燃?xì)忮仩t煙氣余熱深度回收利用的分析研究

文_曹亮 竇蕾 楊欽海 遠(yuǎn)大能源利用管理有限公司

2013年9月，國務(wù)院正式公布《大氣污染防治行動計(jì)劃》，并提出實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的十項(xiàng)措施。其中，最關(guān)鍵的一條就是實(shí)施燃煤鍋爐改造，加快推進(jìn)集中供熱、“煤改氣”“煤改電”工程建設(shè)。在供熱供氣管網(wǎng)不能覆蓋的地區(qū)，改用電、新能源或潔凈煤，推廣應(yīng)用高效節(jié)能環(huán)保型鍋爐。京津冀、長三角、珠三角等區(qū)域于2015年底前基本完成燃煤電廠、燃煤鍋爐和工業(yè)窯爐的污染治理設(shè)施建設(shè)與改造。之后，隨著“煤改氣”工程的建設(shè)，大量的天然氣成為供熱的主要能源之一。燃?xì)忮仩t供熱過程中會產(chǎn)生大量余熱，這些余熱如能合理地被回收利用，將會帶來顯著的節(jié)能減排效果。

在燃?xì)忮仩t供熱中，大型燃?xì)忮仩t的排煙溫度一般為100℃及以上，即使采用常規(guī)煙冷器余熱回收方法只能回收少部分顯熱（煙氣溫度降至約60℃），大部分熱量以水蒸氣汽化潛熱的形式排至環(huán)境中，并產(chǎn)生煙囪“白煙”效應(yīng)對環(huán)境造成熱污染。吸收式熱泵的使用能將煙氣的溫度進(jìn)一步降低至30℃以下，通過煙氣冷凝余熱回收利用技術(shù)，不僅可以將排煙溫度降到露點(diǎn)以下，回收利用排煙顯熱和排煙中水蒸氣凝結(jié)潛熱，還可將煙氣冷凝水資源化再利用，煙氣冷凝水還可吸收凈化煙氣中SO2和NOX及顆粒物等污染物起到凈化煙氣的效果，并實(shí)現(xiàn)煙囪“消白煙”美化環(huán)境。燃?xì)忮仩t的煙氣余熱深度回收利用的節(jié)能、節(jié)水、減排潛力更大，意義重大。大規(guī)?！懊焊臍狻睘槲帐街比紵岜脩?yīng)用于煙氣余熱深度回收利用領(lǐng)域提供了廣泛的平臺。

1 煙氣余熱回收利用的分析研究

天然氣燃燒后排出的煙氣中的水蒸氣冷凝析出時(shí)，可釋放出大量冷凝熱。例如，對燃?xì)庵比紮C(jī)或燃?xì)忮仩t，其排煙溫度一般在145℃左右，可見煙氣露點(diǎn)溫度為60～57℃，如果可將排煙溫度降低至30℃，則可使燃?xì)忮仩t的效率提高10%以上。目前，國內(nèi)外大中型鍋爐等主要是利用中高溫排煙余熱，對于低溫排煙余熱，特別是煙氣露點(diǎn)溫度以下的余熱利用很少,主要原因是煙氣冷凝水呈酸性，易對設(shè)備造成腐蝕，同時(shí)低溫?zé)煔鈧鳠釡夭钚?、換熱系數(shù)小，使得換熱設(shè)備體積大、耗材多、投資大，流動阻力大。

1.1 煙氣余熱回收利用的計(jì)算

通過煙氣余熱量的計(jì)算可知，將煙氣溫度從145℃下降到高于露點(diǎn)溫度時(shí)可提高煙氣利用率4%～6%；若將煙氣溫度從145℃下降到低于露點(diǎn)溫度時(shí)可提高煙氣利用率10%以上。

1.2 煙氣余熱回收利用的方式

煙氣余熱回收利用有多種功能，如加熱采暖系統(tǒng)回水、加熱生活用水、地板式低溫?zé)崴┡?，熱泵利用來加熱熱網(wǎng)水、加熱補(bǔ)給水、預(yù)熱空氣以及熱風(fēng)利用等等。雖然余熱回收利用的功能多樣，但回收形式上可以分為兩種，一是直接利用煙氣板式換熱器；二是利用煙氣板式換熱器和吸收式熱泵機(jī)組的聯(lián)合系統(tǒng)，此類方式主要利用燃?xì)忮仩t的煙氣、天然氣分布式能源系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組和直燃機(jī)組的煙氣余熱與吸收式熱泵機(jī)組配套使用，發(fā)揮吸收式熱泵機(jī)組可提供低溫水的優(yōu)勢，提高天然氣的能源綜合利用率。

2 吸收式熱泵技術(shù)

2.1 吸收式熱泵機(jī)組的原理

吸收式熱泵機(jī)組是以溴化鋰吸收式技術(shù)為基礎(chǔ)，以熱能為驅(qū)動熱源，通過回收低溫?zé)嵩吹臒崃?，來制取滿足工藝或采暖用中、高溫?zé)崴蛘羝?，?shí)現(xiàn)余熱回收利用、從低溫向高溫輸送熱能的供熱設(shè)備，其最大優(yōu)勢在于余熱回收利用，在節(jié)能降耗和余熱供熱領(lǐng)域中將發(fā)揮越來越重要的作用。

2.2 吸收式熱泵機(jī)組的應(yīng)用

2.2.1 低溫?zé)嵩?/p>

低溫?zé)嵩纯煞譃樘烊粺嵩春凸に嚿a(chǎn)熱兩部分。天然熱源主要是指海水、河水、溫泉水以及地下水等，其中河水和地下水是使用最普遍的低溫?zé)嵩?。另一大類是工藝生產(chǎn)過程中排出的熱。這部分熱大量存在于工業(yè)生產(chǎn)過程中。如電廠發(fā)電過程中產(chǎn)生的冷卻水、化工生產(chǎn)過程中的冷卻水等。

2.2.2 驅(qū)動熱源

驅(qū)動熱源方面熱泵機(jī)組的要求包括蒸汽壓力、熱水、煙氣以及燃?xì)獾龋瑓?shù)要求與常規(guī)吸收式制冷機(jī)組一樣。

2.2.3 需熱場所

需熱時(shí)間長，需熱量變化比較小；熱泵系統(tǒng)接近滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間越長，則經(jīng)濟(jì)性比較高；需熱側(cè)所需的熱量及時(shí)間與余熱源的排熱量及時(shí)間應(yīng)該保持平衡；需熱側(cè)距離余熱側(cè)應(yīng)比較近，而且盡量不要分散，過于分散的話，輸送熱量的費(fèi)用高。

2.3 煙氣板式換熱器與吸收式熱泵機(jī)組聯(lián)合應(yīng)用模式

煙氣板式換熱器與吸收式熱泵機(jī)組聯(lián)合應(yīng)用模式是煙氣經(jīng)煙氣板式換熱器與熱泵機(jī)組提供的低溫水換熱，將熱量傳遞給低溫水，排煙溫度降至水蒸氣露點(diǎn)溫度以下，同時(shí)被加熱的低溫水作為低溫?zé)嵩丛龠M(jìn)入吸收式熱泵機(jī)組，通過驅(qū)動熱源（可采用天然氣、蒸汽、高溫?zé)崴茸鳛轵?qū)動熱源）將低溫?zé)嵩春万?qū)動熱源熱量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生中溫水熱源滿足建筑物采暖需求，同時(shí)低溫?zé)嵩此疁囟冉档?，然后再進(jìn)入煙氣板式換熱器吸收煙氣熱量，如此循環(huán)不已。該聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可將煙氣溫度下降到露點(diǎn)溫度以下，既提高了煙氣利用率，又增大了供熱能力，同時(shí)排煙溫度低于露點(diǎn)溫度，大量水蒸汽被冷凝，既對煙氣起到凈化效果，又在冬季運(yùn)行時(shí)進(jìn)行“消白煙”處理。

3 煙氣余熱深度回收利用的案例分析

3.1 項(xiàng)目概況介紹

北京豐臺某小區(qū)鍋爐房為“煤改氣”項(xiàng)目，將原燃煤鍋爐改為燃?xì)忮仩t進(jìn)行集中供熱。該鍋爐房主要負(fù)責(zé)156萬m2建筑采暖供熱，計(jì)劃安裝4臺以天然氣為燃料、供熱能力為29MW的燃?xì)鉄崴仩t，總供熱能力為116MW。項(xiàng)目中采用一臺型號為BZ300XD-60/45-12/20-600-R1直燃熱泵回收燃?xì)忮仩t和直燃熱泵機(jī)組自身的排煙余熱量。

3.2 系統(tǒng)流程說明及系統(tǒng)流程

系統(tǒng)流程說明及系統(tǒng)流程示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程說明及系統(tǒng)流程示意圖

3.2.1 熱水（紅色）流程

熱網(wǎng)45℃回水分成兩部分，一部分進(jìn)入直燃熱泵升溫，溫度由45℃提高至60℃后，與另一部分熱網(wǎng)回水混合再進(jìn)入燃?xì)忮仩t；另一部分回水進(jìn)入鍋爐煙道上的一級煙氣板交回收少部分煙氣熱量，煙氣溫度由100℃降溫至50～60℃。升溫后的熱水再與另一部分熱網(wǎng)回水混合進(jìn)入燃?xì)忮仩t加熱至供熱溫度送入熱網(wǎng)。

3.2.2 低溫水（綠色）流程

12℃低溫水出熱泵后分為兩分支，一部分進(jìn)入燃?xì)忮仩t的二級煙氣板交回收大部分煙氣熱量，煙氣溫度降溫至30℃以下；另一部分進(jìn)入熱泵煙道的煙氣板交回收大部分煙氣熱量，煙氣溫度直接由160℃降至30℃以下，同時(shí)低溫水被加熱至20℃后經(jīng)循環(huán)泵送回直燃熱泵提供低溫余熱量。

3.2.3 煙氣（黑色）流程

燃?xì)忮仩t的煙氣溫度經(jīng)一級煙氣板交后由100℃降至50～60℃，再經(jīng)二級煙氣板交后煙氣溫度降至30℃以下；直燃熱泵機(jī)組自身的煙氣溫度經(jīng)煙氣板交后由160℃降至30℃以下。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益及效果分析

2014年冬季開始運(yùn)行后，對鍋爐房運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析如表1所示。

表1

熱泵啟動前后鍋爐的排煙情況如圖2所示。按本項(xiàng)目的基礎(chǔ)熱負(fù)荷30MW的煙氣余熱量來選配直燃熱泵機(jī)組，鍋爐總制熱量為30MW，滿負(fù)荷時(shí)燃?xì)夂牧繛?378.7m3/h（燃?xì)忮仩t效率92%），煙氣量約為36895.8m3/h；直燃熱泵滿負(fù)荷時(shí)燃?xì)夂牧?16m3/h，煙氣量約為9288m3/h。直燃熱泵機(jī)組最大可回收煙氣余熱量為3489kW，相當(dāng)于每小時(shí)可節(jié)約349m3（按8600kcal/m3）天然氣。如按采暖季120d，天然氣價(jià)格3.09元/m3計(jì)算，年節(jié)省天然氣約100.5萬m3，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約310.6萬元。整個(gè)工程的投資回收期小于3a。

圖2 熱泵啟動前后鍋爐的排煙情況

3.4 案例總結(jié)

本項(xiàng)目在冬季采暖實(shí)際運(yùn)行后，煙氣余熱回收熱泵系統(tǒng)對煙氣余熱回收的效果基本達(dá)到了設(shè)計(jì)測算值，經(jīng)濟(jì)效益可觀，系統(tǒng)投資回收期短。

對實(shí)際數(shù)據(jù)分析可知，經(jīng)過一級煙冷器后煙氣溫度（100～50℃）時(shí)，余熱回收量主要以顯熱為主，占比例較小約4%；當(dāng)煙氣排放溫度降至30℃以下時(shí)，余熱回收量占燃料熱量的比例可達(dá)10%以上。

當(dāng)鍋爐排煙溫度降至30℃以下時(shí)，煙氣中大部分水蒸氣被回收利用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了煙囪“消白煙”，消除了環(huán)境熱污染，美化景觀效果。

4 結(jié)語

將天然氣煙氣余熱通過回收利用，若將煙氣溫度降至露點(diǎn)溫度以上時(shí)，可提高煙氣利用率約4%左右；若將煙氣溫度降低至露點(diǎn)溫度以下進(jìn)行深度回收利用時(shí)，可提高煙氣利用率達(dá)到10%以上，又可實(shí)現(xiàn)煙囪冬季“消白煙”效果，節(jié)能減排潛力巨大。

隨著全國實(shí)行大規(guī)模的“煤改氣”工程，通過吸收式熱泵技術(shù)的運(yùn)用，采用煙氣板式換熱器和吸收式熱泵聯(lián)合應(yīng)用模式，既深度回收了大量煙氣余熱量，又發(fā)揮了吸收式熱泵機(jī)組制熱效率高的優(yōu)勢，大大提高了系統(tǒng)的供熱能力，可滿足更大建筑面積的采暖需求。

目前全國性的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，天然氣的使用比例將快速增大，則天然氣煙氣余熱的深度回收利用和吸收式熱泵技術(shù)利用的市場潛力巨大，在供熱領(lǐng)域、熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域、天然氣分布式能源領(lǐng)域、工業(yè)煙氣余熱回收領(lǐng)域具有廣泛的運(yùn)用前景。