蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

王 遜, 肖 威

(北京優(yōu)奈特能源工程技術(shù)有限公司, 北京 100023)

1 概述

蒸汽泵(Vapor-Pump)煙氣余熱回收系統(tǒng)[1-3]是一種基于換熱器的濕法余熱回收技術(shù)。通過煙氣與循環(huán)水直接接觸、空氣與循環(huán)水直接接觸,實(shí)現(xiàn)高效傳熱傳質(zhì),不僅將煙氣余熱轉(zhuǎn)移至燃?xì)忮仩t助燃空氣中,還可以顯著提高助燃空氣含濕量,煙氣露點(diǎn)也隨之提高10～20 ℃,為在較高溫度冷源條件下回收煙氣潛熱創(chuàng)造了有利條件,并有效降低燃?xì)忮仩t氮氧化物排放。

文獻(xiàn)[2]對(duì)蒸汽泵煙氣余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行理論分析,得到入塔煙氣溫度為60 ℃時(shí),理論系統(tǒng)熱效率可達(dá)到106.6%,排煙溫度為30 ℃。以提高余熱回收率、降低氮氧化物排放為目標(biāo),許多學(xué)者采用理論和實(shí)驗(yàn)手段對(duì)濕法余熱回收技術(shù)進(jìn)行了研究,分析熱網(wǎng)回水溫度、水氣比等參數(shù)對(duì)余熱回收的影響[4-9],優(yōu)化換熱器類型、布置方式[5-6]以及系統(tǒng)運(yùn)行模式[6]。

雖然蒸汽泵煙氣余熱回收系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì),但系統(tǒng)改造費(fèi)用高,除新增風(fēng)機(jī)、水泵耗電量外,系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用也有所增加。

本文基于蒸汽泵煙氣余熱回收技術(shù),將常規(guī)燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)改造為蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統(tǒng)。介紹3種蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統(tǒng)流程,測算蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統(tǒng)節(jié)氣量、增量投資回收期,評(píng)價(jià)系統(tǒng)改造經(jīng)濟(jì)性。文中壓力均為絕對(duì)壓力。

2 蒸汽泵煙氣余熱回收技術(shù)與計(jì)算方法

2.1 蒸汽泵煙氣余熱回收技術(shù)

蒸汽泵煙氣余熱回收系統(tǒng)以循環(huán)水為中介,經(jīng)過煙氣熱回收塔(簡稱煙氣塔)、空氣加濕塔(簡稱空氣塔),將煙氣余熱轉(zhuǎn)移給助燃空氣。

在煙氣塔中,循環(huán)水自上向下噴灑,煙氣自下向上進(jìn)入煙氣塔后,在填料段與循環(huán)水直接接觸放熱降溫,煙氣中的水蒸氣凝結(jié)釋放潛熱,循環(huán)水吸熱升溫,煙氣中水蒸氣凝結(jié)后進(jìn)入循環(huán)水,循環(huán)水流量增大,自煙氣塔底排出后進(jìn)入空氣塔,用于助燃空氣加濕預(yù)熱。煙氣降溫除濕后自煙氣塔頂排出,通過煙囪排至大氣。

在空氣塔中,來自煙氣塔底的循環(huán)水進(jìn)入空氣塔頂,與由空氣塔下部進(jìn)入的低溫空氣在填料段中直接接觸,空氣被加熱,含濕量增大,濕空氣達(dá)到預(yù)定溫度和含濕量后自塔頂排出,進(jìn)入燃?xì)忮仩t燃燒器。循環(huán)水匯集到空氣塔底部,少量循環(huán)水排出系統(tǒng),大部分返回?zé)煔馑?用于煙氣降溫除濕。

2.2 計(jì)算方法

根據(jù)換熱裝置進(jìn)出口物料焓差、質(zhì)量流量,計(jì)算換熱裝置的換熱功率。采用Aspen Plus進(jìn)行流程模擬。水和水蒸氣物性采用STEAM-TA,空氣、煙氣物性采用PENG-ROB。采用RSTOIC模塊模擬天然氣燃燒,過剩空氣系數(shù)取1.2。天然氣組成見表1。

表1 天然氣組成

水-水、煙氣-水換熱均采用MheatX模塊,換熱損失均取2%。煙氣塔、空氣塔采用自定義模塊,根據(jù)文獻(xiàn)[10-12]建立塔內(nèi)流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)數(shù)值模型,采用向前差分求解。風(fēng)機(jī)、水泵等采用壓縮模塊,全效率取0.7。一級(jí)管網(wǎng)供回水壓力取700 kPa。二級(jí)管網(wǎng)供水壓力取900 kPa,回水壓力取800 kPa。鍋爐排煙壓力110.0 kPa。煙氣塔進(jìn)塔煙氣壓力103.9 kPa,塔頂排煙壓力103.7 kPa?？諝馑胨諝鈮毫?14.0 kPa,出塔助燃空氣壓力113.4 kPa。不考慮管道散熱損失。

3 供熱系統(tǒng)

3.1 改造前供熱系統(tǒng)

改造前供熱系統(tǒng)流程見圖1。天然氣與助燃空氣混合后經(jīng)燃燒器燃燒放熱,將一級(jí)管網(wǎng)回水由70 ℃加熱至95 ℃。燃?xì)忮仩t排煙溫度為120 ℃。在一二級(jí)管網(wǎng)板式換熱器中,一級(jí)管網(wǎng)供水將二級(jí)管網(wǎng)回水由50 ℃加熱至70 ℃。系統(tǒng)供熱量(為一二級(jí)管網(wǎng)板式換熱器二級(jí)側(cè)換熱功率)為5 410.8 kW,系統(tǒng)熱效率(為一二級(jí)管網(wǎng)板式換熱器二級(jí)側(cè)換熱功率與鍋爐輸入燃料熱功率之比)為92.5%。

圖1 改造前供熱系統(tǒng)流程

3.2 改造后供熱系統(tǒng)

① 單冷源兩塔系統(tǒng)

單冷源兩塔蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統(tǒng)(簡稱單冷源兩塔系統(tǒng))流程見圖2。鍋爐排煙(120 ℃)經(jīng)煙氣冷卻器降溫至80 ℃后進(jìn)入蒸汽泵煙氣余熱回收系統(tǒng)。單冷源兩塔蒸汽泵煙氣余熱回收系統(tǒng)以空氣作為單一冷源。二級(jí)管網(wǎng)回水分為兩部分,一部分在煙氣冷卻器中被煙氣預(yù)熱至60 ℃,然后與剩余二級(jí)管網(wǎng)回水混合,進(jìn)入一二級(jí)管網(wǎng)板式換熱器,被一級(jí)管網(wǎng)供水加熱至70 ℃。

圖2 單冷源兩塔系統(tǒng)流程

② 雙冷源兩塔系統(tǒng)

燃?xì)忮仩t排煙含有大量潛熱,以空氣作為單一冷源時(shí),由于空氣加濕預(yù)熱所需熱量有限,易導(dǎo)致實(shí)際回收的余熱量不足以將排煙降至較低溫度,難以獲得更高的系統(tǒng)熱效率。因此,需要添加其他冷源,與空氣共同吸收更多的煙氣余熱,構(gòu)成雙冷源蒸汽泵煙氣余熱回收系統(tǒng)。將二級(jí)管網(wǎng)回水作為另一冷源,構(gòu)成雙冷源兩塔蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統(tǒng)(簡稱雙冷源兩塔系統(tǒng)),見圖3。與單冷源兩塔系統(tǒng)相比,雙冷源兩塔系統(tǒng)的主要區(qū)別:在煙氣塔塔底與空氣塔塔頂循環(huán)水管路上增設(shè)循環(huán)水-熱網(wǎng)水板式換熱器。煙氣塔循環(huán)水出水在進(jìn)入空氣塔前,先在循環(huán)水-熱網(wǎng)水板式換熱器中加熱部分二級(jí)管網(wǎng)回水,降溫后再進(jìn)入空氣塔。

圖3 雙冷源兩塔系統(tǒng)流程

③ 雙冷源三塔系統(tǒng)

雙冷源三塔蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統(tǒng)(簡稱雙冷源三塔系統(tǒng))流程見圖4。煙氣高溫段水蒸氣含量高、潛熱回收潛力大,為更好匹配煙氣、空氣、熱網(wǎng)水之間的傳熱傳質(zhì),按能量梯級(jí)利用的原則將煙氣放熱分為兩部分:煙氣塔1加熱溫度較高的冷流體,煙氣塔2加熱溫度較低的冷流體。煙氣塔1采用較大水氣比和較大填料段直徑,以充分回收高溫?zé)煔鉄崃?并保證流動(dòng)要求。煙氣塔2煙氣進(jìn)氣溫度比較低,余熱回收量小,采用較小水氣比,并適當(dāng)縮小填料段直徑。

圖4 雙冷源三塔系統(tǒng)流程

鍋爐排煙進(jìn)入煙氣塔1,在塔內(nèi)煙氣與大量循環(huán)水接觸換熱,然后進(jìn)入煙氣塔2,與來自空氣塔的循環(huán)水換熱,最后經(jīng)煙囪排出系統(tǒng)。煙氣塔1出水循環(huán)水分為兩部分:一部分進(jìn)入空氣塔,加濕預(yù)熱空氣,然后進(jìn)入煙氣塔2。另一部分由循環(huán)水-熱網(wǎng)水板式換熱器加熱部分二級(jí)管網(wǎng)回水,隨后與來自煙氣塔2出水循環(huán)水混合,然后進(jìn)入煙氣塔1。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

① 天然氣節(jié)氣量

用戶熱負(fù)荷一定時(shí),改造后供熱系統(tǒng)天然氣節(jié)氣量ΔV的計(jì)算式為:

(1)

式中 ΔV——改造后供熱系統(tǒng)天然氣節(jié)氣量,m3

Φ——用戶熱負(fù)荷,kW

t——運(yùn)行時(shí)間,s

Hi——天然氣低熱值,kJ/m3

ηb——改造前系統(tǒng)熱效率,為0.925

ηa——改造后系統(tǒng)熱效率

以改造前供熱系統(tǒng)供熱量5 410.8 kW為計(jì)算基礎(chǔ)。北京供暖期為123 d,供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取18 ℃,供暖室外計(jì)算平均溫度為-0.7 ℃,供暖室外計(jì)算溫度為-7.6 ℃,可計(jì)算得到北京供暖期最大熱負(fù)荷利用時(shí)間為1 776 h,因此式(1)中運(yùn)行時(shí)間按1 776 h計(jì)算,用戶熱負(fù)荷按5 410.8 kW計(jì)算。天然氣低熱值為34 517 kJ/m3。

② 增量投資回收期

改造后供熱系統(tǒng)增量投資回收期tin的計(jì)算式為:

(2)

式中tin——改造后供熱系統(tǒng)增量投資回收期,a

ΔZ——增量投資,元

Cb——改造前供熱系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用,元/a

Ca——改造后供熱系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用,元/a

增量投資為與改造前相比主要新增、改造設(shè)備的設(shè)備購置費(fèi)和安裝費(fèi)。主要新增、改造設(shè)備為:為適應(yīng)濕空氣燃燒對(duì)燃燒器的改造、集散控制系統(tǒng)(DCS)、空氣塔、煙氣塔、填料、各種換熱器、風(fēng)機(jī)、水泵等。設(shè)備購置費(fèi)和安裝費(fèi)根據(jù)設(shè)備參數(shù)向廠家詢價(jià)獲得。

年運(yùn)行費(fèi)用為年天然氣費(fèi)用、年電費(fèi)、年設(shè)備維護(hù)費(fèi)。天然氣費(fèi)用由燃?xì)忮仩t產(chǎn)生,電費(fèi)由風(fēng)機(jī)、水泵產(chǎn)生,年設(shè)備維護(hù)費(fèi)按系統(tǒng)投資的1%計(jì)算。天然氣價(jià)格按2.51 元/m3計(jì)算,電價(jià)按1 元/(kW·h)計(jì)算。

4.2 計(jì)算結(jié)果

① 節(jié)氣量

改造后系統(tǒng)熱效率、天然氣節(jié)氣量見表2。由表2可知,與改造前相比,蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統(tǒng)的系統(tǒng)熱效率得到不同提升。特別是雙冷源三塔系統(tǒng),系統(tǒng)熱效率由改造前的92.5%,提升至99.9%,1個(gè)供暖期的天然氣節(jié)氣量達(dá)到8.19×104m3。

表2 改造后系統(tǒng)熱效率、天然氣節(jié)氣量

② 增量投資回收期

改造后供熱系統(tǒng)增量投資見表3。由表3可知,與改造前相比,雙冷源三塔系統(tǒng)的投資增量最大,為151.2×104。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,與改造前相比,單冷源兩塔系統(tǒng)、雙冷源兩塔系統(tǒng)、雙冷源三塔系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用分別下降8.38×104、10.76×104、16.83×104元/a。

表3 改造后供熱系統(tǒng)增量投資

由式(2)可計(jì)算得到,單冷源兩塔系統(tǒng)、雙冷源兩塔系統(tǒng)、雙冷源三塔系統(tǒng)的增量投資回收期分別為15.8、12.3、9.0 a。因此,雙冷源三塔系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最佳。

5 結(jié)論

① 與改造前相比,蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統(tǒng)的系統(tǒng)熱效率得到不同提升,特別是雙冷源三塔系統(tǒng),系統(tǒng)熱效率由改造前的92.5%,提升至99.9%,1個(gè)供暖期的天然氣節(jié)氣量達(dá)到8.19×104m3。

② 單冷源兩塔系統(tǒng)、雙冷源兩塔系統(tǒng)、雙冷源三塔系統(tǒng)的增量投資回收期分別為15.8、12.3、9.0 a,雙冷源三塔系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最佳。