嚴寒地區大型燃氣鍋爐排煙加熱空氣方式的優化與應用

肖慧鵬王隨林穆連波翟慧星程冬冬馬兆康

吳亞東2壽德2張 偉3陳玉平4張彤4王守金5

（1北京建筑大學環境與能源工程學院 北京 100044；2烏魯木齊市供熱行業管理辦公室 烏魯木齊 830000；3新疆維泰熱力股份有限公司 烏魯木齊 830000；4新疆騎馬山熱力有限公司 烏魯木齊 830000；5北京華遠意通熱力科技股份有限公司 北京 100160）

嚴寒地區大型燃氣鍋爐排煙加熱空氣方式的優化與應用

肖慧鵬1王隨林1穆連波1翟慧星1程冬冬1馬兆康1

吳亞東2壽德2張 偉3陳玉平4張彤4王守金5

（1北京建筑大學環境與能源工程學院 北京 100044；2烏魯木齊市供熱行業管理辦公室 烏魯木齊 830000；3新疆維泰熱力股份有限公司 烏魯木齊 830000；4新疆騎馬山熱力有限公司 烏魯木齊 830000；5北京華遠意通熱力科技股份有限公司 北京 100160）

由于嚴寒地區冬季室外空氣的溫度低，助燃的空氣進入鍋爐會產生爆燃和震動、燃燒效率降低。同時大型供熱系統回水溫度高，燃氣鍋爐排煙溫度較高，排煙余熱深度利用中，煙溫降低程度受到回水溫度條件限制。本文提出了新的煙氣加熱空氣方式，與常規煙氣加熱空氣方式相比，減少了設備耗材、體積及阻力，應用于大型燃氣供熱鍋爐煙氣余熱深度梯級利用的節能改造。工程實測表明：煙氣余熱回收和助燃空氣加熱系統，可將煙氣溫度降到鍋爐回水溫度及以下，鍋爐燃氣利用熱效率提高了13.2%，煙氣余熱回收率為66.7%，實現了排煙余熱深度利用，并解決了助燃空氣進入鍋爐產生爆燃和震動的問題，為嚴寒地區燃氣鍋爐煙氣余熱深度利用與助燃空氣加熱提供了參考。

嚴寒地區；大型燃氣鍋爐；排煙余熱利用；空氣加熱；工程實測

我國嚴寒地區和寒冷地區室外溫度低，如烏魯木齊市的供暖室外計算溫度為－19.7℃，供暖季平均溫度為 －7.1℃，累年最冷月平均溫度為 －12.7℃［1］，累年最冷日平均溫度為－29.3℃［2］；哈爾濱市的供暖室外計算溫度為－24.2℃，供暖季平均溫度為－9.4℃，累年最冷月平均溫度為－18.4℃，累年最冷日平均溫度為－32.0℃。在這些地區，由于室外空氣溫度低，作為助燃空氣進入鍋爐易產生爆燃和振動，使得鍋爐燃燒效率降低，對空氣進行加熱是減少鍋爐振動和噪聲、提高燃燒效率的重要途徑。常規空氣加熱設備采用煙氣加熱空氣，由于空氣和煙氣均為氣體，與液體相比，對流換熱系數低，換熱設備傳熱系數小［3］，需要的換熱面積大，體積大，耗材多，設備阻力大［4］，煙氣冷凝水還會對設備造成腐蝕［5－8］。

本文提出的基于空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式，與常規空氣-煙氣換熱的空氣加熱方式相比，大幅度減小體積和耗材，降低了空氣和煙氣阻力，同時可將排煙溫度降到回水溫度以下，深度回收煙氣顯熱和水蒸氣冷凝潛熱［9－16］，實現煙氣余熱深度利用。將該空氣加熱方式應用于烏魯木齊市某70 MW大型燃氣供熱鍋爐排煙余熱深度利用節能改造工程，進行跟蹤檢測與數據分析后發現：在空間小、投資低的條件下，顯著改善了助燃空氣進入鍋爐產生爆燃、振動及燃燒效率降低的現象，同時實現排煙余熱深度利用，提高鍋爐系統效率，為嚴寒地區燃氣鍋爐煙氣余熱深度利用與助燃空氣加熱系統優化提供參考。

圖1 空氣?水?煙氣換熱的空氣加熱方式用于排煙余熱深度利用系統原理圖Fig.1 The principle diagram of the gas boiler smoke waste heat deep utilization system based on the air?water?flue gas pattern to heat the air

1 空氣加熱方式分析

1.1 空氣?水?煙氣換熱的空氣加熱方式

結合空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式的燃氣供熱鍋爐排煙余熱深度利用系統原理見圖1。

由圖1可知，煙氣用于加熱一次網回水和二次網回水，鍋爐助燃空氣的加熱方式，采用空氣-水-煙氣換熱的方式，即由空氣-水間壁式換熱設備和煙氣-水間壁式換熱設備組成。一次網回水在空氣預熱器中加熱助燃空氣后，再進入煙氣冷凝熱能回收裝置吸收煙氣余熱，當溫度先回升到一次網回水溫度ts1后，進一步被煙氣加熱升溫，最后進入鍋爐；鍋爐出口煙氣加熱一次網回水后溫度降到ty2，進一步加熱二次網回水，煙溫最終降到ty3。

1.2 空氣?水?煙氣換熱與空氣?煙氣換熱的空氣加熱方式比較

常規空氣加熱方式為空氣與煙氣通過間壁式換熱設備進行熱量交換，為提高單位體積換熱能力，通常采用板式換熱方式，如圖2所示。

空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式（如圖3所示），即由空氣-水間壁式換熱設備和煙氣-水間壁式換熱設備組成，可通過在氣側加肋的方式強化傳熱［3，17－18］，大幅度減小設備體積和耗材，并通過優化降低阻力，便于在空間小、投資低的條件下實施。

圖2 空氣?煙氣換熱原理示意圖Fig.2 The schematic diagram of heat transfer of air and flue gas

圖3 空氣（或煙氣）?水換熱示意圖Fig.3 The schematic diagram of heat transfer of air or flue gas?water

以某70 MW大型燃氣供熱鍋爐煙氣余熱深度利用節能改造為例，設計條件為：鍋爐回水溫度53℃，在煙氣加熱空氣系統中，在供暖季室外空氣平均溫度－7.1℃條件下，空氣被加熱到30℃，煙氣溫度從55.3℃降到53℃，空氣與煙氣總阻力為200 Pa。對其分別采用空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式與空氣-煙氣換熱的空氣加熱方式，且空氣-水-煙氣換熱設備采用自主研發的防腐高效低阻換熱設備，進行設備選型，比較結果見表1。

由表1可知，在相同換熱量及設計參數下，空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式采用自主研發的防腐高效低阻換熱設備，其設備的換熱面積與空氣-煙氣換熱的空氣加熱方式相當。空氣-煙氣換熱的空氣加熱方式的設備體積為空氣-水-煙氣換熱設備體積的6.8倍，其設備凈質量是空氣-水-煙氣換熱設備的2.8倍。原因是氣-氣換熱雖然傳熱溫差較大，但兩側流體均為氣體，傳熱系數小，空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式傳熱系數較大，且可通過氣側加肋的方式強化傳熱，大幅度減小設備體積和耗材。因此，氣-氣換熱設備耗材多、體積大，若減小體積，則會造成設備煙風阻力大，影響鍋爐等設備的正常運行。

表1 兩種煙氣加熱空氣方式設備選型比較Tab.1 The equipment selection of two types of flue gas heating the air

2 燃氣供熱鍋爐煙氣余熱深度利用節能改造工程實測

2.1 工程概況

烏魯木齊市某70 MW燃氣熱水鍋爐，一次網回水溫度為51.8～52.5℃，二次網回水溫度為32.6～32.7℃。在安裝空間及項目投資均有限的條件下，采用自主研發的防腐高效低阻煙氣冷凝熱能回收裝置和空氣-水換熱設備，對鍋爐進行排煙余熱深度利用與助燃空氣加熱節能改造，加熱空氣采用空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式，原理如圖1所示。

2.2 測試原理及數據整理依據

1）節能率Δη

燃氣鍋爐排煙余熱利用提高的燃氣利用熱效率，即節能率Δη，為回收煙氣熱量與燃氣鍋爐燃氣燃燒放熱量之比：

式中：Q1為回收煙氣熱量，kW；Qr為燃氣鍋爐燃氣燃燒放熱量，kW。

2）排煙余熱回收率Δη′

Δ η′為回收煙氣熱量與鍋爐出口煙氣攜帶的總余熱量之比：

式中：Qy為鍋爐出口煙氣攜帶的總余熱量，kW，即煙氣從鍋爐出口溫度降到標準狀態（0℃，101.325 kPa）放出的總熱量。

2.3 主要測試參數及儀器設備

主要測試參數及儀器設備見表2。

表2 主要測試參數及儀器設備Tab.2 Main test parameters and instruments

圖4 空氣?水?煙氣換熱過程中空氣和煙氣及水溫變化Fig.4 The temperature change of the air，flue gas and water in the process of heating in the pattern of air?water?flue gas

3 檢測及計算結果與分析

檢測時間為2015／2016年供暖季，鍋爐負荷率為53.6% ～75.1%，過剩空氣系數為1.3～1.4。

3.1 空氣?水?煙氣加熱過程中溫度的變化

采用空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式的換熱過程中空氣、煙氣及水溫變化見圖4（a）和（b）。由圖4可知，換熱過程中，一次網回水溫度為51.8～ 52.5℃，煙氣溫度由53.3～62.7℃降至51.1～52.7℃，煙氣溫度降到回水溫度及以下。并將7.8～8.9℃的助燃空氣加熱至42.4～43.4℃。

3.2 空氣?水?煙氣加熱過程中空氣吸熱量／煙氣放熱量

采用空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式的換熱過程中，空氣吸熱量／煙氣放熱量見圖5。

圖5 空氣吸熱量／煙氣放熱量Fig.5 The variation of the heat transferred from the gas to the air with time

由圖5可知，換熱過程中，助燃空氣溫度被加熱為42.4～43.4℃，避免嚴寒地區助燃空氣進入鍋爐產生爆燃和振動及噪聲，此過程空氣吸熱量或煙氣放熱量為647～903 kW。

圖6 煙氣加熱一次網回水系統檢測結果Fig.6 The testing results of primary network backwater system of flue gas heating

3.4 燃氣供熱鍋爐煙氣余熱深度利用節能改造工程效果

在燃氣供熱鍋爐排煙余熱深度利用節能改造工程中，煙氣加熱一次網回水，進而加熱二次網回水。

3.4.1 煙氣加熱一次網回水系統檢測結果

在煙氣加熱一次網回水系統中，結合了空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式，將煙氣溫度進一步降低，深度回收煙氣顯熱和水蒸氣冷凝潛熱。檢測結果見圖6。

由圖6可知，當回水溫度51.8～52.5℃時，空氣冷卻后回水溫度降至50.4～50.7℃，使鍋爐排煙溫度由124.6～157.8℃降至51.1～52.7℃，將排煙溫度降到回水溫度及以下，在空間小、投資低的條件下，實現了排煙余熱深度利用。

3.4.2 燃氣供熱鍋爐排煙余熱深度利用節能改造工程檢測結果

在燃氣供熱鍋爐排煙余熱深度利用節能改造工程中，煙氣加熱一次網回水后，繼而加熱二次網回水，實現余熱梯級利用，最終檢測結果的平均值，見表3。

表3 燃氣供熱鍋爐排煙余熱深度利用節能改造工程檢測結果Tab.3 The testing results of energy saving reconstruction project for gas heating boiler flue gas waste heat deep utilization

由表3可知，鍋爐平均出口煙溫從146℃降至平均排煙溫度37.5℃，其中回收的煙氣顯熱和冷凝水潛熱基本相當，總節能率 13.2%，總余熱回收率66.7%，實現了排煙余熱深度回收利用。

4 結論

本文提出了空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式，并對采用該空氣加熱方式的大型燃氣供熱鍋爐煙氣余熱深度利用節能改造系統的部分及整體進行跟蹤實測，得到的結論如下：

1）空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式與常規空氣-煙氣換熱的空氣加熱方式相比，可大幅度減小設備體積和耗材，并可通過結構優化降低煙氣和空氣側阻力，在相同換熱量及設計參數下，空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式采用自主研發的防腐高效低阻換熱設備，兩種空氣加熱方式的換熱面積相當，空氣-煙氣換熱的空氣加熱方式設備體積為空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式的6.8倍，設備質量是空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式的2.8倍，便于在空間小、投資低的條件下應用。

2）空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式采用自主研發的防腐高效低阻換熱設備的工程實測表明，在被加熱介質（一次網回水）溫度51.8～52.5℃條件下，將煙氣溫度降至51.1～52.7℃，即降到了一次網回水溫度及以下，助燃空氣溫度被加熱至42.4～43.4℃，避免了助燃空氣進入鍋爐產生爆燃、振動及噪聲。

3）結合空氣-水-煙氣換熱的空氣加熱方式的燃氣供熱鍋爐煙氣冷凝余熱深度利用節能改造工程應用表明，在一次網回水溫度51.8～52.5℃和二次網回水溫度32.6～32.7℃條件下，鍋爐煙氣溫度由124.6～157.8℃降至37.0～38.0℃，提高鍋爐燃氣利用熱效率，總節能率為13.2%，總余熱回收率為66.7%，實現了排煙余熱深度梯級利用。

本文受北京市教委創新能力提升計劃（PXM2016＿014210＿000016）項目和北京學者計劃項目資助。（The project was supported by the Innovation Ability Promoting Project of Municipal Education Commission in Beijing（ No.PXM2016＿014210＿000016）and the Program of Beijing Scholar’s Plan）.）

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Optimization of Air Heating in Large Gas?fired Boiler by Flue
Gas Waste Heat in Cold Areas

Xiao Huipeng1Wang Suilin1Mu Lianbo1Zhai Huixing1Cheng Dongdong1Ma Zhaokang1Wu Yadong2Shou De2Zhang Wei3Chen Yuping4Zhang Tong4Wang Shoujin5
（1.School of Environment and Energy Engineering，Bejing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing，100044，China；2.The Management Office of Urumqi’s Heating Industry，Urumchi，830000，China；3.Xinjiang Weitai Heating Institute，Urumchi，830000，China；4.Xinjiang Qimashan Heating Institute，Urumchi，830000，China；5.Beijing Huayuanyitong Thermal Technology Institute，Beijing，100160，China）

Because the outdoor air temperature in cold regions is severely low in winter，the combustion-supporting air will cause deflagration and vibration while directly supplied to the boiler and the combustion efficiency is also decreased.At the same time，the temperature of the return water in a large heating system，and the exhaust gas from the gas boiler，are both high.Thus，the exhaust gas could not be cooled down to a relatively low temperature by the return water during the waste heat utilization process.This paper presents a new way to heat the air by using flue gas waste heat，which is smaller，requires less space，and has less resistance compared with conventional heat exchange equipment.The proposed method can be applied to the flue gas waste heat deep-utilization of a large gas heating boiler.Field test results show that the flue gas waste heat deep-utilization and the combustion-supporting air heating system can cool the flue gas temperature near to or even lower than the return water temperature of heating network.The utilization efficiency of gas combustion is increased by 13.2%，and the recovery rate of the flue gas waste heat is 66.7%.Then，flue gas waste heat deep recovery is realized，and the problem in which the combustion-supporting air causes deflagration and vibration while directly supplied to the boiler is solved.The paper provides a reference for flue gas waste heat deep-utilization in cold regions，and for combustion-supporting air heating system optimization.

cold regions；large gas-fired boiler；flue gas waste heat recovery；air heating；engineering test

TK115；TK229.8

：A

0253－4339（2017）03－0101－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.101

王隨林，女，教授，北京建筑大學環境與能源工程學院，13911602617，E-mail：suilinwang＠bucea.edu.cn。研究方向：供熱節能和熱能高效利用。

國家“十三五”重點研發計劃項目（2016YFB0601100）資助。（The project was supported by State’s Key Project of Research and development Plan in 13th Five-Year（No.2016YFB0601100）.）

2016年11月16日

About the corresponding author

Wang Suilin，female，professor，School of Environment and Energy Engineering，Bejing University of Civil Engineering and Architecture，＋86 13911602617，E-mail：suilinwang＠ bucea.edu.cn. Research fields：heating saving and heat energy utilization efficiently.