熱泵型煙氣余熱回收及降氮系統(tǒng)性能

張群力，汪玉詩(shī)，翟洪寶，3，郭穎杰，張秋月，黃昊天

（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)北京節(jié)能減排與城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展省部共建國(guó)家協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044；3 中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100035）

隨著我國(guó)北方地區(qū)清潔供熱政策大力推進(jìn)，天然氣消耗量逐年增加。2021 年，全國(guó)天然氣表觀消費(fèi)量為3.69×1011m3，同比增長(zhǎng)12.5%[1]。鍋爐供暖耗氣量占總體消費(fèi)量的一半以上[2]。目前，大多燃?xì)忮仩t的余熱回收裝置只能回收煙氣部分顯熱，未回收利用約占燃?xì)鉄嶂?0%的冷凝潛熱[3]。煙氣溫度仍較高，直接排放會(huì)造成較大的能源浪費(fèi)[4]。此外，煙氣中還含有較高濃度的氮氧化物(NOx)，嚴(yán)重危害人體健康和生態(tài)環(huán)境[5-6]。因此，在深度回收利用煙氣冷凝余熱的同時(shí)，燃?xì)忮仩t還需進(jìn)一步降低NOx排放濃度。

早期的煙氣余熱回收多采用熱網(wǎng)回水作為冷源，利用間接式換熱器進(jìn)行顯熱回收或利用直接式換熱器進(jìn)行全熱回收。但由于熱網(wǎng)回水溫度較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)深度回收煙氣冷凝余熱效果[7]，排煙溫度仍較高。利用熱泵制取低溫冷源是一種進(jìn)一步降低排煙溫度的有效方式。Yang等[8]提出一種用于煙氣全熱回收的全開(kāi)式吸收式熱泵技術(shù)，在回水溫度較高時(shí)仍具有較高熱回收效率。Qu等[9]分析了3種驅(qū)動(dòng)熱源的吸收式熱泵與間壁式換熱器耦合系統(tǒng)的余熱回收性能，發(fā)現(xiàn)鍋爐排煙溫度均可降至30℃，鍋爐熱效率可提高近16%。但吸收式熱泵存在占地面積大、初始投資高的問(wèn)題[10]，更適用于大型燃?xì)忮仩t。電壓縮式熱泵的成本較低，也可有效降低煙氣溫度[11-12]，更適用于中小型燃?xì)忮仩t余熱深度回收?，F(xiàn)有研究多重視余熱回收技術(shù)研究，對(duì)煙氣余熱回收的節(jié)能問(wèn)題與降氮排放的環(huán)境問(wèn)題缺少統(tǒng)籌考慮。目前常用的煙氣降氮方式主要有預(yù)混燃燒[13]、煙氣再循環(huán)[14]、分級(jí)燃燒[15]和富氧燃燒[16]等，主要通過(guò)降低氧占比和燃燒溫度來(lái)減少NOx的生成，會(huì)降低鍋爐供熱效率[17]。這些降氮技術(shù)又較少考慮鍋爐煙氣的余熱回收與利用問(wèn)題。

鑒于目前煙氣冷凝余熱回收與降氮排放多為獨(dú)立開(kāi)展研究，尤其對(duì)煙氣余熱、余水、降氮、消白的協(xié)同控制技術(shù)及其運(yùn)行規(guī)律的研究還有待深入。本文提出一種基于熱泵的煙氣冷凝余熱回收與降氮系統(tǒng)，利用壓縮式熱泵實(shí)現(xiàn)煙氣的冷凝余熱回收和余水回收，利用助燃空氣加濕技術(shù)降低煙氣的NOx排放濃度，從而實(shí)現(xiàn)中小型燃?xì)忮仩t的煙氣冷凝余熱高效回收與降氮排放的協(xié)同處理效果。本文利用試驗(yàn)研究了空氣加濕塔液氣比、助燃空氣含濕量、熱網(wǎng)回水溫度與流量等因素對(duì)系統(tǒng)余熱回收和降氮性能的影響規(guī)律，為進(jìn)一步分析和優(yōu)化燃?xì)忮仩t系統(tǒng)的余熱余水回收與降氮消白排放提供研究參考。

1 系統(tǒng)和方法

1.1 系統(tǒng)介紹

熱泵型煙氣冷凝余熱回收與降氮系統(tǒng)由燃?xì)忮仩t、空氣加濕塔、翅片管式換熱器、壓縮式熱泵等設(shè)備組成。試驗(yàn)選用58kW燃?xì)忮仩t作為煙氣發(fā)生源。系統(tǒng)工作流程及測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖1，試驗(yàn)臺(tái)見(jiàn)圖2。

圖1 熱泵型煙氣冷凝余熱回收與降氮系統(tǒng)流程圖

圖2 熱泵型煙氣冷凝余熱回收與降氮系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

來(lái)自燃?xì)忮仩t的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱回收塔，先與翅片管式換熱器內(nèi)的加濕水進(jìn)行一級(jí)換熱，降溫后流經(jīng)熱泵蒸發(fā)器進(jìn)行二級(jí)換熱，充分釋放冷凝余熱后被排至大氣。加濕水流經(jīng)翅片管式換熱器，由高溫?zé)煔饧訜岷筮M(jìn)入空氣加濕塔，以噴淋方式加熱加濕助燃空氣，經(jīng)過(guò)充分換熱后落入空氣加濕塔底部?jī)?chǔ)水池，最后在水泵驅(qū)動(dòng)下再次回到翅片管式換熱器內(nèi)被加熱，循環(huán)往復(fù)。產(chǎn)生的酸性冷凝水聚集在余熱回收塔底部?jī)?chǔ)水池，定期排出經(jīng)軟化處理后再送入鍋爐作為補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)余水回收。被加熱加濕的助燃空氣進(jìn)入鍋爐燃燒器中參與燃燒。熱泵工質(zhì)在蒸發(fā)器處回收煙氣余熱后，經(jīng)循環(huán)在冷凝器處將熱量傳遞給熱網(wǎng)回水。部分熱網(wǎng)回水進(jìn)入熱泵冷凝器被預(yù)熱，與剩余熱網(wǎng)回水混合后回到鍋爐繼續(xù)被加熱至一定溫度，再次供向熱用戶，形成熱網(wǎng)水循環(huán)。

熱泵型煙氣冷凝余熱回收與降氮系統(tǒng)將助燃空氣加濕與熱泵結(jié)合，建立“煙氣→加濕水與熱泵”的余熱傳遞途徑，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)煙氣冷凝余熱回收利用、氮氧化物減排、余水回收與脫白等目標(biāo)。

試驗(yàn)主要測(cè)試了煙氣溫度、煙氣NOx排放濃度、助燃空氣溫濕度、加濕水溫度及流量、熱網(wǎng)水溫度及流量等參數(shù)。所采用的測(cè)試儀器型號(hào)及其精度如表1所示。

表1 試驗(yàn)用測(cè)試儀器型號(hào)及精度

1.2 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)

1.2.1 低氮排放性能

由于NO 進(jìn)入空氣后迅速被氧化為NO2，基于NO2的相對(duì)分子質(zhì)量計(jì)算煙氣的NOx質(zhì)量濃度，如式(1)、式(2)所示。

式中，CmL為體積濃度，mL/m3；Cmg為質(zhì)量濃度，mg/m3；M為相對(duì)分子質(zhì)量；Vm為標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積，22.4L/mol。

1.2.2 余熱回收性能

高溫?zé)煔饬鹘?jīng)余熱回收塔，先后與加濕水和熱泵循環(huán)工質(zhì)換熱。余熱被用于加熱加濕水和熱網(wǎng)回水。加濕水吸收的煙氣余熱被用于預(yù)熱助燃空氣，這部分熱量會(huì)再次回到爐膛，不計(jì)入系統(tǒng)余熱回收量。而由于冷凝器側(cè)熱網(wǎng)回水得熱量來(lái)自煙氣余熱和熱泵輸入功率，系統(tǒng)余熱回收量表示為冷凝器側(cè)熱網(wǎng)回水得熱量與熱泵輸入功率之差。將系統(tǒng)余熱回收量與燃?xì)忮仩t輸入熱量之比定義為系統(tǒng)余熱回收效率，計(jì)算如式(3)～式(6)。

式中，Qh,u為冷凝器側(cè)熱網(wǎng)回水得熱量，kW；mh為冷凝器側(cè)熱網(wǎng)回水流量，kg/s；cp為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；T2為冷凝器側(cè)熱網(wǎng)回水出口溫度，℃；T1為冷凝器側(cè)熱網(wǎng)回水入口溫度，℃；Qr為系統(tǒng)余熱回收量，kW；E為熱泵輸入功率，kW；Qin為燃?xì)忮仩t輸入熱量，kW；B為天然氣消耗量，m3/s（標(biāo)準(zhǔn)工況）；Qnet,ar為天然氣低位熱值，kJ/m3（標(biāo)準(zhǔn)工況）；ηr為系統(tǒng)余熱回收效率，%。

鍋爐熱效率為鍋爐供熱熱量與燃?xì)忮仩t輸入熱量之比[18]，如式(7)、式(8)。

式中，Qb為鍋爐供熱熱量，即鍋爐處熱網(wǎng)回水得熱量，kW；mb為鍋爐處熱網(wǎng)回水流量，kg/s；T4為鍋爐處熱網(wǎng)回水出口溫度，℃；T3為鍋爐處熱網(wǎng)回水入口溫度，℃；ηb為鍋爐熱效率，%；其他參數(shù)含義同前。

由于熱網(wǎng)回水經(jīng)由熱泵冷凝器被預(yù)熱，再進(jìn)入鍋爐被加熱后送至熱用戶供熱，系統(tǒng)供熱熱量表示為熱泵供熱量與鍋爐供熱熱量之和，即冷凝器側(cè)熱網(wǎng)回水得熱量與鍋爐供熱熱量之和。同樣地，將系統(tǒng)供熱熱量與燃?xì)忮仩t輸入熱量之比定義為系統(tǒng)熱效率，見(jiàn)式(9)、式(10)。

式中，Qs為系統(tǒng)供熱熱量，kW；ηs為系統(tǒng)熱效率，%；其他參數(shù)含義同前。

熱泵性能會(huì)影響系統(tǒng)的余熱回收量，故引入熱泵性能系數(shù)以評(píng)價(jià)熱泵性能，如式(11)。

式中，COP為熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)；其他參數(shù)含義同前。

1.2.3 經(jīng)濟(jì)效益

引入熱泵預(yù)熱進(jìn)入鍋爐前的熱網(wǎng)回水，有效降低了鍋爐的燃?xì)庀牧?，但也增加了運(yùn)行成本。年運(yùn)行成本通過(guò)年耗電量計(jì)算，而系統(tǒng)年耗電量主要包括熱泵年耗電量、水泵年耗電量和煙氣側(cè)阻力增加導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)新增年耗電量。

燃?xì)饽旯?jié)約成本計(jì)算如式(12)、式(13)。

水泵耗電量由加濕水泵耗電量和因增設(shè)冷凝器導(dǎo)致熱網(wǎng)回水側(cè)阻力增加引起的水泵新增耗電量組成。其中，加濕水泵年耗電量如式(15)。

因阻力增加引起的水泵和風(fēng)機(jī)新增年耗電量計(jì)算如式(16)。

則年運(yùn)行成本計(jì)算如式(17)、式(18)。

作為經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)，系統(tǒng)的投資回收期計(jì)算如式(19)所示。

式中，Bs為燃?xì)饽旯?jié)約量，m3；Th為年供暖總時(shí)間，h；Sg為燃?xì)饽旯?jié)約成本，CNY；Ag為燃?xì)鈫蝺r(jià)，CNY/m3（標(biāo)準(zhǔn)工況）；Bh為熱泵年耗電量，kW·h；Bp為加濕水泵年耗電量，kW·h；P為加濕水泵功率，kW；Bpf為水泵和風(fēng)機(jī)新增年耗電量，kW·h；ΔP為阻力增加導(dǎo)致的水泵和風(fēng)機(jī)的功率增加量，kW；Vope為年運(yùn)行成本，CNY；Be為年耗電量，kW·h；Ae為電價(jià)，CNY/(kW·h)；Y為投資回收期，a；I為系統(tǒng)初投資，CNY；其他參數(shù)含義同前。

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)低氮排放性能影響因素分析

2.1.1 低氮排放性能影響分析

系統(tǒng)利用噴淋方式對(duì)助燃空氣加濕以降低鍋爐煙氣中NOx排放濃度，實(shí)現(xiàn)煙氣低氮排放效果。助燃空氣含濕量的增加可有效降低氧氣濃度及燃燒溫度，抑制NOx生成，從而顯著降低NOx排放濃度。在給定熱網(wǎng)回水溫度為40℃和流量為1853L/h 的工況下，通過(guò)調(diào)節(jié)加濕水流量，試驗(yàn)研究了助燃空氣含濕量對(duì)煙氣中NOx排放濃度的影響規(guī)律。

在相同鍋爐負(fù)荷下，增大助燃空氣含濕量可有效降低煙氣的NOx排放濃度，如圖3 所示。當(dāng)助燃空氣未加濕時(shí)，75%和90%鍋爐負(fù)荷下的NOx排放濃度分別為90.3mg/m3和100.7mg/m3，遠(yuǎn)超過(guò)既有燃?xì)忮仩t改造排放標(biāo)準(zhǔn)限值。當(dāng)助燃空氣含濕量增加到20g/kg 時(shí)，75%和90%鍋爐負(fù)荷下的排煙NOx濃度均已低于排放限值。將加濕助燃空氣后的鍋爐NOx排放濃度減少量與未加濕時(shí)的鍋爐NOx排放濃度之比定義為減排效率?？梢钥闯鲈?0%鍋爐負(fù)荷下，含濕量繼續(xù)增大到59.5g/kg 時(shí)，NOx排放濃度可降至39.7mg/m3，減排效率為60.6%。當(dāng)助燃空氣含濕量相同時(shí)，75%鍋爐負(fù)荷的NOx排放濃度更低。因此，在90%鍋爐負(fù)荷下，需將助燃空氣加濕到更高的含濕量，使NOx排放濃度降至更低。

2.1.2 助燃空氣含濕量影響分析

液氣比為加濕水流量與助燃空氣質(zhì)量流量的比值。較高的液氣比以及較高的鍋爐負(fù)荷有利于對(duì)助燃空氣加濕，實(shí)現(xiàn)煙氣低氮排放。通過(guò)調(diào)節(jié)加濕水量，試驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)在不同空氣加濕塔液氣比下的助燃空氣含濕量如圖4所示。在鍋爐負(fù)荷不變時(shí)，助燃空氣含濕量隨液氣比增大而增大，當(dāng)液氣比大于3后，其增幅逐漸變緩，這意味著繼續(xù)增大液氣比對(duì)助燃空氣加濕的促進(jìn)作用有限。而在液氣比相同時(shí)，90%鍋爐負(fù)荷下的助燃空氣可被加濕至更高的含濕量。與75%鍋爐負(fù)荷工況相比，燃?xì)庠?0%鍋爐負(fù)荷工況下燃燒更充分，排煙溫度更高，能在換熱器處將加濕水加熱到更高溫度。這使得助燃空氣出空氣加濕塔時(shí)的溫度上升，含濕量隨之上升。

圖4 空氣加濕塔液氣比對(duì)助燃空氣含濕量的影響

2.2 系統(tǒng)余熱回收性能影響因素分析

2.2.1 助燃空氣加濕對(duì)系統(tǒng)余熱回收效率的影響

當(dāng)助燃空氣未加濕時(shí)，90%鍋爐負(fù)荷和75%鍋爐負(fù)荷下的煙氣露點(diǎn)溫度分別為55.7℃和55.8℃。加濕后的助燃空氣進(jìn)入鍋爐，使得煙氣的含水量增大，露點(diǎn)溫度進(jìn)而顯著升高，且隨助燃空氣含濕量增加而增加，如圖5所示。煙氣露點(diǎn)溫度的提高顯著降低了回收潛熱對(duì)低溫水的需求，有利于充分利用煙氣汽化潛熱。因此，增大空氣加濕塔液氣比，即增大助燃空氣含濕量，有利于余熱回收塔處的煙氣充分換熱。

圖5 助燃空氣含濕量對(duì)煙氣露點(diǎn)溫度的影響

在熱網(wǎng)回水溫度和流量分別為40℃、1853L/h工況下，試驗(yàn)分析了空氣加濕塔液氣比對(duì)系統(tǒng)余熱回收效率的影響。系統(tǒng)利用翅片管式換熱器和熱泵蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)了高溫?zé)煔馓菁?jí)換熱，其中翅片管式換熱器中煙氣與加濕水的換熱量，即加濕水得熱量，會(huì)影響熱泵蒸發(fā)器側(cè)的煙氣換熱量，即系統(tǒng)余熱回收量。加濕水得熱量隨液氣比增大而增加，其增加幅度逐漸變緩，如圖6(a)所示。由于煙氣露點(diǎn)溫度隨液氣比增大而增大，使翅片管式換熱器處的煙氣得以充分換熱，加濕水得熱量隨之增大。

圖6 空氣加濕塔液氣比對(duì)加濕水得熱量、余熱回收量以及系統(tǒng)余熱回收效率的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，助燃空氣加濕會(huì)降低系統(tǒng)余熱回收效率，如圖6(b)所示。這是因?yàn)殡S空氣加濕塔液氣比增大，加濕水得熱量增大，熱泵蒸發(fā)器可回收煙氣余熱減少，余熱回收量減小，系統(tǒng)余熱回收效率隨之降低。與75%鍋爐負(fù)荷工況相比，90%鍋爐負(fù)荷的降低幅度更小，液氣比由2.9 增大至19.5 時(shí)，余熱回收效率由7.7%降低至6.4%。這意味著在液氣比相同時(shí)，高負(fù)荷工況下助燃空氣加濕對(duì)系統(tǒng)余熱回收效果的不利影響更小。

由2.1 節(jié)可知煙氣NOx排放濃度隨液氣比增大而降低，因此助燃空氣加濕在提高系統(tǒng)降氮效果的同時(shí)降低了系統(tǒng)余熱回收效果。

2.2.2 熱網(wǎng)回水溫度和流量對(duì)系統(tǒng)余熱回收效率的影響

系統(tǒng)通過(guò)熱網(wǎng)水循環(huán)與熱泵循環(huán)，將熱泵蒸發(fā)器回收的煙氣余熱用于預(yù)熱熱網(wǎng)回水，以實(shí)現(xiàn)煙氣的余熱利用。故余熱回收量還受冷凝器側(cè)熱網(wǎng)回水溫度與流量的影響。以90%鍋爐負(fù)荷、加濕水流量1537L/h工況為例，試驗(yàn)研究了熱網(wǎng)回水溫度與流量對(duì)系統(tǒng)余熱回收效率的影響。結(jié)果表明：在相同熱網(wǎng)回水流量下，隨著熱網(wǎng)回水溫度的降低，系統(tǒng)余熱效率逐漸升高；在相同熱網(wǎng)回水溫度下，系統(tǒng)余熱效率隨著熱網(wǎng)回水流量的增加而升高，如圖7(a)所示。當(dāng)熱網(wǎng)回水溫度和流量分別為40℃和1853L/h 時(shí)，系統(tǒng)余熱回收效率可達(dá)6.9%。因此，為實(shí)現(xiàn)更好的余熱回收效果，需要較低的熱網(wǎng)回水溫度與較大的熱網(wǎng)回水流量。

圖7 熱網(wǎng)回水溫度和流量對(duì)系統(tǒng)余熱回收效率和熱泵COP的影響

熱泵實(shí)際運(yùn)行制熱性能系數(shù)受冷凝器運(yùn)行工況的影響。在冷凝器側(cè)，熱網(wǎng)回水的工況會(huì)影響冷凝器內(nèi)制冷劑的溫度和壓力，從而影響熱泵功耗和COP。試驗(yàn)測(cè)得各工況下的熱泵COP值，見(jiàn)圖7(b)。降低熱網(wǎng)回水溫度或增大熱網(wǎng)回水流量均可提高熱泵COP。熱網(wǎng)回水工況為水溫40℃、流量1853L/h時(shí)，熱泵COP最高可達(dá)3.12，有利于高效回收煙氣余熱。

2.2.3 排煙溫度影響分析

排煙溫度可直接體現(xiàn)系統(tǒng)的余熱利用情況。試驗(yàn)工況下，排煙溫度均被降至遠(yuǎn)低于煙氣露點(diǎn)溫度，且未超過(guò)40℃，如圖8所示。隨著熱網(wǎng)回水流量增大或熱網(wǎng)回水溫度降低，排煙溫度逐漸降低。隨著熱網(wǎng)回水溫度降低，熱網(wǎng)回水在鍋爐內(nèi)換熱更充分，使得煙氣攜帶的顯熱減少，進(jìn)入余熱回收塔的煙氣溫度降低，排煙溫度亦隨之降低。而增大熱網(wǎng)回水流量可強(qiáng)化鍋爐處換熱過(guò)程，提高熱泵COP，蒸發(fā)器側(cè)換熱量增加，故排煙溫度有所降低。在熱網(wǎng)回水溫度為40℃、流量為1853L/h 工況下，排煙溫度降低至最低，為24.5℃，接近室溫，表明煙氣余熱回收效果顯著。

圖8 熱網(wǎng)回水溫度和流量對(duì)系統(tǒng)排煙溫度的影響

2.2.4 鍋爐熱效率影響分析

鍋爐熱效率為鍋爐用于供熱的熱量與輸入燃?xì)鉄崃康谋戎?。在給定熱網(wǎng)回水溫度為40℃和流量為1853L/h 的工況下，利用正平衡法計(jì)算了試驗(yàn)鍋爐不同負(fù)荷運(yùn)行下的熱效率，研究了助燃空氣加濕對(duì)鍋爐熱效率的影響。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，在液氣比為0，即助燃空氣沒(méi)有加濕的工況下，試驗(yàn)鍋爐在90%負(fù)荷和75%負(fù)荷下的平均熱效率均為89.8%。增大空氣加濕塔液氣比會(huì)降低鍋爐熱效率，如圖9所示。對(duì)助燃空氣加濕，隨著液氣比增加，可燃組分占比降低，爐內(nèi)燃燒溫度下降，鍋爐熱效率繼而降低。低負(fù)荷工況的降低幅度更大。在液氣比變化范圍為0～19.5 時(shí)，90%鍋爐負(fù)荷下的鍋爐熱效率僅降低3.4%。但得益于熱泵的應(yīng)用，煙氣余熱被有效回收利用，系統(tǒng)整體供熱能力提高。試驗(yàn)中，各工況下的系統(tǒng)熱效率均超過(guò)未加濕時(shí)的鍋爐熱效率，最高可達(dá)100.9%。

圖9 助燃空氣加濕對(duì)鍋爐熱效率和系統(tǒng)熱效率的影響

3 系統(tǒng)效益分析

3.1 節(jié)能效益分析

為簡(jiǎn)單直觀描述熱泵型煙氣冷凝余熱回收與降氮系統(tǒng)的能量流動(dòng)并分析系統(tǒng)節(jié)能效益，根據(jù)能量守恒，以燃?xì)獾臀话l(fā)熱量為基準(zhǔn)，以90%鍋爐負(fù)荷、1537L/h 加濕水流量、1853L/h 熱網(wǎng)回水流量、40℃熱網(wǎng)回水溫度為例繪制了系統(tǒng)能流圖，如圖10所示。系統(tǒng)共輸入115.2%的能量，輸入能量由大到小分別為燃?xì)馑瑹崃俊岜霉?、助燃空氣所含熱量；系統(tǒng)輸出能量由大到小分別為熱網(wǎng)供熱熱量、熱損失、排煙所含熱量，其中有效輸出熱量96.7%。系統(tǒng)在空氣加濕塔中預(yù)熱加濕助燃空氣，降低了鍋爐煙氣中的NOx排放濃度，加濕水中2.4%的熱量也因此被耗散掉。熱網(wǎng)供熱熱量來(lái)自燃?xì)馀c助燃空氣和余熱回收系統(tǒng)兩部分，其中燃?xì)馀c助燃空氣總熱量的86.4%進(jìn)入熱網(wǎng)供水；余熱回收系統(tǒng)中熱泵消耗3.9%的電能回收煙氣余熱，并將10.3%的熱量輸送到熱網(wǎng)回水。系統(tǒng)排煙熱損失僅占2.7%，但是仍有13.4%的其他熱損失，主要集中在煙道與余熱回收塔。因此，熱泵型煙氣冷凝余熱回收與降氮系統(tǒng)具備優(yōu)秀的余熱回收和降氮性能，并可通過(guò)優(yōu)化設(shè)備選型、提高系統(tǒng)保溫性能等措施進(jìn)一步提高系統(tǒng)余熱回收效率及熱效率。

圖10 熱泵型燃?xì)忮仩t煙氣冷凝余熱回收與降氮系統(tǒng)的能流圖分析

3.2 環(huán)保效益分析

系統(tǒng)利用熱泵深度回收煙氣余熱，用于預(yù)熱熱網(wǎng)回水，系統(tǒng)熱效率增大。供熱負(fù)荷一定時(shí)，燃?xì)忮仩t所需工作負(fù)荷減小，耗氣量減少，這有效降低了煙氣中的NOx排放量。此外，煙氣中的水蒸氣會(huì)在熱泵蒸發(fā)器表面冷凝并落在余熱回收塔底部的儲(chǔ)水池，有利于實(shí)現(xiàn)煙氣脫白。且冷凝水經(jīng)處理后可作為鍋爐補(bǔ)水。通過(guò)計(jì)算空氣加濕塔進(jìn)出口的煙氣質(zhì)量之差得到系統(tǒng)的余水回收量。設(shè)定采暖季為4個(gè)月，鍋爐每天運(yùn)行24h，系統(tǒng)的NOx減排量和余水回收量如圖11所示。NOx減排量和余水回收量均隨液氣比增大而增大，系統(tǒng)的NOx減排量為65.2～117.9kg/a，余水回收量為20.2～31.2t/a，系統(tǒng)環(huán)保效益顯著。

圖11 液氣比對(duì)系統(tǒng)NOx減排量和余水回收量的影響

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

系統(tǒng)通過(guò)加入熱泵與空氣加濕塔等設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)鍋爐煙氣冷凝余熱回收的同時(shí)兼具促進(jìn)煙氣低氮排放的能力。但這些設(shè)備會(huì)增加系統(tǒng)投資，投入主要包括熱泵、空氣加濕塔、余熱回收塔、水泵、管道、閥門(mén)等設(shè)備和材料的費(fèi)用，試驗(yàn)用系統(tǒng)總費(fèi)用共7540CNY。收益主要包括燃?xì)夤?jié)約費(fèi)和余水回收及煙氣降氮帶來(lái)的環(huán)保效益。以NOx排放濃度最低工況，結(jié)合燃?xì)夤?jié)約成本、運(yùn)行成本以及系統(tǒng)總費(fèi)用，按式(12)～式(19)計(jì)算試驗(yàn)系統(tǒng)的投資回收期。以北京地區(qū)為例，燃?xì)鈨r(jià)格按北京市2022 年冬季非居民用氣價(jià)格計(jì)算，電價(jià)按2021年1月北京城區(qū)非居民銷售電價(jià)計(jì)算，各階梯時(shí)段為8h，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 運(yùn)行成本計(jì)算參數(shù)

系統(tǒng)投資回收期受燃?xì)鈨r(jià)格和電價(jià)波動(dòng)較大，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)計(jì)算，試驗(yàn)系統(tǒng)最短投資回收期為4年。

表3 投資回收期計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)系統(tǒng)在冷凝器側(cè)熱網(wǎng)回水溫度較低、流量較大時(shí)供熱效率高，運(yùn)行費(fèi)用較低。如果在有低氮改造環(huán)保補(bǔ)貼政策的地區(qū)應(yīng)用該系統(tǒng)，投資回收期將會(huì)大大縮短。因此，熱泵型煙氣余熱回收與降氮系統(tǒng)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

熱泵型煙氣冷凝余熱回收與降氮協(xié)同處理系統(tǒng)可以同時(shí)解決燃?xì)忮仩t余熱回收與低氮排放問(wèn)題。搭建試驗(yàn)臺(tái)并測(cè)試分析了不同工況下系統(tǒng)的運(yùn)行效果，試驗(yàn)研究結(jié)論如下。

（1）增大助燃空氣含濕量可以有效降低NOx排放濃度。在鍋爐維持90%供熱負(fù)荷下，助燃空氣含濕量為59.5g/kg 時(shí)，NOx排放濃度可降低至39.7mg/m3，減排效率可達(dá)60.6%?？赏ㄟ^(guò)增大液氣比實(shí)現(xiàn)助燃空氣含濕量增加。

（2）助燃空氣加濕可提高煙氣露點(diǎn)溫度，余熱回收塔在熱網(wǎng)回水溫度較高時(shí)仍能保持較好的換熱效果，會(huì)增大加濕水得熱量，有利于提高降氮效果。但會(huì)減少余熱回收量，系統(tǒng)余熱回收效率會(huì)降低。試驗(yàn)工況下煙氣露點(diǎn)溫度最高可達(dá)64℃，系統(tǒng)余熱回收效率則降至6.4%。

（3）增大熱網(wǎng)回水流量或降低回水溫度均可以提高系統(tǒng)余熱回收效率和熱泵COP，降低排煙溫度。當(dāng)熱網(wǎng)回水溫度為40.0℃、流量為1853.0L/h時(shí)，系統(tǒng)余熱回收效率和熱泵COP 分別為6.9%和3.1；排煙溫度降至24.5℃，系統(tǒng)具有顯著的余熱回收效果。

（4）助燃空氣加濕降氮會(huì)降低鍋爐供熱效率。利用熱泵回收煙氣余熱可以抵消降氮運(yùn)行時(shí)鍋爐的供熱效率下降，使得試驗(yàn)工況下系統(tǒng)的供熱效率均高于未加濕時(shí)的鍋爐熱效率，系統(tǒng)整體供熱能力得到提高。

（5）該系統(tǒng)在一個(gè)采暖季的NOx減排量為65.2～117.9kg/a，余水回收量為20.2～31.2t/a。該系統(tǒng)的最短投資回收期約為4年，具有較好的節(jié)能、環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益。