天津某燃氣鍋爐煙氣余熱深度利用方案

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境中，起到良好的經濟效益、環保效益、社會效益。

關鍵詞：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，起到良好的經濟效益、環保效益、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，技術方案簡要描述為：燃氣鍋爐煙氣在煙氣余熱回收設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。煙氣余熱回收設備以天然氣為驅動熱源，提取燃氣鍋爐煙氣熱量，用于區域集中供熱。

經過現場調研及計算分析，每臺鍋爐可配套建設余熱回收量為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相繼出現大規模霧霾天氣，2013年9月17日環保部、發展改革委等六部門聯合印發《京津冀及周邊地區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、重點任務兩部分。主要目標是：經5年努力，京津冀及周邊地區空氣質量明顯好轉，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年基礎上下降25%左右，山西省、山東省下降20%，內蒙古自治區下降10%。其中，北京市細顆粒物年均濃度控制在60μg/m?左右。

鍋爐房清潔節能改造項目是在煤改氣項目基礎上進行的，能夠在節能與環保兩方面做出貢獻。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，可大幅減少NOX的排放量。

4 項目現狀

本項目鍋爐房共安裝4臺鍋爐，設計最大供熱負荷為232MW，根據年負荷延續時間曲線，一個供暖季鍋爐房設計年總共熱量為191萬GJ，供暖期內平均供暖熱負荷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℃，熱網水流量按830t/h進行計算。因此，其系統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，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%。常規的煙氣余熱回收技術是利用煙氣與熱網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的回水溫度和空氣的進口溫度。通常熱網的回水溫度不會低于 40℃，導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境中，回收的熱量通過吸收式熱泵供出，用于加熱熱網回水。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；產生的煙氣冷凝水可以回收，具有節水效果。

在燃氣鍋爐房內增加一套采用天然氣驅動的煙氣余熱回收設備以及相應的煙道，用以回收鍋爐煙氣余熱加熱熱網水。

煙氣余熱回收設備主要設備如下：

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器的循環水在此直接接觸，進行熱質交換。煙氣被降溫，所含大量水蒸氣冷凝，循環水升溫，同時對煙氣進行除濕脫硝，凈化煙氣。

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

循環水泵：設置在循環水管路中，驅動循環水的流動。

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器的循環水在循環水泵的推動下，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。煙氣逆著水噴灑的方向和循環水直接接觸換熱，降溫除濕到30℃后接入主煙道，通過煙囪排到大氣中。噴灑的循環水被加熱后匯集到換熱器下方的水池中，被循環水泵抽送回直燃熱泵的蒸發器中。

在直燃型吸收式熱泵中，燃氣管道中的燃氣輸入到其發生器，燃燒驅動機組的運行，煙氣通過煙道和燃氣鍋爐的煙氣混合。被加熱的循環水進入直燃熱泵的蒸發器中，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回收余熱。熱網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節閥，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，通過調節閥門，使鍋爐給水首先經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，關閉進入機組的鍋爐給水閥門，通過調節閥門，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。煙氣余熱回收設備天然氣驅動耗量為930Nm3/h。煙氣降溫過程可產生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 環保效益

對煙氣余熱回收方案進行環保分析，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，方案的環保性比較，經計算：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，具有較好的環保效益。

9 結語

對常規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能的，經濟效益、環保效益明顯。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]燃氣熱泵空調系統工程技術規程[S].（CJJ/T 216-2014）.