基于燃氣鍋爐的煙氣冷凝余熱深度回收技術方案與節(jié)能潛力分析

黨杰

摘要：隨著全球環(huán)境污染的日益加劇，我國政府及民間各主體開始采取多種手段用以改善周邊環(huán)境。文章針對大型燃氣鍋爐的煙氣冷凝余熱深度回收技術和節(jié)能潛力進行了分析并給出了煙氣冷凝余熱深度回收的技術方案。文章首先對我國當前能源利用情況以及冷凝式燃氣鍋爐的分類及形式進行了綜述，其次對冷凝式燃氣鍋爐的工作原理和特點進行了技術性分析;最后以我國北方某既有大型燃氣鍋爐改造為例，對不同燃氣鍋爐煙氣冷凝余熱深度回收技術方案進行了總結。最終研究結果表明：對于該大型燃氣鍋爐而言，當排煙溫度由175C下降至45C左右時，該大型燃氣鍋爐能夠有效實現(xiàn)最高14%的節(jié)能效率;對于單臺鍋爐（70MW）而言，當排煙溫度下降至45C左右時，能夠有效回收煙氣冷凝水75～155t/d，除水率最高可達65%，能夠有效降低煙氣排放量10%以上。

關鍵詞：燃氣鍋爐;煙氣冷凝;余熱深度回收;節(jié)能潛力

中圖分類號：X706;TU996

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0158-04

0引言

隨著全球自然環(huán)境的持續(xù)惡化，我國政府相繼出臺了一系列措施用以改善我國各地區(qū)的自然環(huán)境。自2015年開始，我國陸續(xù)開展了針對大型工業(yè)煤爐、民用燃煤取暖設備等的“煤改氣”計劃"。隨著該計劃的實施，近年來我國的大氣環(huán)境質量得到了顯著改善。然而，在“煤改氣”的過程中也相繼出現(xiàn)了一些問題，其中最為顯著同時也是對百姓生活、企業(yè)經營影響最大的問題，在于我國天然氣的儲量問題。截至2017年底，我國已探明的天然氣儲量為5.50萬億m'，約占全球總探明儲量的2.80%。出量少、價格高、對外依存度高已經成為我國通過“煤改氣”改善自然環(huán)境計劃中的最大難題。

1概述

1.1我國的天然氣消費

現(xiàn)今世界上以煤炭作為主要能源的國家已經不多了，我國就是其中一個，在我國煤炭消費遠高于世界平均水平，占總能源消費量的75%左右。煤炭是工業(yè)革命之后開始被廣泛使用的，它是遠古植物遺骸埋在地下經歷了復雜的反應產生的碳化化石礦物，在我國煤炭的價格相對于石油和天然氣來說比較便宜，而且存儲量大，被廣泛應用于人們的生產和生活中。但是，煤炭的大量應用會造成環(huán)境污染，煤炭燃燒會產生大量的二氧化硫、氮氧化物等污染物。在我國85%以上的SO，和接近80%的煙塵是由煤炭燃燒導致的，在世界城市污染排名中，前十的排名里我國占有四個城市，這些污染氣體給生態(tài)環(huán)境帶來了損害，同時也帶來了環(huán)境壓力。

2018年我國一次能源消費構成如圖1所示用。從圖中我們可以看出，較為清潔的化石能源中石油和天然氣消費占比小，而煤炭占比比較大（污染環(huán)境），因此可以看出我國能源結構不合理。

我們從國內一些城市治理大氣污染的結果看出，優(yōu)化一次性能源的消費結構是改善大氣污染的根本途徑。優(yōu)化一次性能源消費結構是改善大氣污染的基礎，天然氣燃燒后基本不會排放煙塵和SO2，Nox的排放量比燃煤和燃油低很多，CO，的排放量也比燃煤和燃油低很多，而且，天然氣的節(jié)能效果在生產、生活中的較為明顯。

1.2冷凝式鍋爐的形式和分類

根據(jù)冷凝式鍋爐的特點，我們將其按如圖2方法分類。

2冷凝式鍋爐的工作原理和特點

冷凝式鍋爐和傳統(tǒng)鍋爐相比，其可以將排煙溫度降低至煙氣露點之下，這是冷凝式換熱器的作用。傳統(tǒng)鍋爐不能回收水蒸氣中的潛熱，它煙氣中水蒸氣的露點溫度比煙氣出口溫度低用于防止低溫腐蝕。傳統(tǒng)鍋爐尾部受熱不均勻，排煙熱損大，煙氣中水蒸氣不會發(fā)生冷凝，潛熱也無法利用，而且煙氣中的顯熱不能回收。但是冷凝式鍋爐的設計恰恰可以彌補這些不足，還可以溶解CO2、NOx，進而可以減少CO，和NO，的排放，還能起到保護環(huán)境的作用。冷凝式鍋爐具有如下特點.

2.1冷凝式換熱器材質多變

將燃油、燃氣鍋爐增加冷凝式化熱器是對傳統(tǒng)鍋爐進行余熱回收改造的基礎。而換熱器一般成本比較高，那些燃燒重油和渣油的鍋爐，會排放出大量的NO，和CO2，在冷凝式化熱器的作用下，會產生酸性溶液，進而會產生腐蝕，所以對冷凝式化熱器的材質要求比較高，因此材料價格和制造成本比較高。

防腐材料一般常用FERRITIC?stainless?steel、Austenitic?stainless?steel、AUSTENITIC-FERRITIC?DUPLEX?STAINLESS?STEEL、Monel等。對冷凝液抗腐蝕性較好的還有鋁和鋁合金材料，但其使用效果不是很理想，會在使用中產生難溶液和銹痕，基于這種情況，銅就可以互補，所以銅和銅合金的應用就比較廣泛，雖然銅的耐腐蝕性比鋁差，但是銅不易產生銹痕和難溶液。因為塑料的耐腐蝕比較好，所以在歐洲國家，也有將塑料作為換熱器材料使用的，天然氣鍋爐中使用冷凝式換熱器已經有近50年的歷史了，冷凝式換熱器中應用到玻璃、陶瓷和塑料材料中的技術已經日漸成熟。

2.2節(jié)能效果好

冷凝式鍋爐可以充分回收利用煙氣和水蒸氣，一般排煙溫度低于52C，可以提高燃氣鍋爐的冷凝熱。非冷凝式鍋爐排煙溫度一般在165C以上，可以降低鍋爐的冷凝熱”。冷凝式換熱器使用時潛熱可以被回收利用的的原理是：煙氣在冷凝器中降溫達到露點開始結露冷凝，釋放汽化潛熱，凝水量增多，可以被回收利用的就增多。冷凝水的量隨著排煙溫度的變化而變化。

2.3增強環(huán)境保護

燃料在鍋爐中燃燒會釋放酸性氣體和CO.等溫室氣體，若不經處理直接排放就會對大氣層中的臭氧層造成嚴重的破壞。特別是小型鍋爐，其儲存量小，工作效率低，各類污染物的排放，勢必會對壞境增加進一步負擔%。冷凝水換熱器的作用是將污染氣體中的污染物溶于水并產生冷凝現(xiàn)象，直觀性的減少污染物的排放。通過對德國某市小區(qū)燃氣鍋爐的改造，將以往的普通燃油鍋爐供熱改造為冷凝式換熱器燃氣鍋爐。不僅整個小區(qū)的供暖成本大幅度降低，同時也減少了溫室氣體的排出。詳情如表1所示。

3冷凝式鍋爐煙氣余熱深度回收案例研究

3.1項目基本概述

排煙溫度較高成為燃氣鍋爐的劣勢之一，如：熱水鍋爐和蒸汽鍋爐的排煙溫度分別為150～200C、200～250C，較高的溫度就很容易造成能源的浪費。余熱中的煙氣冷凝水含有大量的酸性物質，會對鍋爐產生腐蝕作用。且會導致鍋爐中的換熱設備對余熱資源再加工利用功能減弱。余熱回收裝置本身也有著制作成本高、體積較大等不利因素。

3.2節(jié)能分析參照

3.2.1鍋爐輸人熱量

我國現(xiàn)將燃料的最低熱值應用為計算元素，可得到鍋爐輸入熱量的計算公式為

公式（1）中Q.（KW）為輸入熱量，H（kJ/M）為燃氣低熱值，B（M'/s）為燃氣消耗。

3.2.2煙氣冷凝熱回收裝置回收的熱量

保溫良好的冷凝熱回收裝置在計算回收熱量時，需大體忽略散熱損失。此時：冷凝熱回收裝置回收熱量=煙氣放出熱量

3.2.3節(jié)能率

冷凝熱回收裝置的節(jié)能率=燃氣利用低熱值效率

3.2.4冷凝水量

當冷凝熱回收裝置出口煙溫度低于煙氣中硫酸蒸氣等物質開始凝結時的溫度時，冷凝水量的計算公式如下：

公式（2）中m，（kg/s）是煙氣冷凝水回收量，Mg（kg/s）是煙氣冷凝熱回收裝置煙氣質量流量，ao、a;分別是出口煙氣含濕量煙氣、冷凝熱回收裝置進，單位為kg/kg。

4煙氣冷凝余熱深度回收可行性方案

以往的煙氣余熱回收技術大部分為多層次過濾換熱，并且多層次換熱采用的設備普遍造價高、占用面積大。下文根據(jù)此問題，將針對煙氣冷凝余熱的最大化回收列舉相關技術方案。

4.1方案1

方案1為：煙氣冷凝余熱加熱鍋爐回水或二次網(wǎng)供暖回水+自然空氣冷卻除濕方案。該方案的特點為：

1）想要削減冬季煙囪的排放總量，可以取用溫度較低的間接供暖回水或加熱鍋爐回水，經過大氣中空氣的自然降溫，從而減少煙氣中的CO2的含量，減少對環(huán)境的污染。

2）在經濟性能對比后，風機消耗的能源小于回收的熱能，所以風機可作為余熱回收時的輔助設備。

3）在安裝空間有限的情況下，此方案占有絕對優(yōu)勢，且系統(tǒng)相對容易上手，有良好的可操控性。

4.2方案2

方案2為：煙氣冷凝余熱加熱助燃空氣和鍋爐回水或2次網(wǎng)供暖回水方案。該方案的特點為：

1）在更為寒冷的區(qū)域，空氣預熱器可幫助加熱空氣溫度，進而增強鍋爐燃燒效率，大量回收煙氣余熱，也可間接性的降低鍋爐排煙溫度。

2）相比于空氣換熱器所占用的空間小且造價低，由更高的性價比。

3）適用于對助燃空氣溫度有上限要求的企業(yè)。

4.3方案3

方案3為：煙氣冷凝余熱加熱助燃空氣和鍋爐回水與2次網(wǎng)供暖回水方案。該方案的特點為：

1）此方案可在企業(yè)無條件采用冷源來實現(xiàn)低溫排煙時，最優(yōu)化的利用煙氣余熱。

2）空氣預熱器可將煙氣溫度盡可能降低，采用鍋爐回水換熱，使換熱面積小，傳熱溫差大。

3）二次網(wǎng)供暖回水量少時，起到平衡調節(jié)的作用。

5不同煙氣冷凝余熱深度回收技術方案節(jié)能潛力分析及實測數(shù)據(jù)對比

5.1節(jié)能潛力分析

上述不同煙氣冷凝余熱深度回收技術方案節(jié)能潛力比較見表3。

由表了可知：

1）煙氣冷凝熱回收裝置的進水溫度與煙氣溫度是成正比關系的，進水溫度越低，煙氣溫度也隨之降低。回收煙氣與回收冷水同樣成正比關系，回收煙氣余熱越高，回收的凝水量越多。

2）鍋爐排煙時，大氣中空氣溫度會隨之升高，此種方法適用于企業(yè)工廠場地小，資金短缺，等情況下，能夠很好地利用余熱來深度加溫。

以上實施方案有其側重點，在結合鍋爐運行情況、企業(yè)經濟技術水平和工廠空間等現(xiàn)實元素后，最終才可選擇合適的方案，實現(xiàn)對自然環(huán)境的低碳排放。

5.2實測數(shù)據(jù)對比

對北方某住宅小區(qū)熱水供暖鍋爐房進行節(jié)能改造后跟蹤監(jiān)測得到的典型工況數(shù)據(jù)如表4所示。

實驗結論

表4表明，鍋爐排煙溫度從139.88～146.47C降到43.67～49.78C，節(jié)能率為10.16%～12.06%。理論計算結果為：鍋爐排煙溫度從160C降到40～50C，節(jié)能率為10%～13%。計算數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)接近。

參考文獻

[1]祝侃，夏建軍，謝曉云，等.吸收式熱泵及直接接觸換熱在燃氣鍋爐全熱回收中的應用[J].暖通空調，2013，43（9）：111-115.

[2]吳佳蕾，王隨林，石書強，等.大型燃氣鍋爐煙氣冷凝余熱深度回收技術方案與節(jié)能潛力分析[J].暖通空調，2016，46（3）：66-69.

[3]王皓，李軍，王霄楠，等.燃氣熱水鍋爐煙氣余熱利用及消白霧技術分析與熱能計算[J].區(qū)域供熱，2019（5）：139-145.

[4]紀迎迎.燃氣鍋爐煙氣冷凝余熱回收與凈化模擬研究[D].北京：北京建筑大學，2017.

[5]王璐，王曉霖，孔麗靜，等.燃氣鍋爐煙氣冷凝設備節(jié)能潛力計算[J].計量技術，2019（10）：73-76+57.

[6]孫方田，趙金姊，付林，等.基于吸收式換熱的燃氣鍋爐煙氣余熱回收技術的節(jié)能效益分析[J].建筑科學，2016（10）：59-64+135.

[7]天宋少鵬，卓建坤，李娜，等.然氣供熱鍋爐低氮燃燒技術研究現(xiàn)狀[J].供熱制冷，2016（02）：97-100+15.

[8]馬兆康.工業(yè)燃燒設備低NOX燃燒技術分析[J].區(qū)域供熱，2015（03）：9-14.

[9]王鵬，尹榮杰，朱愛明，等燃氣鍋爐排煙余熱深度回收與除霧技術[J].區(qū)域供熱，2014（06）：1-4.