主要是通過(guò)設(shè)置煙氣冷卻器、空氣預(yù)熱器[1]，加熱熱網(wǎng)回水、鍋爐進(jìn)口空氣，煙氣的潛熱未被充分利用，余熱利用率低。

本文將熱功率為5.6 MW的燃?xì)忮仩t作為研究對(duì)象，采用Aspen Plus流程模擬軟件，建立煙氣常規(guī)余熱回收方案(方案1)、直接接觸式[2-3]余熱回收方案(方案2)、直燃型溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組[4-8](以下簡(jiǎn)稱(chēng)熱泵機(jī)組)余熱回收方案(方案3)的仿真流程，對(duì)比方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，確定適宜的余熱回收方案。

2 模擬方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

某供熱項(xiàng)目，設(shè)計(jì)供、回水溫度為70、50 ℃，配套1臺(tái)5.6 MW燃?xì)鉄崴仩t及輔機(jī)設(shè)備。在供熱量為5 494 kW的前提下，分析計(jì)算3種方案的系統(tǒng)供熱效率。將方案1作為基準(zhǔn)方案，計(jì)算方案2、3的增量投資回收期。年運(yùn)行費(fèi)用包括年天然氣費(fèi)用、年電費(fèi)、年維護(hù)費(fèi)用。

2.1 模擬方法與設(shè)定參數(shù)

① 模擬方法

采用Aspen Plus流程模擬軟件，建立3種方案的仿真流程。采用Radfrac模塊對(duì)直接接觸式煙氣-水換熱器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)煙氣換熱器)、直接接觸式空氣-水換熱器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)空氣換熱器)分別進(jìn)行塔板設(shè)計(jì)、塔板校核。天然氣、空氣物性參數(shù)計(jì)算采用P-R方程，水及水蒸氣物性參數(shù)計(jì)算采用STEAM-TA模塊。

② 設(shè)定參數(shù)

天然氣的各組分體積分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。天然氣的低熱值為35 080 kJ/m3。

表1 天然氣的各組分體積分?jǐn)?shù) %

3種方案的供熱量均為5 494 kW，用戶供水溫度70 ℃，回水溫度50 ℃。燃?xì)忮仩t過(guò)剩空氣系數(shù)為1.1。煙氣冷卻器、板式換熱器、冷凝式換熱器的換熱效率為98%?？諝鈸Q熱器的散熱損失率為5%。煙氣換熱器的散熱損失率為5%，進(jìn)口水-煙氣質(zhì)量比為3。熱泵機(jī)組熱力系數(shù)為1.0。循環(huán)泵效率為90%，送風(fēng)機(jī)效率為75%。空氣換熱器、煙氣換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。空氣換熱器填充塑料鮑爾環(huán)，直徑25 mm，高度25 mm，厚度0.4 mm。煙氣換熱器填充不銹鋼鮑爾環(huán)，直徑38 mm，高度38 mm，厚度0.4 mm。

表2 空氣換熱器、煙氣換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

3種方案主要設(shè)備的額定參數(shù)見(jiàn)表3，各方案中主要設(shè)備的配置數(shù)量均為1臺(tái)，不考慮備用。

表3 3種方案主要設(shè)備的額定參數(shù)

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

① 系統(tǒng)供熱效率

系統(tǒng)供熱效率η的計(jì)算式為：

(1)

式中η——系統(tǒng)供熱效率

Φout——對(duì)用戶的供熱量，kW

Φin——天然氣耗熱量，kW

② 增量投資回收期

增量投資回收期t的計(jì)算式為：

(2)

式中t——增量投資回收期，a

ΔF——與方案1相比，方案2、3的投資增量，元

ΔC——與方案1相比，方案2、3節(jié)省的年運(yùn)行費(fèi)用，元/a

系統(tǒng)供熱效率越高，說(shuō)明方案的能源利用率越高。增量投資回收期越短，說(shuō)明方案回收投資增量(相對(duì)基準(zhǔn)方案)的時(shí)間越短。

3 余熱回收方案

① 方案1

方案1的工藝流程見(jiàn)圖1。圖中僅繪制出送風(fēng)機(jī)，未繪制出循環(huán)泵(在采用Aspen plas軟件建模時(shí)考慮)，圖中流程線旁物料的溫度、流量(體積流量或質(zhì)量流量)為供熱量5 494 kW條件下的數(shù)據(jù)，以下相同。板式換熱器一級(jí)側(cè)出水(溫度為70 ℃)分為兩部分，一部分進(jìn)入煙氣冷卻器被加熱至77 ℃，另一部分與煙氣冷卻器出水混合后進(jìn)入燃?xì)忮仩t被加熱至95 ℃。燃?xì)忮仩t煙氣(130 ℃)經(jīng)煙氣冷卻器冷卻后溫度降至80 ℃。

② 方案2

方案2的余熱回收裝置主要為煙氣換熱器、空氣換熱器、煙氣冷卻器。水、煙氣質(zhì)量比為3、排煙溫度為41.4 ℃時(shí)，方案2的工藝流程見(jiàn)圖2。用戶回水分為兩部分：一部分進(jìn)入煙氣冷卻器，被煙氣加熱至60 ℃。另一部分與經(jīng)煙氣冷卻器加熱的用戶回水混合，進(jìn)入板式換熱器加熱至70 ℃。燃?xì)忮仩t出口煙氣(130 ℃)經(jīng)煙氣冷卻器換熱后溫度降至80 ℃，然后進(jìn)入煙氣換熱器與噴淋水直接接觸換熱后溫度降至41.4 ℃進(jìn)行排放。在空氣換熱器中，經(jīng)煙氣換熱器加熱的循環(huán)水與低溫空氣直接接觸，空氣被處理至60 ℃的飽和狀態(tài)，然后進(jìn)入燃?xì)忮仩t。

由于燃?xì)忮仩t進(jìn)口空氣經(jīng)過(guò)加濕，因此煙氣換熱進(jìn)口煙氣中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到22%，露點(diǎn)為74.93 ℃。

圖2 水氣質(zhì)量比為3、排煙溫度為41.4 ℃時(shí)方案2的工藝流程

③ 方案3

排煙溫度為41.4 ℃時(shí)，方案3的工藝流程見(jiàn)圖3。用戶回水分為兩部分，一部分進(jìn)入熱泵機(jī)組被加熱至70 ℃，另一部分由煙氣冷卻器、板式換熱器加熱至70 ℃，這兩部分水混合后作為用戶供水。燃?xì)忮仩t出口煙氣(130 ℃)經(jīng)煙氣冷卻器換熱后(溫度降至80 ℃)與熱泵機(jī)組出口煙氣(80 ℃)混合后進(jìn)入冷凝換熱器加熱熱泵機(jī)組的低溫?zé)崴?。燃?xì)忮仩t進(jìn)口空氣未經(jīng)加濕，冷凝換熱器進(jìn)口煙氣中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為10%。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

① 系統(tǒng)供熱效率

根據(jù)仿真結(jié)果，采用式(1)可計(jì)算得到，3種方案的系統(tǒng)供熱效率分別為94.1%、99.3%、100.7%。

② 增量投資回收期

燃?xì)鈨r(jià)格取2.36 元/m3，電價(jià)取0.55元/(kW·h)，年維護(hù)費(fèi)用按投資的0.5%計(jì)算。在最大熱負(fù)荷利用時(shí)間為1 314、2 576 h條件下，計(jì)算方案2、3的增量投資回收期。與方案1相比，方案2、3的投資增量分別為136×104、265×104元。根據(jù)仿真結(jié)果，可計(jì)算得到方案2、3在兩種最大熱負(fù)荷利用時(shí)間下節(jié)省的年運(yùn)行費(fèi)用(相比于方案1)，見(jiàn)表4。采用式(2)，可計(jì)算得到方案2、3在兩種最大熱負(fù)荷利用時(shí)間下的增量投資回收期，見(jiàn)表4。由表4可知，相同最大熱負(fù)荷利用時(shí)間條件下，方案2、3節(jié)省的年運(yùn)行費(fèi)用接近，但方案2的增量投資回收期更小，說(shuō)明方案2的經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

圖3 排煙溫度為41.4 ℃時(shí)方案3的工藝流程

表4 方案2、3的在兩種最大熱負(fù)荷利用時(shí)間下的增量投資回收期

5 結(jié)論

將熱功率為5.6 MW的燃?xì)忮仩t作為研究對(duì)象，采用Aspen Plus流程模擬軟件，建立煙氣常規(guī)余熱回收方案(方案1)、直接接觸式余熱回收方案(方案2)、直燃型溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組余熱回收方案(方案3)的仿真流程。將方案1作為基準(zhǔn)方案，在供熱量為5 494 kW的前提下，分析計(jì)算3種方案的系統(tǒng)供熱效率及方案2、3的增量投資回收期。3種方案的系統(tǒng)供熱效率分別為94.1%、99.3%、100.7%。方案2、3的投資增量分別為136×104、265×104元。方案2、3節(jié)省的年運(yùn)行費(fèi)用接近，但方案2的增量投資回收期更小，方案2的經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。