胡全喜+雷鑫

摘 要：本文以天津某燃氣鍋爐項目為例，利用直燃式吸收式熱泵產(chǎn)生的低溫冷水與燃氣鍋爐尾部煙氣進行直接接觸式換熱，將煙氣溫度降至30℃甚至更低再排放至環(huán)境中，起到良好的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益、社會效益。

關(guān)鍵詞：燃氣鍋爐；煙氣余熱；深度利用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.050

1 前言

利用直燃式吸收式熱泵產(chǎn)生的低溫冷水與燃氣鍋爐尾部煙氣進行直接接觸式換熱，將煙氣溫度降至30℃甚至更低再排放至環(huán)境中，回收的熱量通過直燃式吸收式熱泵供出，用于加熱熱網(wǎng)回水，提高能源綜合利用效率，降低能源消耗，減少了大氣污染物排放，同時煙氣中冷凝水的析出，起到良好的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益、社會效益。

2 項目概述

天津某燃氣鍋爐為利用原有燃煤鍋爐房進行改造，安裝4臺58MW燃氣熱水鍋爐，安裝直燃型煙氣余熱回收裝置，回收4臺鍋爐的煙氣余熱，技術(shù)方案簡要描述為：燃氣鍋爐煙氣在煙氣余熱回收設(shè)備中放出顯熱和潛熱，使煙氣溫度降至30℃或者更低溫度，通過煙囪排至大氣。煙氣余熱回收設(shè)備以天然氣為驅(qū)動熱源，提取燃氣鍋爐煙氣熱量，用于區(qū)域集中供熱。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研及計算分析，每臺鍋爐可配套建設(shè)余熱回收量為6MW的余熱回收機組。在鍋爐排煙溫度為70℃時，該套裝置可以回收煙氣余熱約6.38萬GJ，折合年減少天然氣耗量約188萬Nm3。

3 項目必要性

近幾年天津及周邊地區(qū)相繼出現(xiàn)大規(guī)模霧霾天氣，2013年9月17日環(huán)保部、發(fā)展改革委等六部門聯(lián)合印發(fā)《京津冀及周邊地區(qū)落實大氣污染防治行動計劃實施細則》。該《實施細則》分主要目標、重點任務(wù)兩部分。主要目標是：經(jīng)5年努力，京津冀及周邊地區(qū)空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，重污染天氣較大幅度減少。力爭再用5年或更長時間，逐步消除重污染天氣，空氣質(zhì)量全面改善。具體指標是：到2017年，北京市、天津市、河北省細顆粒物（PM2.5）濃度在2012年基礎(chǔ)上下降25%左右，山西省、山東省下降20%，內(nèi)蒙古自治區(qū)下降10%。其中，北京市細顆粒物年均濃度控制在60μg/m?左右。

鍋爐房清潔節(jié)能改造項目是在煤改氣項目基礎(chǔ)上進行的，能夠在節(jié)能與環(huán)保兩方面做出貢獻。通過進一步回收煙氣廢熱（相比于加裝普通煙氣節(jié)能器）提高能源綜合利用效率，降低能源消耗。同時通過低溫氧化法脫硝技術(shù)，可大幅減少NOX的排放量。

4 項目現(xiàn)狀

本項目鍋爐房共安裝4臺鍋爐，設(shè)計最大供熱負荷為232MW，根據(jù)年負荷延續(xù)時間曲線，一個供暖季鍋爐房設(shè)計年總共熱量為191萬GJ，供暖期內(nèi)平均供暖熱負荷180MW，最小負荷117MW。

鍋爐的排煙溫度為70℃，燃氣鍋爐供熱效率94%，則年耗氣量約為5439萬Nm3，天然氣價格按照2.36元/Nm3計算，則耗天然氣費用約為12836萬元。

以下計算按實際運行情況分析，1臺鍋爐80%負荷運行，鍋爐總回水溫度在38℃～48℃之間波動，平均回水溫度45℃，熱網(wǎng)水流量按830t/h進行計算。因此，其系統(tǒng)熱力平衡圖表分別如圖1所示。

5 方案原理

天然氣燃燒后排出的煙氣中含有大量的水蒸氣，煙氣中水蒸氣的汽化潛熱占天然氣低位發(fā)熱值的10%左右，若能將此冷凝熱回收利用，則可提高天然氣的利用效率10%以上，

煙氣中的余熱有很大一部分存在于水蒸氣潛熱之中，因而在降低煙氣溫度，回收顯熱的同時，將煙氣中的水蒸氣潛熱回收才能做到真正的煙氣全熱回收。燃氣鍋爐高溫煙氣的水蒸氣處于未飽和的狀態(tài)，因而必須通過降溫使水蒸氣冷凝析出。如果要將水蒸氣冷凝，必須將煙氣溫度降低到對應(yīng)的露點溫度以下。對于天然氣鍋爐的煙氣，其露點溫度一般在55-60℃。通過計算，煙氣的顯熱段排煙溫度降低20℃，鍋爐效率提高1%，潛熱段溫度降低3～5℃，鍋爐效率就提高1%。常規(guī)的煙氣余熱回收技術(shù)是利用煙氣與熱網(wǎng)水換熱或者煙氣與空氣換熱，回收余熱量的多少受制于熱網(wǎng)的回水溫度和空氣的進口溫度。通常熱網(wǎng)的回水溫度不會低于 40℃，導(dǎo)致煙氣很大一部分冷凝熱無法回收；而空氣與煙氣換熱，在潛熱段空氣每升高4～7℃，煙氣才能降1℃。因此，這要求煙氣余熱回收裝置必須具備較強的熱交換能力，將高溫煙氣降低到足夠低的溫度，將煙氣中的水蒸氣盡可能多地凝出，釋放盡可能多的潛熱。

本項目方案利用吸收式熱泵產(chǎn)生的低溫冷水與煙氣進行直接接觸式換熱，將煙氣溫度降至30℃甚至更低再排放至環(huán)境中，回收的熱量通過吸收式熱泵供出，用于加熱熱網(wǎng)回水。通過本方案可以深度回收煙氣中水蒸氣的冷凝熱，使天然氣的利用效率提高10%以上；產(chǎn)生的煙氣冷凝水可以回收，具有節(jié)水效果。

在燃氣鍋爐房內(nèi)增加一套采用天然氣驅(qū)動的煙氣余熱回收設(shè)備以及相應(yīng)的煙道，用以回收鍋爐煙氣余熱加熱熱網(wǎng)水。

煙氣余熱回收設(shè)備主要設(shè)備如下：

直接接觸式換熱器（含水處理裝置）：煙氣與來自直燃型吸收式熱泵蒸發(fā)器的循環(huán)水在此直接接觸，進行熱質(zhì)交換。煙氣被降溫，所含大量水蒸氣冷凝，循環(huán)水升溫，同時對煙氣進行除濕脫硝，凈化煙氣。

直燃型吸收式熱泵：以燃氣作為驅(qū)動熱源的吸收式熱泵機組。吸收循環(huán)水中回收的煙氣熱量，加熱熱網(wǎng)回水，用于城市集中供熱。

循環(huán)水泵：設(shè)置在循環(huán)水管路中，驅(qū)動循環(huán)水的流動。

原有燃氣鍋爐的煙氣和直燃機排放的煙氣混合，通過煙道進入到直接接觸式換熱器中。來自直燃型吸收式熱泵蒸發(fā)器的循環(huán)水在循環(huán)水泵的推動下，也進入到直接接觸式換熱器中。

在直接接觸式換熱器里，循環(huán)水被送到上方的噴淋裝置中，通過噴頭均勻噴灑到換熱器的容腔內(nèi)。煙氣逆著水噴灑的方向和循環(huán)水直接接觸換熱，降溫除濕到30℃后接入主煙道，通過煙囪排到大氣中。噴灑的循環(huán)水被加熱后匯集到換熱器下方的水池中，被循環(huán)水泵抽送回直燃熱泵的蒸發(fā)器中。

在直燃型吸收式熱泵中，燃氣管道中的燃氣輸入到其發(fā)生器，燃燒驅(qū)動機組的運行，煙氣通過煙道和燃氣鍋爐的煙氣混合。被加熱的循環(huán)水進入直燃熱泵的蒸發(fā)器中，作為熱泵的低溫熱源被降溫后送入到直接接觸式換熱器中繼續(xù)回收余熱。熱網(wǎng)水依次進入吸收器和冷凝器，被加熱后再進入鍋爐。

在原鍋爐給水管路上安裝流量調(diào)節(jié)閥，并在閥門前后安裝管道，將鍋爐給水引入直燃型吸收式熱泵。當吸收式熱泵運行時，通過調(diào)節(jié)閥門，使鍋爐給水首先經(jīng)過直燃型吸收式熱泵加熱，然后再送至鍋爐；不運行余熱回收機組時，關(guān)閉進入機組的鍋爐給水閥門，通過調(diào)節(jié)閥門，使得全部鍋爐給水進入鍋爐直接加熱。

冷凝水的pH值較低需要進行加堿處理，其余成分較為清潔，可以經(jīng)過簡單處理后排放，也可深度處理后用于鍋爐補水用。

6 熱力計算

天然氣選用北京天然氣。

燃氣鍋爐工作在額定負荷，過量空氣系數(shù)為1.2。

鍋爐排煙溫度按照70℃時，計算燃氣鍋爐的熱效率為96%，經(jīng)熱力計算，在單臺鍋爐負荷滿負荷運行的情況下，鍋爐煙氣流量為77961Nm3/h，煙氣余熱量約為7.5MW。因受到空間場地的限制，鍋爐運行的實際情況（一般最大80%負荷運行），因此設(shè)計回收的鍋爐煙氣熱量為6MW，需要煙氣量為62366Nm3/h。煙氣余熱回收設(shè)備天然氣驅(qū)動耗量為930Nm3/h。煙氣降溫過程可產(chǎn)生8t/h的冷凝水。煙氣余熱回收裝置將煙氣降至30℃。供熱量為14.56MW，可將625t/h的熱網(wǎng)水的溫度由45℃提升至65℃，再由燃氣鍋爐加熱至105℃送至用戶處用于供熱。

7 項目收益

在整個采暖季（按照123天計算），該套設(shè)備回收煙氣余熱量為6.38萬GJ，直燃熱泵供熱量約為15.47萬GJ，按照單臺鍋爐節(jié)約天然氣進行計算，每臺鍋爐在加裝余熱回收裝置后，可減少約188萬標準立方天然氣。同時可回收冷凝水為16000t/年，可深度處理后用于鍋爐補水用，也可以經(jīng)過簡單處理后排。

另外本套余熱回收機組需增加鍋爐房電耗約150kW，則整個采暖季增加電耗約44.28萬kWh。

8 環(huán)保效益

對煙氣余熱回收方案進行環(huán)保分析，由于煙氣余熱回收方案減少了年耗氣量，因此減少了大氣污染物排放，方案的環(huán)保性比較，經(jīng)計算：煙氣余熱回收方案減少 CO2排量3659噸/年，減少NOx排量3.95噸/年，減少SO2排量為0.41噸/年，具有較好的環(huán)保效益。

9 結(jié)語

對常規(guī)方案和煙氣余熱回收方案進行能耗比較，煙氣余熱回收方案減少了年耗氣量，但增加了少量的電耗，但是總體上是大大節(jié)能的，經(jīng)濟效益、環(huán)保效益明顯。且將煙氣溫度降低至30℃以下，大幅降低PM2.5霧霾形成物的排放，社會效益突出。

參考文獻：

[1]燃氣熱泵空調(diào)系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程[S].（CJJ/T 216-2014）.