燃氣鍋爐煙氣冷凝水回收利用的設計計算及探討

惠 荷

(西安市政設計研究院有限公司，陜西 西安 710054)

由于我國能源緊張、環保要求嚴格，伴隨著節能減排工作的進一步開展，根據《陜西省“治污降霾·保衛藍天”行動計劃》的要求，應加快淘汰燃煤鍋爐，積極發展“煤改氣”、“煤改電”集中供熱，大幅降低污染物排放，促進供熱節能減排。目前，燃氣鍋爐采用先進的燃燒裝置降低了氮氧化物排放濃度；采用成熟的煙氣余熱回收技術在提高鍋爐效率的同時析出大量的煙氣冷凝水。經過對幾個熱源廠的調研，大多數熱力公司在建設燃氣鍋爐房初期不清楚煙氣冷凝水的水量，運行階段直接將大量的冷凝水降溫后排放掉，造成大量的水資源浪費。本文通過對咸陽某熱力公司91 MW燃氣熱水鍋爐煙氣各組分的計算，得出煙氣冷凝水量及冷凝水回收再利用的技術思路。

1 冷凝水產生的原因

燃氣鍋爐在燃燒過程中煙氣水蒸氣的來源包含燃料中氫燃燒、燃料中水分蒸發和隨燃燒空氣帶入的水蒸氣三部分。

(1)燃燒產生水蒸氣。天然氣的主要可燃成分為CH4，由于含有較多的氫元素，燃燒過程會產生大量的水蒸氣。

(2)燃料中的水蒸氣。部分天然氣中含有水蒸氣，在燃燒過程中，水蒸氣通過煙氣排出鍋爐。

(3)燃燒空氣帶入的水蒸氣。空氣中含有水蒸氣，進入鍋爐的空氣量越大、空氣含濕量越大則帶入煙氣的水蒸氣含量也越大。

煙氣中的水蒸氣，只有當煙氣溫度低于煙氣露點溫度時才能冷凝為水。

2 煙氣組分計算

2.1 天然氣參數

天然氣參數表如表1所示。

表1 天然氣參數表

2.2 煙氣組分

天然氣燃燒后的產物就是煙氣，當只供給理論空氣量時，燃燒產生的CO2、SO2、N2和H2O的總量稱為理論煙氣量。為保證燃燒，過剩空氣系數一般取1.1～1.2，煙氣中除這些組分外還有過剩空氣，這時的煙氣量稱為實際煙氣量。根據表1天然氣參數，計算1 m3天然氣產生的各煙氣組分含量。

(1)理論空氣量：

(1)

式中V0——理論空氣需要量， m3/m3；VCmHn——天然氣中各種可燃組分的體積分數，%。

根據式(1)，計算可得理論空氣量為9.746 m3/m3。

(2)理論氮氣量：

(2)

根據式(2)，計算可得理論氮氣量為7.719 m3/m3。

(3)二氧化碳量：

VCO2=0.01(VCO2+∑mVCmHn)

(3)

式中VCO2——二氧化碳的體積，m3/m3。

根據式(3)，計算可得二氧化碳量為1.043 m3/m3。

(4)蒸氣體積：

(4)

根據式(4)，計算可得理論煙氣中水蒸氣量為2.103 m3/m3。

(5)理論煙氣量：

(5)

根據式(5)，計算可得理論煙氣量為10.865 m3/m3。

(6)實際氮氣量：

V〗N2=0.79αV0+0.01VN2

(6)

式中VN2——實際煙氣中氮氣的體積，m3/m3；α——過剩空氣系數，取1.2。

根據式(6)，計算可得實際氮氣量為9.259 m3/m3。

(7)實際水蒸氣體積：

(7)

式中VH2O——實際煙氣中水蒸氣的體積，m3/m3。

根據式(7)，計算可得實際煙氣中水蒸氣量為2.118 m3/m3。

(8)過剩氧氣體積：

VO2=0.21(α-1)V0

(8)

式中VO2——實際煙氣中過剩氧氣的體積，m3/m3。

根據式(8)，計算可得實際煙氣中過剩氧氣量為0.409 m3/m3。

(9)實際煙氣量：

Vy=VN2+VH2O+VCO2+VO2

(9)

式中Vy——實際煙氣量，m3/m3。

根據式(9)，計算可得實際煙氣量為12.829 m3/m3。

2.3 煙氣露點溫度

由于天然氣中不含硫，因此煙氣的露點溫度即為煙氣水露點溫度。根據天然氣燃燒后煙氣組分中水蒸氣占煙氣的份額，可求得煙氣水露點溫度。不同水蒸氣分壓力下煙氣露點溫度見表2。

表2 不同水蒸氣分壓力下煙氣露點溫度表

通過對咸陽某熱力公司91 MW燃氣熱水鍋爐煙氣各組分的計算可知，實際煙氣中水蒸氣量為2.118 m3/m3，實際煙氣量為12.829 m3/m3，煙氣中水蒸氣的體積分數為0.165，從而得出煙氣的露點溫度為55.5℃。

2.4 煙氣冷凝水量

當煙氣溫度低于露點溫度時，煙氣中水蒸氣發生冷凝，煙氣冷凝水析出。煙氣中水蒸氣的冷凝率和冷凝水量與排煙溫度的關系見表3。

表3 不同排煙溫度下煙氣冷凝率及冷凝水量表

目前咸陽某熱力公司91 MW燃氣熱水鍋爐安裝煙氣余熱回收裝置提高鍋爐效率，使排煙溫度由180℃降至30℃，鍋爐燃氣耗量為9 737 m3/h。根據分析可知，穩定運行工況下冷凝水產生量為1.364×9 737×0.001=13.28(t/h)。

3 冷凝水處理工藝流程

經過對咸陽某熱力公司煙氣冷凝水水質進行分析，從水質報告中發現，水的pH值偏低，全鐵含量及硬度偏高。為保證煙氣冷凝水能夠作為鍋爐補水進行再利用，煙氣冷凝水水質需滿足GB/T1576—2008《工業鍋爐水質》中采用鍋外水處理的熱水鍋爐的水質標準要求。

根據燃氣鍋爐煙氣冷凝水水質情況，推薦采用pH調節系統+除鐵過濾器的方案對水質的pH值及全鐵含量進行糾正，糾正后的煙氣冷凝水進入鍋爐房原有軟水器、除氧器及后續水處理設備。

pH調節系統通過向水中加入氫氧化鈉，將水的pH調節至7.0～11.0，滿足GB/T1576—2008《工業鍋爐水質》對補水pH值的要求。

除鐵過濾器的除鐵原理：水中鐵質主要為溶解性的二價鐵，含鐵的水經曝氣后，流經濾層過濾時，覆蓋在濾料表面的活性生物濾膜開始對水中的二價鐵離子進行吸附，然后在生物濾膜催化作用下被溶解氧所氧化并吸附在濾料上，氧化生成的三價鐵的氧化物作為新的濾膜參與新的催化反應，活性生物濾膜接觸氧化二價鐵是一個自動催化過程。煙氣冷凝水經新增除鐵器處理后，水質滿足GB/T1576—2008《工業鍋爐水質》對補水全鐵含量值的要求。

全自動軟水器是一種運行和再生操作過程全自動控制的離子交換軟水器，利用鈉型陽離子交換樹脂去除水中鈣鎂離子，降低原水硬度，以達到軟化硬水的目的，從而避免碳酸鹽在管道、容器、鍋爐產生結垢現象，大大節省投資成本的同時又能保證生產順利進行。煙氣冷凝水經鍋爐房原有全自動軟水器處理后，水質滿足GB/T1576—2008《工業鍋爐水質》對補水硬度值的要求。

除氧器的主要作用是除去給水中的氧氣,水中溶解了氧氣,就會使與水接觸的金屬腐蝕，會妨礙傳熱過程的進行,降低設備的傳熱效果，水中溶解有氧氣會直接威脅設備的安全運行。煙氣冷凝水經鍋爐房原有除氧器處理后，水質滿足GB/T1576—2008《工業鍋爐水質》對補水氧含量值的要求。煙氣冷凝水經過上述處理工藝流程后，完全滿足鍋爐補水水質的標準，可以作為鍋爐補水的一部分進行循環再利用。

4 節約能源

對煙氣冷凝水經過pH調節、除鐵和軟化后完全可滿足鍋爐補水的要求，91 MW熱水鍋爐的補水量為26.08 t/h(按照循環水量的2%計算)，鍋爐煙氣冷凝水量為13.28 t/h，煙氣冷凝水量可滿足鍋爐50%的補水量，減少自來水耗量達50%。pH調節、除鐵和軟化工藝主要運行成本為電耗及氫氧化鈉藥劑消耗量。

對該熱源廠進行煙氣冷凝水回水節能及經濟性分析，咸陽地區一個采暖季采暖天數為120天，采暖平均負荷率為0.75，一個采暖季可回收煙氣冷凝水量為13.28×24×0.75×120=28 684.8 (t/a)，自來水價格按照工業用水價格5.25元/t,則一個采暖季節約水費15.06萬元。根據市場調研，pH調節和除鐵工藝設備投資約30萬，一個采暖季節運行成本約3萬。在不考慮人工、設備折舊等情況下，煙氣冷凝水回收項目的投資回收期約為2.5年。按照全壽命周期運行20年計算，91MW熱水鍋爐煙氣凝結水回收利用可節約自來水57.4萬t，節約費用約263.6萬元，在未考慮提升鍋爐效率的情況下，煙氣冷凝水回收系統節水及節能效果顯著。

5 結語

熱力公司采用煙氣余熱深度回收工藝，將煙氣溫度降低到露點溫度以下，不僅能夠回收煙氣顯熱，同時還能回收煙氣中水蒸氣的潛熱，大幅提高鍋爐效率，降低能耗。與此同時會產生大量煙氣冷凝水，通過對91 MW燃氣鍋爐煙氣冷凝水量計算，這部分冷凝水量可滿足鍋爐50%的補水量，如果不加以利用，是對水資源的大量浪費。