基于燃?xì)忮仩t的煙氣冷凝余熱深度回收技術(shù)方案與節(jié)能潛力分析

黨杰

摘要：隨著全球環(huán)境污染的日益加劇，我國政府及民間各主體開始采取多種手段用以改善周邊環(huán)境。文章針對大型燃?xì)忮仩t的煙氣冷凝余熱深度回收技術(shù)和節(jié)能潛力進(jìn)行了分析并給出了煙氣冷凝余熱深度回收的技術(shù)方案。文章首先對我國當(dāng)前能源利用情況以及冷凝式燃?xì)忮仩t的分類及形式進(jìn)行了綜述，其次對冷凝式燃?xì)忮仩t的工作原理和特點進(jìn)行了技術(shù)性分析;最后以我國北方某既有大型燃?xì)忮仩t改造為例，對不同燃?xì)忮仩t煙氣冷凝余熱深度回收技術(shù)方案進(jìn)行了總結(jié)。最終研究結(jié)果表明：對于該大型燃?xì)忮仩t而言，當(dāng)排煙溫度由175C下降至45C左右時，該大型燃?xì)忮仩t能夠有效實現(xiàn)最高14%的節(jié)能效率;對于單臺鍋爐（70MW）而言，當(dāng)排煙溫度下降至45C左右時，能夠有效回收煙氣冷凝水75～155t/d，除水率最高可達(dá)65%，能夠有效降低煙氣排放量10%以上。

關(guān)鍵詞：燃?xì)忮仩t;煙氣冷凝;余熱深度回收;節(jié)能潛力

中圖分類號：X706;TU996

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0158-04

0引言

隨著全球自然環(huán)境的持續(xù)惡化，我國政府相繼出臺了一系列措施用以改善我國各地區(qū)的自然環(huán)境。自2015年開始，我國陸續(xù)開展了針對大型工業(yè)煤爐、民用燃煤取暖設(shè)備等的“煤改氣”計劃"。隨著該計劃的實施，近年來我國的大氣環(huán)境質(zhì)量得到了顯著改善。然而，在“煤改氣”的過程中也相繼出現(xiàn)了一些問題，其中最為顯著同時也是對百姓生活、企業(yè)經(jīng)營影響最大的問題，在于我國天然氣的儲量問題。截至2017年底，我國已探明的天然氣儲量為5.50萬億m'，約占全球總探明儲量的2.80%。出量少、價格高、對外依存度高已經(jīng)成為我國通過“煤改氣”改善自然環(huán)境計劃中的最大難題。

1概述

1.1我國的天然氣消費

現(xiàn)今世界上以煤炭作為主要能源的國家已經(jīng)不多了，我國就是其中一個，在我國煤炭消費遠(yuǎn)高于世界平均水平，占總能源消費量的75%左右。煤炭是工業(yè)革命之后開始被廣泛使用的，它是遠(yuǎn)古植物遺骸埋在地下經(jīng)歷了復(fù)雜的反應(yīng)產(chǎn)生的碳化化石礦物，在我國煤炭的價格相對于石油和天然氣來說比較便宜，而且存儲量大，被廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活中。但是，煤炭的大量應(yīng)用會造成環(huán)境污染，煤炭燃燒會產(chǎn)生大量的二氧化硫、氮氧化物等污染物。在我國85%以上的SO，和接近80%的煙塵是由煤炭燃燒導(dǎo)致的，在世界城市污染排名中，前十的排名里我國占有四個城市，這些污染氣體給生態(tài)環(huán)境帶來了損害，同時也帶來了環(huán)境壓力。

2018年我國一次能源消費構(gòu)成如圖1所示用。從圖中我們可以看出，較為清潔的化石能源中石油和天然氣消費占比小，而煤炭占比比較大（污染環(huán)境），因此可以看出我國能源結(jié)構(gòu)不合理。

我們從國內(nèi)一些城市治理大氣污染的結(jié)果看出，優(yōu)化一次性能源的消費結(jié)構(gòu)是改善大氣污染的根本途徑。優(yōu)化一次性能源消費結(jié)構(gòu)是改善大氣污染的基礎(chǔ)，天然氣燃燒后基本不會排放煙塵和SO2，Nox的排放量比燃煤和燃油低很多，CO，的排放量也比燃煤和燃油低很多，而且，天然氣的節(jié)能效果在生產(chǎn)、生活中的較為明顯。

1.2冷凝式鍋爐的形式和分類

根據(jù)冷凝式鍋爐的特點，我們將其按如圖2方法分類。

2冷凝式鍋爐的工作原理和特點

冷凝式鍋爐和傳統(tǒng)鍋爐相比，其可以將排煙溫度降低至煙氣露點之下，這是冷凝式換熱器的作用。傳統(tǒng)鍋爐不能回收水蒸氣中的潛熱，它煙氣中水蒸氣的露點溫度比煙氣出口溫度低用于防止低溫腐蝕。傳統(tǒng)鍋爐尾部受熱不均勻，排煙熱損大，煙氣中水蒸氣不會發(fā)生冷凝，潛熱也無法利用，而且煙氣中的顯熱不能回收。但是冷凝式鍋爐的設(shè)計恰恰可以彌補這些不足，還可以溶解CO2、NOx，進(jìn)而可以減少CO，和NO，的排放，還能起到保護(hù)環(huán)境的作用。冷凝式鍋爐具有如下特點.

2.1冷凝式換熱器材質(zhì)多變

將燃油、燃?xì)忮仩t增加冷凝式化熱器是對傳統(tǒng)鍋爐進(jìn)行余熱回收改造的基礎(chǔ)。而換熱器一般成本比較高，那些燃燒重油和渣油的鍋爐，會排放出大量的NO，和CO2，在冷凝式化熱器的作用下，會產(chǎn)生酸性溶液，進(jìn)而會產(chǎn)生腐蝕，所以對冷凝式化熱器的材質(zhì)要求比較高，因此材料價格和制造成本比較高。

防腐材料一般常用FERRITIC?stainless?steel、Austenitic?stainless?steel、AUSTENITIC-FERRITIC?DUPLEX?STAINLESS?STEEL、Monel等。對冷凝液抗腐蝕性較好的還有鋁和鋁合金材料，但其使用效果不是很理想，會在使用中產(chǎn)生難溶液和銹痕，基于這種情況，銅就可以互補，所以銅和銅合金的應(yīng)用就比較廣泛，雖然銅的耐腐蝕性比鋁差，但是銅不易產(chǎn)生銹痕和難溶液。因為塑料的耐腐蝕比較好，所以在歐洲國家，也有將塑料作為換熱器材料使用的，天然氣鍋爐中使用冷凝式換熱器已經(jīng)有近50年的歷史了，冷凝式換熱器中應(yīng)用到玻璃、陶瓷和塑料材料中的技術(shù)已經(jīng)日漸成熟。

2.2節(jié)能效果好

冷凝式鍋爐可以充分回收利用煙氣和水蒸氣，一般排煙溫度低于52C，可以提高燃?xì)忮仩t的冷凝熱。非冷凝式鍋爐排煙溫度一般在165C以上，可以降低鍋爐的冷凝熱”。冷凝式換熱器使用時潛熱可以被回收利用的的原理是：煙氣在冷凝器中降溫達(dá)到露點開始結(jié)露冷凝，釋放汽化潛熱，凝水量增多，可以被回收利用的就增多。冷凝水的量隨著排煙溫度的變化而變化。

2.3增強環(huán)境保護(hù)

燃料在鍋爐中燃燒會釋放酸性氣體和CO.等溫室氣體，若不經(jīng)處理直接排放就會對大氣層中的臭氧層造成嚴(yán)重的破壞。特別是小型鍋爐，其儲存量小，工作效率低，各類污染物的排放，勢必會對壞境增加進(jìn)一步負(fù)擔(dān)%。冷凝水換熱器的作用是將污染氣體中的污染物溶于水并產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象，直觀性的減少污染物的排放。通過對德國某市小區(qū)燃?xì)忮仩t的改造，將以往的普通燃油鍋爐供熱改造為冷凝式換熱器燃?xì)忮仩t。不僅整個小區(qū)的供暖成本大幅度降低，同時也減少了溫室氣體的排出。詳情如表1所示。

3冷凝式鍋爐煙氣余熱深度回收案例研究

3.1項目基本概述

排煙溫度較高成為燃?xì)忮仩t的劣勢之一，如：熱水鍋爐和蒸汽鍋爐的排煙溫度分別為150～200C、200～250C，較高的溫度就很容易造成能源的浪費。余熱中的煙氣冷凝水含有大量的酸性物質(zhì)，會對鍋爐產(chǎn)生腐蝕作用。且會導(dǎo)致鍋爐中的換熱設(shè)備對余熱資源再加工利用功能減弱。余熱回收裝置本身也有著制作成本高、體積較大等不利因素。

3.2節(jié)能分析參照

3.2.1鍋爐輸人熱量

我國現(xiàn)將燃料的最低熱值應(yīng)用為計算元素，可得到鍋爐輸入熱量的計算公式為

公式（1）中Q.（KW）為輸入熱量，H（kJ/M）為燃?xì)獾蜔嶂担珺（M'/s）為燃?xì)庀摹?/p>

3.2.2煙氣冷凝熱回收裝置回收的熱量

保溫良好的冷凝熱回收裝置在計算回收熱量時，需大體忽略散熱損失。此時：冷凝熱回收裝置回收熱量=煙氣放出熱量

3.2.3節(jié)能率

冷凝熱回收裝置的節(jié)能率=燃?xì)饫玫蜔嶂敌?/p>

3.2.4冷凝水量

當(dāng)冷凝熱回收裝置出口煙溫度低于煙氣中硫酸蒸氣等物質(zhì)開始凝結(jié)時的溫度時，冷凝水量的計算公式如下：

公式（2）中m，（kg/s）是煙氣冷凝水回收量，Mg（kg/s）是煙氣冷凝熱回收裝置煙氣質(zhì)量流量，ao、a;分別是出口煙氣含濕量煙氣、冷凝熱回收裝置進(jìn)，單位為kg/kg。

4煙氣冷凝余熱深度回收可行性方案

以往的煙氣余熱回收技術(shù)大部分為多層次過濾換熱，并且多層次換熱采用的設(shè)備普遍造價高、占用面積大。下文根據(jù)此問題，將針對煙氣冷凝余熱的最大化回收列舉相關(guān)技術(shù)方案。

4.1方案1

方案1為：煙氣冷凝余熱加熱鍋爐回水或二次網(wǎng)供暖回水+自然空氣冷卻除濕方案。該方案的特點為：

1）想要削減冬季煙囪的排放總量，可以取用溫度較低的間接供暖回水或加熱鍋爐回水，經(jīng)過大氣中空氣的自然降溫，從而減少煙氣中的CO2的含量，減少對環(huán)境的污染。

2）在經(jīng)濟(jì)性能對比后，風(fēng)機(jī)消耗的能源小于回收的熱能，所以風(fēng)機(jī)可作為余熱回收時的輔助設(shè)備。

3）在安裝空間有限的情況下，此方案占有絕對優(yōu)勢，且系統(tǒng)相對容易上手，有良好的可操控性。

4.2方案2

方案2為：煙氣冷凝余熱加熱助燃空氣和鍋爐回水或2次網(wǎng)供暖回水方案。該方案的特點為：

1）在更為寒冷的區(qū)域，空氣預(yù)熱器可幫助加熱空氣溫度，進(jìn)而增強鍋爐燃燒效率，大量回收煙氣余熱，也可間接性的降低鍋爐排煙溫度。

2）相比于空氣換熱器所占用的空間小且造價低，由更高的性價比。

3）適用于對助燃空氣溫度有上限要求的企業(yè)。

4.3方案3

方案3為：煙氣冷凝余熱加熱助燃空氣和鍋爐回水與2次網(wǎng)供暖回水方案。該方案的特點為：

1）此方案可在企業(yè)無條件采用冷源來實現(xiàn)低溫排煙時，最優(yōu)化的利用煙氣余熱。

2）空氣預(yù)熱器可將煙氣溫度盡可能降低，采用鍋爐回水換熱，使換熱面積小，傳熱溫差大。

3）二次網(wǎng)供暖回水量少時，起到平衡調(diào)節(jié)的作用。

5不同煙氣冷凝余熱深度回收技術(shù)方案節(jié)能潛力分析及實測數(shù)據(jù)對比

5.1節(jié)能潛力分析

上述不同煙氣冷凝余熱深度回收技術(shù)方案節(jié)能潛力比較見表3。

由表了可知：

1）煙氣冷凝熱回收裝置的進(jìn)水溫度與煙氣溫度是成正比關(guān)系的，進(jìn)水溫度越低，煙氣溫度也隨之降低。回收煙氣與回收冷水同樣成正比關(guān)系，回收煙氣余熱越高，回收的凝水量越多。

2）鍋爐排煙時，大氣中空氣溫度會隨之升高，此種方法適用于企業(yè)工廠場地小，資金短缺，等情況下，能夠很好地利用余熱來深度加溫。

以上實施方案有其側(cè)重點，在結(jié)合鍋爐運行情況、企業(yè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平和工廠空間等現(xiàn)實元素后，最終才可選擇合適的方案，實現(xiàn)對自然環(huán)境的低碳排放。

5.2實測數(shù)據(jù)對比

對北方某住宅小區(qū)熱水供暖鍋爐房進(jìn)行節(jié)能改造后跟蹤監(jiān)測得到的典型工況數(shù)據(jù)如表4所示。

實驗結(jié)論

表4表明，鍋爐排煙溫度從139.88～146.47C降到43.67～49.78C，節(jié)能率為10.16%～12.06%。理論計算結(jié)果為：鍋爐排煙溫度從160C降到40～50C，節(jié)能率為10%～13%。計算數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)接近。

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