煙氣換熱器與熱泵梯級(jí)余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行特性研究

高天宇，魏勇，陳文華

（青島能安恒信科技有限公司，青島 266000）

1 引言

我國(guó)以火電為主的能源結(jié)構(gòu)不利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。習(xí)近平總書記提出中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。國(guó)內(nèi)出臺(tái)多項(xiàng)政策措施助力“3060”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1]。工業(yè)煙氣中含有大量余熱，加以利用可以節(jié)約一次能源并能為企業(yè)帶來(lái)實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益。學(xué)者在領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行了大量研究，賈力等人對(duì)煙氣冷凝的傳熱過(guò)程進(jìn)行了研究[2]，為煙氣余熱回收提供了理論基礎(chǔ)；付林等人基于溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)提出了利用熱泵回收煙氣余熱提高熱網(wǎng)對(duì)外供暖能力的方法[3，4]。隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的改善，煙氣余熱回收技術(shù)也應(yīng)用于燃?xì)忮仩t[5]。

燃?xì)忮仩t出煙溫度較高，煙氣余熱主要由顯熱和潛熱兩部分組成。為了提高燃?xì)庥酂崂眯?，青島能安恒信科技有限公司在某項(xiàng)目中使用煙氣換熱器與熱泵梯級(jí)余熱回收系統(tǒng)，煙氣換熱器主要用于回收煙氣顯熱，熱泵主要回收煙氣潛熱，由兩者共同為熱網(wǎng)水回水加熱，提高供暖能力。

2 梯級(jí)余熱回收系統(tǒng)模型

2.1 系統(tǒng)模型

煙氣的余熱回收換熱呈現(xiàn)明顯的二段式特征[6]。在煙氣中水蒸氣冷凝前，煙氣由鍋爐出口溫度降溫至冷凝溫度，此階段主要是煙氣中不凝氣體的顯熱換熱，煙氣溫降幅度較大；達(dá)到冷凝溫度Tw后，此階段主要是水蒸氣冷凝釋放潛熱，溫降幅度較小。因此，設(shè)計(jì)梯級(jí)換熱系統(tǒng)，煙氣換熱器主要回收煙氣中的顯熱而熱泵主要回收煙氣中的潛熱。圖1為煙氣換熱器與熱泵梯級(jí)余熱回收系統(tǒng)示意圖，圖2為熱泵機(jī)組示意圖。

圖1 梯級(jí)余熱回收系統(tǒng)模型

圖2 熱泵機(jī)組模型

煙氣來(lái)流進(jìn)入煙氣換熱器釋放顯熱，被一部分熱網(wǎng)水吸收熱量，降溫至Tsm，隨后進(jìn)入噴淋塔與熱源水直接接觸釋放潛熱。熱源水吸收煙氣潛熱進(jìn)入熱泵，作為低品位熱源，在機(jī)組中放熱，在驅(qū)動(dòng)蒸汽作用下，使另一部分熱網(wǎng)水升溫。兩部分熱網(wǎng)水最終混合，提高鍋爐進(jìn)水溫度，達(dá)到節(jié)省燃料的目的。

設(shè)Qe、Qa、Qg、Qc、Qs分別為熱泵機(jī)組蒸發(fā)器、吸收器、發(fā)生器、冷凝器和煙氣換熱器中的換熱量，則有：

式中，Cwp為水的比定壓熱容，hgin、hgout、hsin、hsout分別為煙氣與驅(qū)動(dòng)蒸汽進(jìn)出口焓值。系統(tǒng)對(duì)外輸出的總熱量為：

熱泵能量平衡：

系統(tǒng)性能系數(shù)COP為：

2.2 最大余熱回收量的確定

根據(jù)熱源廠燃?xì)忮仩t參數(shù)及往年實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)確定系統(tǒng)的最大余熱負(fù)荷。熱源廠燃?xì)忮仩t設(shè)計(jì)最大蒸汽發(fā)生量200 t/h，根據(jù)往年運(yùn)行數(shù)據(jù)，1月份日均最大鍋爐蒸汽發(fā)生量為鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)的75.8%，對(duì)應(yīng)的平均最大煙氣量約為176 504 m3/h，對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)平均煙溫86.79℃。由于溫度壓力變化不大，近似認(rèn)為煙氣密度為常數(shù)。忽略因漏風(fēng)，且天然氣燃燒產(chǎn)物中沒(méi)有硫化物和灰分，則煙氣參數(shù)計(jì)算原理如下[7]：

設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（大氣壓強(qiáng)p=0.1013 MPa，濕度t=0℃）下，1 kg燃料完全燃燒所需的助燃劑量稱為理論助燃劑量V0，實(shí)際所需助燃劑量為V，過(guò)量空氣系數(shù)α0。設(shè)實(shí)際燃?xì)猱?dāng)中碳、氫、氧、氮4種元素含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為Car、Har、Oar、和Nar則有：

設(shè)助燃劑空氣中CO2、O2、N2和H2O的體積百分比分別表示為YC0、YO0、YN0和YH0：

煙氣產(chǎn)物CO2、O2、N2和H2O的體積VC、VO、VN和VH分別可以表示為：

式中，dk為助燃劑空氣中的含濕量；ρH為干助燃劑空氣密度。V0由式（15）計(jì)算：

煙氣質(zhì)量G表示為：

則煙氣密度可表示為：

一般情況下，可取dk=10 g/kg（干），ρH可由空氣熱力性質(zhì)表查找。計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣密度ρ0=1.418 kg/m3，將煙氣視為理想氣體在實(shí)際平均煙溫下，煙氣密度ρ=1.085 kg/m3，含濕量d=125.562 g/kg（干）。此時(shí)對(duì)應(yīng)的煙氣飽和溫度查含濕量表[8]Tsm=56.34℃。干煙氣平均比定壓熱容可表示為：

式中，gC、gO、gN分別為煙氣中CO2、O2和N2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，CpC、CpO、CpN分別為CO2、O2和N2的比定壓熱容。比定壓熱容通過(guò)查對(duì)應(yīng)組分的比熱容表，代入多項(xiàng)式中進(jìn)行擬合，形式如式（19）：

式中，ai為擬合系數(shù)；t為煙氣溫度。

則濕煙氣的干基比定壓熱容為：

式中，Cpw為水蒸氣的比定壓熱容；d為煙氣含濕量。

設(shè)煙氣換熱段平均比定壓熱容為Cpa，則煙氣的顯熱計(jì)算公式如式（21），煙氣換熱器段：

噴淋塔段水蒸氣主要釋放潛熱，忽略其顯熱釋放，則干煙氣釋放顯熱為：

將煙氣數(shù)據(jù)代入式（21）和式（22）可得，最大可回收顯熱煙氣換熱器段Qs1約為2 216 k W，噴淋塔段Qs2約為1 915 kW。理想工況下，煙氣降溫至中溫后，不發(fā)生冷凝，在噴淋塔中所有潛熱由熱泵回收，設(shè)計(jì)噴淋塔出口溫度25℃。認(rèn)為噴淋塔中水蒸氣冷凝過(guò)程為定壓，根據(jù)飽和水及水蒸氣熱力性質(zhì)表插值計(jì)算煙氣中溫和噴淋塔出口溫度下飽和水及水蒸氣焓值。煙氣潛熱計(jì)算如下：

式中，hsin與hsout分別為噴淋塔進(jìn)出口飽和水蒸氣與飽和水焓值。計(jì)算得最大可回收潛熱約為14 760 kW。工程上，因散熱造成的熱量損失和受到熱源廠循環(huán)水量供給及工藝的制約，難以達(dá)到最大余熱回收量。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研，本項(xiàng)目選用余熱回收量14 MW的熱泵機(jī)組與換熱量3 MW的煙氣節(jié)能器整合為梯級(jí)余熱回收系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)鍋爐負(fù)荷與煙溫?zé)焿鹤詣?dòng)控制熱網(wǎng)水、熱源水及煙氣節(jié)能器進(jìn)水流量，熱量表負(fù)責(zé)回收熱量及所用蒸汽熱量的計(jì)算。

3 實(shí)際運(yùn)行分析

3.1 鍋爐負(fù)荷的影響

表1為某日該項(xiàng)目鍋爐及煙氣數(shù)據(jù)，當(dāng)日余熱回收量驅(qū)動(dòng)蒸汽用熱量與機(jī)組性能系數(shù)COP實(shí)時(shí)變化如圖3與圖4所示。

表1 鍋爐及煙氣實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

從表1、圖3和圖4可知，鍋爐負(fù)荷較高時(shí)，煙溫較高，煙氣流量較大，熱源水進(jìn)口溫度較高，回收的余熱較多且性能系數(shù)COP較高；反之由于煙溫較低，流量較小，熱源水進(jìn)口溫度較低，回收余熱較少且性能系數(shù)相對(duì)較低。鍋爐負(fù)荷達(dá)到高點(diǎn)146.44 t/h，熱泵回收余熱功率達(dá)到12.05 MW，達(dá)到最大余熱回收量的86%，熱泵機(jī)組COP維持在1.7左右，證明熱泵機(jī)組運(yùn)行一直保持在合理區(qū)間，整體來(lái)看，達(dá)到了余熱回收的指標(biāo)要求，同時(shí)，由于加入了煙氣換熱器回收了煙氣中的大量顯熱，因此，系統(tǒng)的COP明顯高于熱泵機(jī)組的COP。由此可見，由此梯級(jí)余熱回收系統(tǒng)可以有效回收煙氣中的余熱資源，提高系統(tǒng)的能源利用效率。

圖3 余熱回收與驅(qū)動(dòng)蒸汽熱量實(shí)時(shí)變化圖

圖4 熱泵機(jī)組與系統(tǒng)性能系數(shù)COP實(shí)時(shí)變化圖

3.2 煙氣中溫的影響

如果煙氣換熱器中煙氣溫降過(guò)大，接近煙氣的露點(diǎn)溫度，將會(huì)造成煙氣中的水蒸氣在管道中冷凝，冷凝熱會(huì)向環(huán)境散失，凝結(jié)水將由凝水管道排出系統(tǒng)外，造成熱量損失。由于白天氣溫相對(duì)較高，在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中產(chǎn)生冷凝水很少，本文近似認(rèn)為白天煙氣中溫的平均溫度為煙氣中水蒸氣的飽和溫度。白晝平均煙氣中溫56.56℃，查含濕量表飽和含濕量為d=127.126g/kg（干），與2.2中計(jì)算所得煙氣飽和中溫和飽和含濕量相近。表2為每小時(shí)產(chǎn)生的冷凝水量及損失熱量表。

表2 冷凝水量及損失熱量表

圖5與圖6分別為煙氣中溫和冷凝水及損失余熱量隨時(shí)間變化的曲線圖，從圖5和圖6可以看出，煙氣中溫高于飽和溫度時(shí)，產(chǎn)生出的冷凝水量忽略不計(jì)；煙氣中溫低于飽和溫度時(shí)，隨著環(huán)境氣溫的降低，煙氣中溫相對(duì)變低，同時(shí)，冷凝水量增大，造成的余熱量損失增大?？傆?jì)損失熱量為7.66 MW·h，按照合同約定天然氣熱值0.03436 kJ/m3，當(dāng)年供暖季天然氣均價(jià)3.4元/m3，燃燒系數(shù)0.92計(jì)算，每日因煙氣在管道中冷凝造成的經(jīng)濟(jì)損失為2 965.55元。因此，需要對(duì)自控系統(tǒng)的設(shè)定進(jìn)行人工調(diào)整，在夜間煙氣中溫較低時(shí)相對(duì)降低煙氣節(jié)能器的水流量，使煙氣中溫保持在飽和溫度以上，以達(dá)到充分利用余熱資源，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

圖5 煙氣中溫隨時(shí)間變化曲線圖

圖6 冷凝水量及損失余熱量隨時(shí)間變化曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)煙氣換熱特性，設(shè)計(jì)煙氣換熱器與熱泵梯級(jí)余熱回收系統(tǒng)分別回收煙氣中的顯熱與潛熱。實(shí)際運(yùn)行表明，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，余熱回收效果良好，通過(guò)煙氣換熱器提高了系統(tǒng)性能系數(shù)。同時(shí)，在運(yùn)行過(guò)程中，煙氣換熱器出口煙氣中溫不宜過(guò)低于煙氣飽和溫度，否則會(huì)因煙氣在管道中冷凝帶來(lái)大量的余熱與經(jīng)濟(jì)效益損失，這一方面的自控仍需改進(jìn)。