燃氣鍋爐煙氣余熱深度回收利用的分析研究

文_曹亮 竇蕾 楊欽海 遠大能源利用管理有限公司

2013年9月，國務院正式公布《大氣污染防治行動計劃》，并提出實現目標的十項措施。其中，最關鍵的一條就是實施燃煤鍋爐改造，加快推進集中供熱、“煤改氣”“煤改電”工程建設。在供熱供氣管網不能覆蓋的地區，改用電、新能源或潔凈煤，推廣應用高效節能環保型鍋爐。京津冀、長三角、珠三角等區域于2015年底前基本完成燃煤電廠、燃煤鍋爐和工業窯爐的污染治理設施建設與改造。之后，隨著“煤改氣”工程的建設，大量的天然氣成為供熱的主要能源之一。燃氣鍋爐供熱過程中會產生大量余熱，這些余熱如能合理地被回收利用，將會帶來顯著的節能減排效果。

在燃氣鍋爐供熱中，大型燃氣鍋爐的排煙溫度一般為100℃及以上，即使采用常規煙冷器余熱回收方法只能回收少部分顯熱（煙氣溫度降至約60℃），大部分熱量以水蒸氣汽化潛熱的形式排至環境中，并產生煙囪“白煙”效應對環境造成熱污染。吸收式熱泵的使用能將煙氣的溫度進一步降低至30℃以下，通過煙氣冷凝余熱回收利用技術，不僅可以將排煙溫度降到露點以下，回收利用排煙顯熱和排煙中水蒸氣凝結潛熱，還可將煙氣冷凝水資源化再利用，煙氣冷凝水還可吸收凈化煙氣中SO2和NOX及顆粒物等污染物起到凈化煙氣的效果，并實現煙囪“消白煙”美化環境。燃氣鍋爐的煙氣余熱深度回收利用的節能、節水、減排潛力更大，意義重大。大規模“煤改氣”為吸收式直燃熱泵應用于煙氣余熱深度回收利用領域提供了廣泛的平臺。

1 煙氣余熱回收利用的分析研究

天然氣燃燒后排出的煙氣中的水蒸氣冷凝析出時，可釋放出大量冷凝熱。例如，對燃氣直燃機或燃氣鍋爐，其排煙溫度一般在145℃左右，可見煙氣露點溫度為60～57℃，如果可將排煙溫度降低至30℃，則可使燃氣鍋爐的效率提高10%以上。目前，國內外大中型鍋爐等主要是利用中高溫排煙余熱，對于低溫排煙余熱，特別是煙氣露點溫度以下的余熱利用很少,主要原因是煙氣冷凝水呈酸性，易對設備造成腐蝕，同時低溫煙氣傳熱溫差小、換熱系數小，使得換熱設備體積大、耗材多、投資大，流動阻力大。

1.1 煙氣余熱回收利用的計算

通過煙氣余熱量的計算可知，將煙氣溫度從145℃下降到高于露點溫度時可提高煙氣利用率4%～6%；若將煙氣溫度從145℃下降到低于露點溫度時可提高煙氣利用率10%以上。

1.2 煙氣余熱回收利用的方式

煙氣余熱回收利用有多種功能，如加熱采暖系統回水、加熱生活用水、地板式低溫熱水供暖，熱泵利用來加熱熱網水、加熱補給水、預熱空氣以及熱風利用等等。雖然余熱回收利用的功能多樣，但回收形式上可以分為兩種，一是直接利用煙氣板式換熱器；二是利用煙氣板式換熱器和吸收式熱泵機組的聯合系統，此類方式主要利用燃氣鍋爐的煙氣、天然氣分布式能源系統的發電機組和直燃機組的煙氣余熱與吸收式熱泵機組配套使用，發揮吸收式熱泵機組可提供低溫水的優勢，提高天然氣的能源綜合利用率。

2 吸收式熱泵技術

2.1 吸收式熱泵機組的原理

吸收式熱泵機組是以溴化鋰吸收式技術為基礎，以熱能為驅動熱源，通過回收低溫熱源的熱量，來制取滿足工藝或采暖用中、高溫熱水或蒸汽，實現余熱回收利用、從低溫向高溫輸送熱能的供熱設備，其最大優勢在于余熱回收利用，在節能降耗和余熱供熱領域中將發揮越來越重要的作用。

2.2 吸收式熱泵機組的應用

2.2.1 低溫熱源

低溫熱源可分為天然熱源和工藝生產熱兩部分。天然熱源主要是指海水、河水、溫泉水以及地下水等，其中河水和地下水是使用最普遍的低溫熱源。另一大類是工藝生產過程中排出的熱。這部分熱大量存在于工業生產過程中。如電廠發電過程中產生的冷卻水、化工生產過程中的冷卻水等。

2.2.2 驅動熱源

驅動熱源方面熱泵機組的要求包括蒸汽壓力、熱水、煙氣以及燃氣等，參數要求與常規吸收式制冷機組一樣。

2.2.3 需熱場所

需熱時間長，需熱量變化比較小；熱泵系統接近滿負荷運轉的時間越長，則經濟性比較高；需熱側所需的熱量及時間與余熱源的排熱量及時間應該保持平衡；需熱側距離余熱側應比較近，而且盡量不要分散，過于分散的話，輸送熱量的費用高。

2.3 煙氣板式換熱器與吸收式熱泵機組聯合應用模式

煙氣板式換熱器與吸收式熱泵機組聯合應用模式是煙氣經煙氣板式換熱器與熱泵機組提供的低溫水換熱，將熱量傳遞給低溫水，排煙溫度降至水蒸氣露點溫度以下，同時被加熱的低溫水作為低溫熱源再進入吸收式熱泵機組，通過驅動熱源（可采用天然氣、蒸汽、高溫熱水等作為驅動熱源）將低溫熱源和驅動熱源熱量轉移產生中溫水熱源滿足建筑物采暖需求，同時低溫熱源水溫度降低，然后再進入煙氣板式換熱器吸收煙氣熱量，如此循環不已。該聯合系統運行時可將煙氣溫度下降到露點溫度以下，既提高了煙氣利用率，又增大了供熱能力，同時排煙溫度低于露點溫度，大量水蒸汽被冷凝，既對煙氣起到凈化效果，又在冬季運行時進行“消白煙”處理。

3 煙氣余熱深度回收利用的案例分析

3.1 項目概況介紹

北京豐臺某小區鍋爐房為“煤改氣”項目，將原燃煤鍋爐改為燃氣鍋爐進行集中供熱。該鍋爐房主要負責156萬m2建筑采暖供熱，計劃安裝4臺以天然氣為燃料、供熱能力為29MW的燃氣熱水鍋爐，總供熱能力為116MW。項目中采用一臺型號為BZ300XD-60/45-12/20-600-R1直燃熱泵回收燃氣鍋爐和直燃熱泵機組自身的排煙余熱量。

3.2 系統流程說明及系統流程

系統流程說明及系統流程示意圖如圖1所示。

圖1 系統流程說明及系統流程示意圖

3.2.1 熱水（紅色）流程

熱網45℃回水分成兩部分，一部分進入直燃熱泵升溫，溫度由45℃提高至60℃后，與另一部分熱網回水混合再進入燃氣鍋爐；另一部分回水進入鍋爐煙道上的一級煙氣板交回收少部分煙氣熱量，煙氣溫度由100℃降溫至50～60℃。升溫后的熱水再與另一部分熱網回水混合進入燃氣鍋爐加熱至供熱溫度送入熱網。

3.2.2 低溫水（綠色）流程

12℃低溫水出熱泵后分為兩分支，一部分進入燃氣鍋爐的二級煙氣板交回收大部分煙氣熱量，煙氣溫度降溫至30℃以下；另一部分進入熱泵煙道的煙氣板交回收大部分煙氣熱量，煙氣溫度直接由160℃降至30℃以下，同時低溫水被加熱至20℃后經循環泵送回直燃熱泵提供低溫余熱量。

3.2.3 煙氣（黑色）流程

燃氣鍋爐的煙氣溫度經一級煙氣板交后由100℃降至50～60℃，再經二級煙氣板交后煙氣溫度降至30℃以下；直燃熱泵機組自身的煙氣溫度經煙氣板交后由160℃降至30℃以下。

3.3 經濟效益及效果分析

2014年冬季開始運行后，對鍋爐房運行數據進行采集分析如表1所示。

表1

熱泵啟動前后鍋爐的排煙情況如圖2所示。按本項目的基礎熱負荷30MW的煙氣余熱量來選配直燃熱泵機組，鍋爐總制熱量為30MW，滿負荷時燃氣耗量為3378.7m3/h（燃氣鍋爐效率92%），煙氣量約為36895.8m3/h；直燃熱泵滿負荷時燃氣耗量516m3/h，煙氣量約為9288m3/h。直燃熱泵機組最大可回收煙氣余熱量為3489kW，相當于每小時可節約349m3（按8600kcal/m3）天然氣。如按采暖季120d，天然氣價格3.09元/m3計算，年節省天然氣約100.5萬m3，節省運行費用約310.6萬元。整個工程的投資回收期小于3a。

圖2 熱泵啟動前后鍋爐的排煙情況

3.4 案例總結

本項目在冬季采暖實際運行后，煙氣余熱回收熱泵系統對煙氣余熱回收的效果基本達到了設計測算值，經濟效益可觀，系統投資回收期短。

對實際數據分析可知，經過一級煙冷器后煙氣溫度（100～50℃）時，余熱回收量主要以顯熱為主，占比例較小約4%；當煙氣排放溫度降至30℃以下時，余熱回收量占燃料熱量的比例可達10%以上。

當鍋爐排煙溫度降至30℃以下時，煙氣中大部分水蒸氣被回收利用，同時實現了煙囪“消白煙”，消除了環境熱污染，美化景觀效果。

4 結語

將天然氣煙氣余熱通過回收利用，若將煙氣溫度降至露點溫度以上時，可提高煙氣利用率約4%左右；若將煙氣溫度降低至露點溫度以下進行深度回收利用時，可提高煙氣利用率達到10%以上，又可實現煙囪冬季“消白煙”效果，節能減排潛力巨大。

隨著全國實行大規模的“煤改氣”工程，通過吸收式熱泵技術的運用，采用煙氣板式換熱器和吸收式熱泵聯合應用模式，既深度回收了大量煙氣余熱量，又發揮了吸收式熱泵機組制熱效率高的優勢，大大提高了系統的供熱能力，可滿足更大建筑面積的采暖需求。

目前全國性的能源結構調整，天然氣的使用比例將快速增大，則天然氣煙氣余熱的深度回收利用和吸收式熱泵技術利用的市場潛力巨大，在供熱領域、熱電聯產領域、天然氣分布式能源領域、工業煙氣余熱回收領域具有廣泛的運用前景。