燃氣鍋爐余熱回收節能技術及應用實例

曾輝，張芮，安龍，武曉燕

（1.天津環科環境咨詢有限公司，天津300191；2.中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津300191）

天然氣作為一種清潔能源，其主要成分是甲烷，具有熱值高、燃燒充分、排污小的特點。我國西北地區儲藏大量的天然氣，但由于開發條件有限，并未大規模開發利用。隨著“西氣東輸”工程進一步發展，以及東部對天然氣的需求進一步提高，天然氣將得到廣泛使用。

為貫徹落實《大氣污染防治行動計劃》（國發［2013］37號）、《京津冀及周邊地區落實大氣污染防治行動計劃實施細則》，結合天津市的實際情況，天津市委、市政府制定了“美麗天津·一號工程”計劃，即“四清一綠”：清新空氣、清水河道、清潔村莊、清潔社會、綠化美好行動。其中清新空氣行動中開展包括揚塵污染、削減燃煤總量、控制機動車污染等，而煤改燃工程是重中之重。

燃氣鍋爐使用天然氣作為能源，可以減少環境污染，但是燃氣鍋爐的燃燒效率仍存在著可以提高的空間，尤其是以余熱回收利用的研究，將進一步提高燃氣鍋爐的熱效率。

1 燃氣鍋爐余熱回收的主要原理

通過對燃氣鍋爐的能量傳遞分析可知，當天然氣燃燒后，將其本身的化學能轉化為熱能，進一步轉化為鍋爐載體的熱值、鍋爐本體揮發的熱值、天然氣不完全燃燒帶走的熱值以及燃燒后煙氣帶走的熱量。因此，若要提高燃氣鍋爐的效率，就必須減少鍋爐本體揮發的熱量、不完全燃燒帶走的熱量以及煙氣帶走的熱量。

天然氣燃燒過程中，甲烷與空氣中的氧氣發生反應，燃燒后會產生大量的水蒸氣，水蒸氣中蘊含大量的熱值，通常可占到燃氣熱值的10%[1]。根據經驗，通入的空氣量一般為過量空氣，過量系數可以取1.1左右，而目前通過檢測可知，大部分的燃氣鍋爐的排煙溫度在150~200℃，因此隨著煙氣的排出，水蒸氣揮發過程中會帶走大量潛藏的熱能。

工業中常用鍋爐煙氣余熱回收途徑一般采用以下兩種方法：第一種是用來預熱工件，這種方法余熱利用率低，工件加溫慢；第二種是對空氣進行預熱助燃，預熱空氣助燃是一種較常用也較實際的方法，一般配置在加熱爐尾部上，也可強化燃燒，加快爐子的升溫速度，提高爐子熱工性能。這種燃燒方式既能滿足生產工藝要求，也可獲得顯著的綜合節能效果[2]。

2 冷凝式鍋爐對煙氣回收利用的改造

冷凝式鍋爐是將煙氣中的水蒸氣冷凝成水，回收其汽化潛熱用于鍋爐，使熱效率達到或超過100%的鍋爐。加設冷凝式換熱器可以實現對傳統鍋爐的升級，使其變為冷凝式鍋爐。可以說，將傳統鍋爐改造為冷凝式鍋爐是實現鍋爐熱效率大幅提高，實現資源高效利用的最佳途徑。在鍋爐排煙熱損失中，水蒸氣所攜帶的熱損失占排煙熱損失的55%～75%[3]。如果將排煙溫度降到煙氣冷凝溫度以下，通過回收利用水蒸氣潛熱，可以很有效地降低排煙熱損失，提高鍋爐熱效率。冷凝式鍋爐排煙溫度可降至40～50℃以下，可以冷凝煙氣中部分水蒸氣，回收水蒸氣的汽化潛熱，同時回收一定的水，還可以除去煙氣中的有害物質。熱效率隨著水蒸氣的冷凝量的增加而增大。

冷凝式鍋爐回收的熱能包括高溫煙氣的顯熱和水蒸氣的汽化潛熱。回收的顯熱隨著煙氣溫度的降低變化不是很大；而回收的水蒸氣的汽化潛熱則隨著溫度降低有很大的變化，當排煙溫度較高時，回收的潛熱很少，隨著排煙溫度的降低，回收的潛熱迅速增大，隨后又趨于穩定，從冷凝的角度來講，煙氣冷凝的難度隨煙氣溫度的降低而越來越大[4]。

3 實際應用情況

天津濱海旅游熱電發展有限公司投資1 000萬元，在海博道以南、安正路以東王公路北側建設南部2#燃氣鍋爐供熱站工程，該工程安裝2臺7 MW燃氣熱水鍋爐及相關的附屬配套設施。項目建設完成后，年供熱天數150 d，年總產熱量145 935.05 GJ。供熱面積為26.2萬m2，供熱范圍為濱海新區旅游區南部的碧桂園小區、白領公寓、東方文化廣場、海魔方4個用熱戶。

根據設計，該工程的運行參數見表1。

表1 鍋爐運行參數

供熱總建筑面積26.2萬m2。依據《天津濱海旅游區供熱專項規劃（2012—2020年）》，民用采暖熱指標確定為38 W/m2，公用建筑熱指標確定為55 W/m2。表2為供熱范圍26.2萬m2建筑熱負荷估算表。

表2 供熱范圍26.2萬m2建筑熱負荷估算表

由表2可看出，當規劃居住建筑和公建規劃建筑面積26.2萬m2，熱負荷11.214 MW。供熱系統運輸熱損失率按92%計，供熱工程的供熱能力不能低于12.18 MW。因此兩臺2×7 MW的供熱鍋爐可滿足要求。

根據《天津濱海旅游區管理委員會文件》（津濱旅發［2013］18號）中“關于天津濱海旅游區供熱管理辦法第五十六條”可知，濱海旅游區供熱時間為“每年11月1日—次年3月31號”。

依據天津市氣象資料，采用無因次綜合公式法繪制供暖年熱負荷延續曲線。

采暖年熱負荷延續曲線計算公式為：

t0=t0' N≤5

t0=t0'+（5－t0'）Rh×b 5＜N≤N'

Q=Q' N≤5

Q=（1－β0×Rh×b）Q' 5＜N≤N'

式中：t0—某室外溫度，℃；

t0'—采暖室外計算溫度，℃；

tav—采暖期室外平均溫度，℃；

ti—室內采暖計算溫度，℃；

Q'—采暖設計熱負荷，GJ/h；

Q —某一室外溫度下的采暖熱負荷，GJ/h；

Rt—無因次室外溫度系數；

Rh—無因次延續天（小時）數系數；

b—Rh的指數值；

N'—采暖期天數，d；

N—延續天數，d；

βO—溫度修正系數；

μ—延續天（小時）修正系數；

τ'—采暖小時數，h；

τ—延續小時數，h；

采暖室外計算溫度t0'=-6.8℃，采暖期室外平均溫度tav=-0.47℃。

室內采暖計算溫度ti=18℃，采暖期天數N'=150 d（3 600 h）。

全年采暖熱負荷統計見表3。

表3 全年采暖熱負荷表

本工程采暖室外計算溫度為-6.8℃，起始采暖室外平均溫度5℃，室內計算溫度為18℃。采暖天數為150 d，采暖小時數為3 600 h。年最大負荷利用小時數為2 629 h。年采暖供熱量為13.03萬GJ（含管網損失熱量）。

天然氣的熱值按照35.544 MJ/Nm3計，則消耗天然氣366.64萬Nm3。

采用的鍋爐的額定效率92%考慮，則天然氣最終消耗量為398.52萬Nm3。

公司通過采用節能器冷凝鍋爐技術、煙氣余熱深度回收技術等措施，將鍋爐的熱效率提高至94%，滿足《工業鍋爐能效限定值及能效等級》GB24500—2009中規定的一級能效，則消耗天然氣390.04萬Nm3。

綜上，可知安裝前后節氣量可達8.48萬Nm3。

4 燃氣鍋爐節能措施

燃氣鍋爐除了從煙氣回收利用角度可以提高鍋爐熱效率外，仍有其他的節能措施可以采取，為整個鍋爐房的能源效率提高打下基礎。

（1）熱補償方式：直埋管道熱補償[5]盡量采用自然補償，在三通、分支和彎頭等應力集中處若不能滿足應力條件時選用補償器，補償器采用直埋型軸向波紋管補償器，要求波紋管補償器具有雙向補償及自穩定能力和可靠的抗失穩結構。補償器許用疲勞壽命不低于1 000次。

（2）采用專用的燃燒器，特點是燃氣與空氣在渦旋型的蝸殼腔內已充分混合，可使燃料都在受控制的比率下與空氣完全混合。噴出后形成一個較大的擴散角，形成一個心形類的火焰圖形。心形火焰中心[6]內部就是一個回流區，將鍋爐內的高溫煙氣重新壓折回燃料混合物出口，加速點火和燃燒程序，這樣火焰不會很長，爐膛的設計比較自由，可以完全適應火焰的形狀，充滿度好，從而使得爐膛內部溫度很高，火焰較為集中，所有的火焰都聚在爐膛內，使充入爐膛內的燃料全部燃盡，火焰緊湊，內部平均溫度高。

（3）根據熱力網循環水供水流量與溫度、回水流量與溫度、補水量，以及鍋爐房進水的流量、爐溫、壓力、氧量等儀表檢測信號，實現鼓引風機的無極變頻調速，從而實現燃燒系統的自動調節。

（4）依據現行《天津市民用建筑能耗監測系統設計標準》DB29—216—2013中的規定，設定能源供應站的能源監測系統。

5 結語

隨著天津產業結構調整和能源供應模式變化，燃氣鍋爐將具有廣闊的前景。為節約資源與能源，在大力推廣、發展和改造燃氣鍋爐的同時，要注意在選用高效率的燃氣鍋爐的同時，將煙氣余熱回收利用作為節能的重點進行考慮，并對整個鍋爐的運行采取相應的節能措施。

[1]王瑞娟.燃氣鍋爐余熱回收理論及其應用分析[J].資源節約與環保，2014(6):17.

[2]向琴琴，李煜照.綠色工業建筑設計思路探索[J].工業建筑，2011(41):68-72.

[3]王建國，宋玉梅.燃氣供熱鍋爐房節能措施分析[J].北京.區域供熱，2008(1):41-42.

[4]陳蓉，徐長虹，李軍.冷凝鍋爐熱效率分析[J].山東機械，2005(4):52-54.

[5]白靈.直埋熱力管道的熱補償和方形補償器[J].中州煤炭，1998(6):18-19.

[6]劉復田.對克雷登鍋爐安全與節能的分析[J].中國鍋爐壓力容器安全，2004(4):3-7.