于曉娟 闞德民 顧吉浩

摘要 結(jié)合天津市某煤改氣工程實例，進(jìn)行了煙氣冷凝余熱回收裝置的跟蹤實測，調(diào)研了耗氣量、排煙溫度、煙氣含氧量、負(fù)荷率等實際參數(shù)，計算了煙氣冷凝余熱回收裝置的節(jié)能率、燃?xì)忮仩t的本體效率以及總效率。結(jié)果表明，當(dāng)鍋爐的負(fù)荷率為49%～91%時，通過煙氣余熱回收技術(shù)，可以將排煙溫度從96.7～156.8 ℃降至49.9～60.6 ℃，煙氣冷凝余熱回收裝置節(jié)能率為3.9%～8.5%，鍋爐系統(tǒng)的低熱值總效率為95.9%～101.2%，達(dá)到了預(yù)期節(jié)能的效果。

關(guān) 鍵 詞 燃?xì)忮仩t；余熱回收；排煙溫度；含氧量；鍋爐效率

中圖分類號 TU995 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

中國科學(xué)院數(shù)據(jù)顯示：2012年京津冀地區(qū)煤炭消費量為3.3 億t標(biāo)煤，占全球陸地面積不到0.3%，卻燃燒了6%全球消費量的煤[1]。該地區(qū)能源消費尤其是煤炭消費量持續(xù)增長，已經(jīng)嚴(yán)重影響到該地區(qū)生態(tài)環(huán)境。為減少污染物排放，國家相關(guān)部委頒布了《京津冀大氣污染防治強化措施（2016—2017年）》《京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案》等行政措施[2]。為響應(yīng)國家政策及環(huán)境需求，“煤改氣”工程在北方城市陸續(xù)實行。

天然氣具有優(yōu)質(zhì)、高效、低污染等特性，燃燒主要產(chǎn)物為CO2和H2O蒸汽，不含任何灰塵和顆粒物。但燃?xì)忮仩t設(shè)計的排煙溫度一般都在150 ℃以上[3]，排煙熱損失較嚴(yán)重，而煙氣中水蒸氣所攜帶的熱量占整個排煙熱損失的55%～75%。燃?xì)忮仩t排煙露點溫度約為58 ℃[4]，如果排煙溫度降到水蒸氣露點溫度以下，煙氣中水蒸氣凝結(jié)釋放潛熱，則可充分回收煙氣中的顯熱和潛熱，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益。如何選擇更適宜的冷源降低排煙溫度，提高煙氣余熱回收的利用率亟待解決。

目前，燃?xì)庥酂峄厥辗绞街饕?種：1）冷凝式換熱器吸收煙氣余熱；2）利用熱泵回收煙氣余熱技術(shù)。張群力等[5]指出，當(dāng)前集中供熱系統(tǒng)中應(yīng)用的煙氣余熱回收技術(shù)，大多采用的方式為在鍋爐尾部直接串聯(lián)煙氣余熱回收裝置。

本文以天津市某煤改氣工程為例，采暖期為120 d，供暖期室外計算溫度為-7 ℃，供熱系統(tǒng)的二次熱網(wǎng)設(shè)計供/回水溫度為75/50 ℃，實際運行的供/回水溫度為65/50 ℃。本系統(tǒng)采用在天然氣燃燒設(shè)備末端增設(shè)冷凝式換熱器，以二次網(wǎng)回水作為冷源進(jìn)行鍋爐煙氣余熱的深度回收，為寒冷地區(qū)燃?xì)忮仩t低溫?zé)煔庥酂峄厥绽眉疤岣咤仩t供熱效率提供參考。

1 工程概況

1.1 鍋爐系統(tǒng)配置

該燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)的規(guī)劃供熱面積為98萬m2，4臺燃?xì)鉄崴仩t的額定供熱能力均為14 MW。鍋爐之間采用母管制連接，可進(jìn)行閥門切換，均可保障每個供熱區(qū)域滿足66%以上的供熱負(fù)荷率，具體連接如圖1所示。

鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)為雙鍋筒縱置式強制循環(huán)型，選用全膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，上下鍋筒內(nèi)部采用隔板結(jié)構(gòu)，爐膛縱向水平布置。為確保水冷壁管內(nèi)水循環(huán)可靠運行，水流速度不低于0.6 m/s。本項目采用氧化鋯分析儀測定鍋爐的煙氣含氧量，鍋爐的具體參數(shù)詳見表1。

1.2 鍋爐房監(jiān)測系統(tǒng)測試

天津2016年發(fā)布了（DB12/151-2016）《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定新建鍋爐排放限值為80 mg/Nm3。北京市于2017年4月1日起對全市新建鍋爐執(zhí)行30 mg/Nm3的排放限值[2]。本文以北京市排放限值為標(biāo)準(zhǔn)，采用煙氣再循環(huán)（FGR）技術(shù)，執(zhí)行30 mg/Nm3的排放限值。該鍋爐房已建成智慧熱網(wǎng)實時監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集與傳輸。采集參數(shù)主要包括：鍋爐出水溫度、出水流量、出水壓力、煙氣含氧量、爐膛溫度、爐膛壓力、鼓風(fēng)機頻率、節(jié)能器進(jìn)/出口水溫等，采集裝置的參數(shù)詳見表2。

1.3 供熱系統(tǒng)介紹

圖2為供熱系統(tǒng)原理圖。從圖中可以看出，1#鍋爐主要負(fù)責(zé)教職公寓供熱，2#、3#、4#鍋爐為其他區(qū)域提供熱源。1#、2#、3#鍋爐煙氣節(jié)能器均以教職公寓二次回水作為冷源，4#鍋爐煙氣節(jié)能器以西區(qū)二次回水作為冷源。整個空氣經(jīng)鼓風(fēng)機、送風(fēng)管道輸送到燃燒器，空氣與燃?xì)庠谌紵骰旌虾髧娙藸t膛燃燒，生成的高溫?zé)煔庠谌紵页浞謸Q熱后，經(jīng)對流管束進(jìn)入煙氣節(jié)能器與低溫冷源換熱，更多地吸收煙氣中的顯熱與潛熱，以進(jìn)行煙氣余熱的深度回收，最終經(jīng)煙道從煙囪排出爐外。

2 煙氣冷凝余熱回收裝置

煙氣冷凝余熱回收裝置分為直接接觸冷凝式和間接接觸冷凝式兩種[7]。直接接觸式由熱媒和冷媒的直接接觸來進(jìn)行能量傳遞，回收余熱的燃燒產(chǎn)物部分存在未燃盡的炭黑和酸性氣體，造成出水品質(zhì)下降[8]。因此，本系統(tǒng)采用間接接觸式換熱器。

由于板翅式換熱器耐酸蝕性能好，熱傳導(dǎo)效率高，且利于拆卸和維修[9]，因此本系統(tǒng)選用的冷凝裝置為螺旋翅片管。冷凝器的蛇形管均由管徑為42 mm，壁厚為3.5 mm的ND鋼制成，底部設(shè)有放水閥，末端連接凝結(jié)水回收裝置，設(shè)備具體參數(shù)詳見表3。

由于煙氣中含有SO2、NOx等酸性物質(zhì)，冷凝水呈酸性?，F(xiàn)場水質(zhì)檢測表明，燃?xì)忮仩t煙氣冷凝液pH值約為4，呈弱酸性，易對設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，降低設(shè)備使用壽命。因此，本系統(tǒng)將冷凝液經(jīng)過加藥、除鐵等處理，以進(jìn)行鍋爐補水，重復(fù)利用。

本次測試選擇初寒期、高寒期和末寒期3種典型的運行工況進(jìn)行分析，以12月1日至12月7日、1月3日至1月9日、3月13日至3月18日的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其中，耗氣量需人工現(xiàn)場采集記錄，每日的記錄時間為9：00—17：00，采集頻率為1 次/h，每日采集8次。該運行狀態(tài)下，1#、3#鍋爐正常運行，2#、4#處于停止?fàn)顟B(tài)。1#鍋爐用于教職公寓供熱，3#鍋爐用于其他區(qū)域供熱。本文以3#鍋爐為研究對象，鍋爐運行負(fù)荷率分別為49%、78%、91%，供暖面積約為30萬m2。

3 實測分析

3.1 計算依據(jù)

3.1.1 鍋爐負(fù)荷率

鍋爐負(fù)荷率為鍋爐運行工況下燃?xì)夂牧颗c額定工況下燃?xì)夂牧康谋戎礫10]，即

[E=BB0×100]%， （1）

式中：[E]為鍋爐負(fù)荷率；[B]為實測天然氣耗量，m3/h；[B0]為額定天然氣耗量，m3/h。

3.1.2 鍋爐本體效率

依據(jù)我國供熱標(biāo)準(zhǔn)，以燃?xì)獾蜔嶂底鳛橛嬎阋罁?jù)[11]，天然氣燃燒供熱量為

[Qr=BQnet，ar]， （2）

式中：[Qr]為天然氣燃燒供熱量，kW；B為燃料消耗量，m3/h；[Qnet，ar]為燃?xì)獾臀话l(fā)熱值，kJ/Nm3干燃?xì)狻?/p>

鍋爐有效利用熱量為

[Q1=cG1（τg-τh）]， （3）

式中：[Q1]為鍋爐出水供熱量，kW；[G1]為鍋爐循環(huán)水量，t/h；[τg] 、[τh]為鍋爐一次側(cè)供、回水溫度，℃。

鍋爐本體效率為鍋爐有效利用熱量與天然氣燃燒供熱量之比[12]，即

[ηgl=Q1Qr×100]%。 （4）

3.1.3 煙氣冷凝余熱回收裝置節(jié)能率

煙氣冷凝余熱回收裝置的有效輸出熱量為

[Q2=cG2（tc-tr）]， （5）

式中：[Q2]為煙氣節(jié)能器有效輸出熱量，kW；[G2]為冷凝水量，m3/h；[tc]、[tr]分別為煙氣冷凝裝置中被加熱水的出口、入口水溫，℃。

煙氣冷凝裝置節(jié)能率為煙氣冷凝余熱回收裝置的有效輸出熱量與同時間內(nèi)天然氣供熱量的比值[13-14]

[Δη=Q2Qr×100]%。 （6）

3.1.4 鍋爐總效率

鍋爐總效率為鍋爐本體效率與煙氣冷凝余熱回收裝置節(jié)能率之和，即

[η=ηgl+Δη]。 （7）

3.2 節(jié)能分析

根據(jù)該鍋爐房的實際運行數(shù)據(jù)，分析3#鍋爐在不同運行負(fù)荷下的節(jié)能率、鍋爐效率等。其中，室外溫度由氣象站自動采集，采集頻率1次/min，本文中記錄時間為采集期間每天的9∶00—17∶00，記錄值為每小時的平均值，同一運行負(fù)荷下共56組數(shù)據(jù)，如圖3所示。圖4為不同負(fù)荷率下的一次網(wǎng)供、回水溫度統(tǒng)計情況。

測試數(shù)據(jù)表明，鍋爐的供水溫度比較穩(wěn)定。當(dāng)鍋爐的負(fù)荷率為49%時，一次側(cè)供水溫度平均約為52 ℃，一次側(cè)回水溫度為40～40.3 ℃，供回水平均溫差為12.2 ℃；當(dāng)鍋爐的負(fù)荷率為78%時，一次側(cè)供水溫度平均約為65 ℃，一次側(cè)回水溫度為45～45.6 ℃，供回水平均溫差為19.2 ℃；當(dāng)鍋爐的負(fù)荷率為91%時，一次側(cè)供水溫度平均約為70 ℃，一次側(cè)回水溫度為46.2～48.7 ℃，供回水平均溫差為23.1 ℃。一次側(cè)水流量在整個測試過程中均比較穩(wěn)定，平均值為439.56 t/h。圖5為不同負(fù)荷率下每小時耗氣量的實際采集值。

圖5a）為當(dāng)鍋爐負(fù)荷率為49%時的耗氣量實測值。由圖5a）可知，當(dāng)鍋爐負(fù)荷率為49%時，每小時平均耗氣量為689 m3。圖5b）為當(dāng)鍋爐負(fù)荷率為78%時的耗氣量實測值。由圖5b）計算得出，每小時平均耗氣量為1 091 m3。圖5c）為當(dāng)鍋爐負(fù)荷率為91%時的耗氣量實測值。由圖5c）可知，每小時平均耗氣量為1 274 m3。綜上，鍋爐負(fù)荷率與鍋爐耗氣量值呈正相關(guān)。

圖6為每小時節(jié)能器進(jìn)出口水溫、流量的實際采集值。圖6a）為在鍋爐負(fù)荷率為49%時的節(jié)能器進(jìn)出口水溫、流量的采集值。由圖6a）可以看出，經(jīng)節(jié)能器加熱的二次網(wǎng)瞬時流量變化的幅度很小，平均值為221.5 m3/h。節(jié)能器進(jìn)口水溫為40.4～40.8 ℃，經(jīng)節(jié)能器煙氣預(yù)熱后升至41.2～41.8 ℃，節(jié)能器進(jìn)出口水溫平均升高1.0 ℃。圖6b）為在鍋爐負(fù)荷率為78%時的節(jié)能器參數(shù)采集值。由圖6b）可知，該運行工況下經(jīng)節(jié)能器加熱的二次網(wǎng)回水流量的平均值為221.1 m3/h。節(jié)能器的進(jìn)口水溫為43.1～43.7 ℃，經(jīng)節(jié)能器煙氣預(yù)熱后升至46.6～47.1℃，節(jié)能器進(jìn)出口水溫平均升高3.6 ℃。圖6c）為在鍋爐負(fù)荷率為91%時的節(jié)能器進(jìn)出口水溫、流量的實際統(tǒng)計情況。由圖6c）可見，經(jīng)節(jié)能器加熱的二次網(wǎng)回水流量的平均值為242.6 m3/h。節(jié)能器進(jìn)口水溫為44.6～45.2 ℃，經(jīng)節(jié)能器煙氣預(yù)熱后升至47.3～48.8 ℃，節(jié)能器進(jìn)出口水溫平均升高3.3 ℃。綜合分析煙氣節(jié)能器前后參數(shù)變化，計算得出煙氣冷凝余熱回收裝置結(jié)果分析如表4所示。

由表4可知，當(dāng)鍋爐負(fù)荷率為49%時的節(jié)能器的進(jìn)口煙溫為96.7 ℃，經(jīng)煙氣節(jié)能器后溫度降至49.9 ℃，煙氣冷凝余熱回收裝置前后煙氣溫降平均為46.8 ℃。該運行工況下煙氣冷凝余熱回收裝置的節(jié)能率為3.9%，鍋爐總效率為95.9%。當(dāng)鍋爐負(fù)荷率為78%時的節(jié)能器的進(jìn)口煙溫為140.4 ℃，經(jīng)煙氣節(jié)能器后溫度降至52.9 ℃，煙氣冷凝余熱回收裝置前后煙氣溫降平均為87.5 ℃。該運行狀態(tài)下煙氣冷凝余熱回收裝置的節(jié)能率為8.5%，鍋爐總效率為100.5%。當(dāng)鍋爐負(fù)荷率為91%時的節(jié)能器的進(jìn)口煙溫為156.8 ℃，經(jīng)煙氣節(jié)能器后溫度降至60.6 ℃，煙氣冷凝余熱回收裝置前后煙氣溫降平均為96.2 ℃。該工況下煙氣冷凝余熱回收裝置的節(jié)能率為7.4%，鍋爐總效率為101.2%。

綜合分析，隨著鍋爐負(fù)荷率的變化，燃?xì)鉄崴仩t的本體效率基本不變（考慮測量誤差及儀器本身誤差），鍋爐負(fù)荷率與煙氣冷凝裝置的節(jié)能率無直接的線性關(guān)系。

4 結(jié)論

1）節(jié)能改造后跟蹤實測結(jié)果表明，當(dāng)鍋爐的負(fù)荷率為49%～91%時，煙氣冷凝余熱回收裝置進(jìn)口煙溫為96.7～156.8℃，排煙溫度為49.9～60.6℃，煙氣冷凝余熱回收裝置節(jié)能率為3.9%～8.5%，鍋爐系統(tǒng)的低熱值總效率為95.9%～101.2%。

2）煙氣溫度降至露點溫度以下，煙氣中SO2、NOx等可凝性污染氣體凝結(jié)，減少了污染性氣體的排放。現(xiàn)場水質(zhì)檢測表明，每小時約產(chǎn)生0.03～0.05 m水柱的冷凝水，燃?xì)忮仩t煙氣冷凝液pH值約為4，呈弱酸性。為降低鍋爐腐蝕，本系統(tǒng)末端連接有冷凝水處理裝置。

3）煙氣冷凝余熱回收裝置按節(jié)能率8.5%計，單臺額定14 MW的燃?xì)鉄崴仩t每小時平均耗氣量為1 091 m3，采暖時間按120 d計算，可節(jié)約天然氣總量為26.71萬m3。天然氣價格按天津2.26 元/Nm3計價，單臺鍋爐采暖季余熱回收的節(jié)能效益可達(dá)到60.36 萬元，經(jīng)濟(jì)效益較可觀。

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[責(zé)任編輯 田 豐]