噴淋塔式煙氣冷凝余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

張群力， 牛 宇， 孫東晗， 肖 鑫， 沈 祺， 劉 芳

(1.北京建筑大學(xué)， 供熱、供燃?xì)狻⑼L(fēng)及空調(diào)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100044； 2.北京建筑大學(xué), 北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心, 北京 100044)

隨著北方地區(qū)清潔供暖政策推廣,燃?xì)忮仩t得到了推廣和應(yīng)用。2018年，中國(guó)天然氣表觀消費(fèi)量達(dá)2 803億m3,同比增長(zhǎng)17.5%[1]。燃?xì)忮仩t燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵泻写罅克魵?因此有大量余熱有待回收[2-4],尤其水蒸氣冷凝潛熱占有較大比重[5-7]。高溫高濕的煙氣直接排放到大氣中,大量余熱被浪費(fèi),如果能夠有效回收和利用煙氣余熱,燃?xì)忮仩t的熱效率將得到顯著提高[8-9]。同時(shí)燃?xì)忮仩t的推廣應(yīng)用也導(dǎo)致了氮氧化物(nitrogen oxide，NOx)排放量增加,氮氧化物及其轉(zhuǎn)化的硝酸鹽顆粒是霧霾的主要成分,氮氧化物排放還可能導(dǎo)致酸雨、光化學(xué)煙霧和顆粒物質(zhì),對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[10]。據(jù)統(tǒng)計(jì)2017年中國(guó)氮氧化物排放總量約為1 259萬(wàn)t[11]。自2017年4月1日起,北京市環(huán)保局規(guī)定北京地區(qū)既有鍋爐低氮改造的氮氧化物排放濃度不得超過(guò)80 mg/m3[12]。提高燃?xì)忮仩t供熱效率和降低氮氧化物排放濃度對(duì)當(dāng)下高效清潔供暖工作具有重要價(jià)值。

在余熱回收技術(shù)方向,間壁式或直接接觸式換熱技術(shù)均可以使鍋爐效率得到不同程度的提高,但這些技術(shù)[13-14]未能實(shí)現(xiàn)煙氣余熱回收和低氮排放的協(xié)同處理；在低氮排放技術(shù)方向,較常使用的技術(shù)包括預(yù)混燃燒[15]、煙氣再循環(huán)[16-17]、分級(jí)燃燒[18]和富氧燃燒[19]等,但這些技術(shù)較少考慮鍋爐的高效余熱利用,其中煙氣再循環(huán)甚至?xí)?duì)鍋爐效率產(chǎn)生影響。

研究提出一種集成了噴淋式煙氣冷凝余熱回收和助燃空氣加濕的新型煙氣全熱回收系統(tǒng)[20],證明了助燃空氣加濕方式可以提高燃?xì)忮仩t效率和降低煙氣排放的氮氧化物濃度。為進(jìn)一步提升燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收和氮氧化物減排效果,優(yōu)化設(shè)計(jì)了噴淋塔式煙氣冷凝余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)[21-22],在此基礎(chǔ)上研究了該系統(tǒng)多因素變工況條件下的煙氣余熱回收和低氮排放性能,揭示了該系統(tǒng)節(jié)能與降氮的協(xié)同強(qiáng)化規(guī)律,并從節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益方面分析了該系統(tǒng)的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

以58 kW燃?xì)忮仩t作為高溫?zé)煔庠春偷趸锇l(fā)生源搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，重點(diǎn)研究熱網(wǎng)回水溫度、液氣比和助燃空氣含濕量工況等因素對(duì)該系統(tǒng)的煙氣余熱回收及低氮排放性能的影響規(guī)律。

1.1 系統(tǒng)工作流程及測(cè)試方法

噴淋塔式煙氣冷凝余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)由燃?xì)忮仩t、水箱、噴淋塔、板式換熱器、水泵、混水組件等部分組成。其中噴淋塔為 1 860 mm×280 mm×280 mm的長(zhǎng)方體塔,為更好觀察噴淋塔中噴淋水的熱質(zhì)交換效果,兩換熱段正面均安裝透明觀察窗。

燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠趪娏芩煔鈸Q熱段以逆流換熱方式與噴淋水直接接觸換熱,充分換熱后經(jīng)煙氣除霧段排入大氣；助燃空氣在噴淋塔空氣加濕段與噴淋水進(jìn)行熱濕交換,經(jīng)過(guò)充分加熱加濕后通入燃?xì)忮仩t燃燒器入口。噴淋水將回收的煙氣冷凝余熱部分用于預(yù)熱熱網(wǎng)回水,部分用于加熱加濕助燃空氣。加濕后的助燃空氣可以提高煙氣的露點(diǎn)溫度,既有利提高煙氣冷凝余熱回收性能，又可以達(dá)到燃?xì)忮仩t煙氣低氮排放的效果。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了噴淋水溫度、噴淋水流量、煙氣溫度和煙氣氮氧化物排放濃度等參數(shù)。測(cè)試儀器包括電磁流量計(jì)、煙氣分析儀、溫濕度記錄儀、熱電偶及安捷倫數(shù)據(jù)采集模塊等。噴淋塔式煙氣冷凝余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)的工作流程及測(cè)點(diǎn)分布情況如圖1所示,實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。測(cè)試系統(tǒng)中各儀器的型號(hào)及精度如表1所示。

圖1 噴淋塔式煙氣冷凝余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)Fig.1 Spray tower type flue gas condensation waste heat recovery synergistic low nitrogen emission system

圖2 噴淋塔式煙氣冷凝余熱回收與低氮排放協(xié)同處理實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Spray tower type flue gas condensation waste heat recovery synergistic low nitrogen emission experimental bench

表1 測(cè)試儀器型號(hào)及精度Table 1 Test instrument model and accuracy

1.2 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)模型

為評(píng)價(jià)噴淋塔式煙氣冷凝余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)的節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性能,現(xiàn)建立系統(tǒng)的各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)模型。

1.2.1 余熱回收評(píng)價(jià)模型

Qr=mwcp(tfw,out-tfw,in)

(1)

(2)

(3)

Qh,u=mwcp(tfw,out-taw,in)

(4)

(5)

(6)

Qa,u=Qr-Qh,u

(7)

式中：Qr為煙氣余熱回收量,kW；mw為噴淋水質(zhì)量流量,kg/s；tfw,out為煙氣噴淋段出水溫度,℃；tfw,in為煙氣噴淋段進(jìn)水溫度,℃；Qin為燃?xì)忮仩t輸入熱量,kW；B為天然氣消耗量, Nm3/h；Qnet,ar為天然氣低位熱值，kJ/Nm3；ηr為煙氣余熱回收效率；Qh,u為熱網(wǎng)余熱利用量,kW；taw,in為空氣加濕段進(jìn)水溫度,℃；ηh,u為熱網(wǎng)余熱利用效率；ζh,u為熱網(wǎng)余熱利用比例；Qa,u為加濕空氣余熱利用量,kW。

1.2.2 低氮排放評(píng)價(jià)模型

(8)

CPPM,NOx=CPPM,NO+CPPM,NO2

(9)

式中：Cm,NOx為氮氧化物的質(zhì)量濃度,mg/m3；M為相對(duì)分子質(zhì)量；Cppm為ppm濃度；Vm標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積,L/mol。

1.2.3 經(jīng)濟(jì)效益

(10)

Sg,s=BcAg

(11)

式中：Bc為天然氣節(jié)約量,Nm3；Th為供暖季總時(shí)間,s；Sg,s為天然氣成本節(jié)約,元；Ag為天然氣單價(jià),元/Nm3。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為研究噴淋塔式煙氣冷凝余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)的性能,實(shí)驗(yàn)分析了熱網(wǎng)回水溫度、液氣比和助燃空氣含濕量等因素對(duì)該系統(tǒng)余熱回收性能和降低氮氧化物效果的影響規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)熱網(wǎng)回水選取45.0、50.0、55.0 ℃3個(gè)溫度工況,液氣比的變化范圍為3.6～12.8。燃?xì)忮仩t的運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2 燃?xì)忮仩t運(yùn)行參數(shù)Table 2 Operating parameters of the gas boiler

2.1 系統(tǒng)余熱回收性能影響因素分析

煙氣在降溫過(guò)程中會(huì)釋放出較大的冷凝潛熱。加強(qiáng)對(duì)煙氣冷凝余熱的回收比例,會(huì)顯著提高燃?xì)忮仩t余熱回收效率。

在不同的熱網(wǎng)回水溫度下,本實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制噴淋水流量,可以實(shí)現(xiàn)不同的空氣加濕段液氣比,隨著噴淋水流量的增加,液氣比隨之增加,如圖3所示。在相同的熱網(wǎng)回水溫度下,助燃空氣含濕量亦隨液氣比的增加而增加；在定液氣比下,較高熱網(wǎng)回水溫度工況下助燃空氣的含濕量也更高,如圖4所示。

圖3 不同熱網(wǎng)回水溫度下噴淋水流量對(duì)液氣比的影響Fig.3 Effect of spray water flow on liquid-gas ratio at different heating network return water temperatures

圖4 熱網(wǎng)回水溫度和液氣比對(duì)助燃空氣含濕量的影響Fig.4 Effect of heating network return water temperature and liquid-gas ratio on moisture content of combustion air

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算可知,助燃空氣未加濕時(shí)對(duì)應(yīng)的煙氣露點(diǎn)溫度為55.8 ℃。隨著助燃空氣含濕量的增加,煙氣露點(diǎn)溫度會(huì)逐漸上升,要比未加濕工況下的煙氣露點(diǎn)溫度顯著升高,如圖5所示。提高煙氣露點(diǎn)溫度可為直接利用高溫?zé)峋W(wǎng)回水回收煙氣冷凝余熱提供技術(shù)可行性。在相同熱網(wǎng)回水溫度工況下,隨著煙氣露點(diǎn)溫度升高,熱網(wǎng)回水溫度與煙氣露點(diǎn)溫度之間的溫差增大,將有利于高效回收煙氣冷凝余熱；隨著助燃空氣含濕量的增加,煙氣中氮氧化物排放濃度逐漸降低。因此,增加助燃空氣含濕量,有利于同時(shí)提高煙氣余熱回收效果和降氮效果,可以實(shí)現(xiàn)煙氣余熱回收與低氮排放的協(xié)同強(qiáng)化處理。

圖5 助燃空氣含濕量對(duì)煙氣露點(diǎn)溫度的影響Fig.5 Effect of moisture content of combustion air on flue gas dew point temperature

實(shí)驗(yàn)研究了熱網(wǎng)回水溫度、噴淋水流量對(duì)煙氣余熱回收性能和熱網(wǎng)余熱利用性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在相同熱網(wǎng)回水溫度下,煙氣余熱回收效率隨噴淋水流量的增加而增加；當(dāng)保持噴淋水流量不變時(shí),煙氣余熱回收效率隨著熱網(wǎng)回水溫度的增加而降低,如圖6所示。為研究系統(tǒng)的余熱回收性能,實(shí)驗(yàn)首先研究了煙氣余熱回收量中熱網(wǎng)余熱利用量和加濕空氣余熱利用量的比例關(guān)系,在相同熱網(wǎng)回水溫度下,隨著噴淋水流量的增加,煙氣余熱回收量逐漸增加,熱網(wǎng)余熱利用比例呈現(xiàn)先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì)；在相同噴淋水流量下,熱網(wǎng)余熱利用比例隨著熱網(wǎng)回水溫度的增加而降低,如要實(shí)現(xiàn)更好的余熱回收及熱網(wǎng)余熱利用效果,則需要較大的噴淋水流量和較低的熱網(wǎng)回水溫度,如圖7和圖8 所示。需要說(shuō)明的是,為遵循控制變量的實(shí)驗(yàn)方法,實(shí)驗(yàn)旨在控制不同熱網(wǎng)回水溫度下的流量對(duì)應(yīng)相等,但在流量調(diào)節(jié)過(guò)程中存在較小的誤差,為更全面地表示不同熱網(wǎng)回水溫度下煙氣余熱回收量的組分,圖7顯示的是不同熱網(wǎng)回水溫度下的平均水流量。當(dāng)保持熱網(wǎng)回水溫度不變時(shí),隨著噴淋水流量的增加,熱網(wǎng)余熱利用效率逐漸上升；當(dāng)噴淋水流量不變時(shí),隨著熱網(wǎng)回水溫度的增加,熱網(wǎng)余熱利用效率降低,如圖9所示。

圖6 熱網(wǎng)回水溫度和噴淋水流量對(duì)煙氣余熱回收效率的影響Fig.6 Effect of heating network return water temperature and spray water flow rate on heating recovery efficiency of the flue gas

圖7 不同熱網(wǎng)回水溫度下的煙氣余熱回收量組分Fig.7 Proportion of flue gas heat recovery at different heating network return water temperatures

圖8 不同熱網(wǎng)回水溫度下的熱網(wǎng)余熱利用比例Fig.8 Waste heat utilization ratio of heating network at different heating network return water temperatures

圖9 熱網(wǎng)回水溫度和噴淋水流量對(duì)熱網(wǎng)余熱利用效率的影響Fig.9 Effect of heating network return water temperature and spray water flow rate on waste heat utilization efficiency of heating network

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在定熱網(wǎng)回水溫度工況下,提高噴淋水流量有利于增加空氣加濕段液氣比,液氣比的增加亦有利于增加助燃空氣含濕量,從而提升煙氣露點(diǎn)溫度并提高煙氣余熱回收效率,熱網(wǎng)余熱利用效率也隨之提高；在保持相同噴淋水流量工況下,降低噴淋水溫度可以提高系統(tǒng)的煙氣余熱回收效率及熱網(wǎng)余熱利用效率。

該噴淋塔式煙氣冷凝余熱回收系統(tǒng)可以顯著提高煙氣露點(diǎn)溫度,實(shí)現(xiàn)煙氣冷凝余熱高效回收,具有較好的節(jié)能效益。

2.2 系統(tǒng)低氮排放性能影響因素分析

利用助燃空氣加濕方式實(shí)現(xiàn)降低燃?xì)忮仩t煙氣中氮氧化物排放濃度的效果,實(shí)驗(yàn)研究了熱網(wǎng)回水溫度、空氣加濕段液氣比等因素對(duì)煙氣中氮氧化物排放濃度的影響規(guī)律。當(dāng)助燃空氣處于未加濕工況時(shí),燃?xì)忮仩t排放煙氣的氮氧化物濃度為129.5 mg/m3。需要說(shuō)明的是,NO在空氣中會(huì)被氧化為NO2,因此，煙氣中氮氧化物排放的質(zhì)量濃度是根據(jù)NO2的相對(duì)分子質(zhì)量計(jì)算的。

在相同熱網(wǎng)回水溫度下,提高液氣比可以降低排放煙氣中的氮氧化物濃度。在相同液氣比下,提高熱網(wǎng)回水溫度亦可以降低排放煙氣中的氮氧化物濃度。增大液氣比或提高熱網(wǎng)回水溫度,均可以實(shí)現(xiàn)降低煙氣中氮氧化物排放濃度的效果。在高液氣比或高熱網(wǎng)回水溫度工況下,助燃空氣得到充分地升溫加濕,更有利于實(shí)現(xiàn)排放煙氣降氮效果,如圖10所示。在熱網(wǎng)回水溫度為45 ℃、液氣比為12.8工況下,該噴淋塔式煙氣冷凝余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)可以將燃?xì)忮仩t排放煙氣的氮氧化物濃度降至50.0 mg/m3,氮氧化物減排效率為61.4%；在熱網(wǎng)回水溫度為55 ℃、液氣比為12.8工況下,該系統(tǒng)可以將燃?xì)忮仩t排放煙氣的氮氧化物濃度降至39.9 mg/m3,氮氧化物減排效率為69.2%,可以看出各工況下的平均氮氧化物排放濃度均低于北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/139—2015)[12]中的在用燃?xì)忮仩t煙氣的氮氧化物排放限值。該項(xiàng)協(xié)同處理技術(shù)在獲得很好的節(jié)能效益的同時(shí)還能取得顯著的環(huán)保效益。

圖10 熱網(wǎng)回水溫度和液氣比對(duì)NOx排放濃度的影響Fig.10 Effect of heating network return water temperature and the liquid-gas ratio on the concentration of NOx

2.3 煙氣余熱回收與低氮排放協(xié)同強(qiáng)化規(guī)律

上述研究表明,該系統(tǒng)具有較好的節(jié)能和環(huán)保效益。為深入分析該系統(tǒng)的節(jié)能降氮協(xié)同強(qiáng)化規(guī)律,現(xiàn)給出煙氣余熱回收與低氮排放系統(tǒng)協(xié)同強(qiáng)化原理圖,如圖11所示。其中,隨著噴淋水流量的增加,液氣比逐漸增加,助燃空氣含濕量隨液氣比的增加而升高,煙氣露點(diǎn)溫度也逐漸升高,煙氣余熱回收效率逐漸增加,熱網(wǎng)余熱利用效率隨之增加。同時(shí),助燃空氣含濕量的提高也有利于降低排煙中的氮氧化物濃度,從而提高了系統(tǒng)的氮氧化物減排效率。

圖11 煙氣余熱回收與低氮排放系統(tǒng)協(xié)同強(qiáng)化原理圖Fig.11 Synergistic enhancement mechanism diagram of flue gas waste heat recovery and low nitrogen emission system

實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了不同熱網(wǎng)回水溫度下的熱網(wǎng)余熱利用效率提高與氮氧化物排放濃度降低的協(xié)同強(qiáng)化關(guān)系。隨著助燃空氣含濕量的增加,熱網(wǎng)利用效率逐漸增加,煙氣排放的氮氧化物濃度逐漸降低。助燃空氣加濕有利于同時(shí)提高系統(tǒng)煙氣冷凝余熱回收和氮氧化物減排效果,具有較好的協(xié)同強(qiáng)化性能,如圖12所示。

圖12 助燃空氣含濕量對(duì)熱網(wǎng)余熱利用效率和NOx排放濃度的影響Fig.12 Effect of combustion air moisture content on waste heat utilization efficiency of heating network and concentration of NOx

2.4 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可行性分析

系統(tǒng)余熱回收性能分析表明熱網(wǎng)余熱利用量是影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素,研究根據(jù)系統(tǒng)不同實(shí)驗(yàn)工況下的熱網(wǎng)余熱利用量計(jì)算了一個(gè)供暖季(120 d)的燃?xì)夤?jié)約量,如圖13所示。研究結(jié)果表明,在相同熱網(wǎng)回水溫度下,系統(tǒng)燃?xì)夤?jié)約量隨噴淋水流量的增加而增加；在相同噴淋水流量下,降低熱網(wǎng)回水溫度可以增加系統(tǒng)燃?xì)夤?jié)約量。

圖13 不同熱網(wǎng)回水溫度下的采暖季燃?xì)夤?jié)約量Fig.13 Gas savings in heating seasons at different heating network return water temperatures

參考北京市燃?xì)鈨r(jià)格[23],以非居民用氣類型下的供暖用氣場(chǎng)景為例,在熱網(wǎng)回水溫度為45 ℃,噴淋水流量為0.83 m3/h實(shí)驗(yàn)工況下,系統(tǒng)一個(gè)采暖季的費(fèi)用節(jié)約為2 808.8元。研究所提出噴淋塔式煙氣冷凝余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)的最低初投資為2 331.2元,如果考慮低氮改造環(huán)保補(bǔ)貼政策,參照北京市環(huán)境保護(hù)局印發(fā)的《北京市燃?xì)?油)鍋爐低氮改造以獎(jiǎng)代補(bǔ)資金管理辦法》[24],按照補(bǔ)貼額度計(jì)算,本系統(tǒng)可獲得低氮改造補(bǔ)貼為1.5萬(wàn)元,低氮改造環(huán)保補(bǔ)貼資金可彌補(bǔ)系統(tǒng)的初投資,因此該噴淋塔式煙氣冷凝余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

研究提出了噴淋塔式煙氣冷凝余熱回收與低氮排放協(xié)同處理技術(shù)方式,并搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái),在此基礎(chǔ)上研究了熱網(wǎng)回水溫度、噴淋水流量、空氣加濕段液氣比和助燃空氣含濕量等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)余熱回收性能及低氮排放效果的影響,研究結(jié)論如下:

(1)利用助燃空氣加濕方式可以提高煙氣露點(diǎn)溫度,為利用較高溫度熱網(wǎng)回水直接回收煙氣冷凝余熱提供了可行性。助燃空氣加濕方式可以降低排放煙氣中的氮氧化物濃度。

(2)在熱網(wǎng)回水溫度為45 ℃,噴淋水流量為0.83 m3/h工況下,該系統(tǒng)的余熱回收效率可達(dá)12.2%,熱網(wǎng)余熱利用效率為6.9%，燃?xì)忮仩t煙氣的氮氧化物排放濃度可降至50.0 mg/m3,氮氧化物減排效率為61.4%。

(3)該系統(tǒng)能夠?qū)煔饫淠酂峄厥蘸徒档欧艈?wèn)題協(xié)同處理。同時(shí)具備很好的節(jié)能效益和環(huán)保效益,并且具有初投資低的優(yōu)勢(shì),有較好的推廣應(yīng)用前景。