燃氣鍋爐煙氣余熱回收與低氮排放協同處理技術研究

馮琳峰，秦成，符瑞斌

（海南省鍋爐壓力容器與特種設備檢驗所，海南 海口 570203）

燃氣鍋爐的工作原理并不復雜，燃燒器將燃氣充分燃燒后，通過輻射以及對流導熱，將熱能傳遞給水，當水受熱后就會產生蒸汽，從而滿足工廠對生產的需求。為提升能源的綜合利用效益，減少氮氧化物的排放，需要基于燃氣鍋爐的運行原理，對各個運行系統實行科學合理的優化，在不影響燃氣鍋爐正常穩定運行的前提下，達成節能減排的目的，延長鍋爐的運行年限。

1 燃氣鍋爐煙氣余熱回收技術研究

1.1 換熱器式煙氣余熱回收技術

近年來，社會對節能減排的重視程度與日俱增，在這種背景下，我國對各種煙氣回收技術進行了研究。其中對換熱器式煙氣余熱回收技術加以探析后，可得出以下結論。

（1）將壁式與廢水換熱器有機結合后，形成的非接觸式全熱交換系統。將該系統切實應用到燃氣鍋爐中，相較傳統的燃氣鍋爐，該系統下的鍋爐整體運行效率可提升12%左右。

（2）煙氣中間加濕溫差發電系統，這種系統有效應用了高溫煙氣，在溫度較低的情況，熱電機組的功率可升高。

（3）預干燥系統，利用這種系統回收濕法煙氣脫硫后的余熱，相較傳統的系統，該系統的煙氣凈化效率可達44%左右。

（4）深層次挖掘熱電聯產機組的節能效益后，采取排汽深度優化技術。這種系統在運行過程中，會將廢氣利用與空氣加熱、冷凝水加熱緊密結合，在一定程度上，保障了余熱的回收效率，有利于增強熱電聯產機組的性能。

1.2 熱泵式煙氣余熱回收技術

為進一步強化燃氣鍋爐的余熱回收能力，有研究提出借助熱泵回收煙氣余熱。其中包括空氣熱泵煙氣余熱制冰系統、開放式熱泵系統、吸收式熱泵系統以及吸收式熱泵與燃氣鍋爐相結合的系統等。此外，還有燃氣鍋爐煙氣冷凝余熱回收系統，這種系統將壓縮熱泵與煙氣噴淋塔結合到一起后，熱泵自身的性能，化解了低溫冷源的問題。為驗證該系統的回收性能，展開了驗證實驗，將58kW 的燃氣鍋爐作為煙氣源，當鍋爐負荷處于90%，且過量空氣系數是1.2 時，該系統余熱回收率的平均值為12.5%，其不僅可以將煙氣中的水蒸氣含量減少65%以上，還能夠將排煙溫度控制在30 ～35℃。

1.3 多種方式結合的煙氣余熱回收技術

多種煙氣余熱回收系統指的是將不同的余熱回收技術聯系到一起，如多極化氣工藝與鋼熱處理爐的集成系統，這種系統可以將爐膛中的煙氣加以回收，同時，還可以有效增強氣化爐系統的能效，最高可提升至13%；還有將蒸汽壓縮制冷與液體除濕結合到一起的混合熱回收系統，該系統可將鍋爐當量熱效率從90%升至100%以上。

2 煙氣余熱回收與低氮排放協同處理系統性能分析

相較原始的燃氣鍋爐，煙氣余熱回收與低氮排放系統所產生的環境效益要更高，將該系統應用到燃氣鍋爐中，可大幅度減少氮氧化物的排放總量，原因在于兩方面：一方面，是當助燃空氣含濕量增多以后，鍋爐氮氧化物排放濃度會明顯降低；另一方面，是系統中的節能熱網會加強對余熱的利用，當天然氣的消耗量始終小于原始鍋爐，氮氧化物排放總量就會下降。因此，在改良和優化原始燃氣鍋爐的過程中，要科學應用燃氣余熱回收與低氮排放系統，確保其能夠發揮出應有的作用和價值，為燃氣鍋爐的長效穩定運行奠定良好的基礎。

2.1 氮氧化物實驗

在氮氧化物的排放實驗中，本實驗采用煙氣分析儀，對原始的燃氣鍋爐（未加裝任何系統）的氮氧化物排放量以及具體的排放濃度，展開系統的檢測，經過科學的檢測后，得出以下結果：在煙氣分析儀的支持下，分別檢測了45℃、50℃、55℃的熱網回水溫度的氮氧化物排放濃度，而氮氧化物排放濃度的平均值為129.5mg/m3。根據該結果，繼續對氮氧化物排放穩定性以及減排效率，實行全面的分析，獲得以下結論：

（1）氮氧化物排放穩定性。在高、中、低助燃空氣含濕量運行條件下，助燃空氣的含濕量與氮氧化物的排放濃度呈反比例關系，即含濕量增加，氮氧化物的排放濃度會降低，當助燃空氣的溫度為47.41℃且空氣含濕量為73.86g/kg干空氣時，燃氣鍋爐所排放的煙氣氮氧化物濃度為29.61mg/m3，該數據明顯低于鍋爐氮氧化物排放標準。

（2）減排效率。如圖1 所示，各個工況下氮氧化物的排放規律。經過對圖1 的分析可知，若助燃空氣含濕量的條件相同，即便熱網回水的溫度不同，鍋爐排放煙氣中的氮氧化物濃度也十分接近，由此可知，熱網回水溫度對氮氧化物排放效率的影響較小。

根據圖2 中的內容可知，助燃空氣含濕量與煙氣氮氧化物的減排效率呈正比例關系，即含濕量升高，減排效率也隨之升高，但助燃空氣的含濕量由熱水網回水溫度決定。因此，在改良燃氣鍋爐的過程中，要將重點放在助燃空氣的含濕量以及熱水網回收系統上，采取行之有效的手段，將燃氣鍋爐中的熱水網回收溫度提高，從而強化氮氧化物的減排效果。

2.2 氮氧化物排放

通過該實驗分析了燃氣鍋爐氮氧化物的排放濃度后，基于煙氣余熱回收與低氮排放協同處理系統，所產生的熱網余熱利用效果，對該系統中氮氧化物的減排質量和效率，展開了全方位的研究。

（1）從能量的角度分析，熱網余熱回水效率與燃氣節約量的變化趨勢具有一致性，若二者同處于溫度條件一致的熱網回水溫度下，燃氣節約量與噴淋水流量呈正比例關系，即水流量增加，節約量也會隨之上升，若二者同處于相同的噴淋水流量下，則燃氣節約量隨著熱網水溫度的變化而變化，當溫度上升節約量會下降。根據上述分析可知，熱網回水溫度不同，助燃空氣含濕量也會有所不同，但高溫度的熱網回水，會降低熱網余熱的整體利用效率，但該系統可通過兩種方式，達成氮氧化物減排的目的，一種是熱網余熱回收，另一種是降低氮氧化物排放濃度。由于熱網余熱利用效率增加，噴淋水流量會增多，助燃空氣含濕量增加，鍋爐氮氧化物排放濃度會降低，要想促使助燃空氣含濕量更高，就要讓空氣加濕段液氣比也升高。就該燃氣鍋爐的整體情況而言，其需要增多噴淋水流量。以55℃熱網回水溫度、0.82m3/h 噴淋水流量為例，燃氣鍋爐在這種運行條件下，氮氧化物的排放濃度為39.9mg/m3，而助燃空氣含濕量、鍋爐的燃氣消耗量以及熱網余熱利用效率分別為：73.9g/kg干空氣、5.13m3/h、1.37kW。

（2）在計算上述燃氣節約量時，是利用燃氣低位的發生量以及熱網余熱利用量，但就實際情況而言，燃氣鍋爐在運行過程中，燃氣消耗量應以相同的熱網供熱量為基礎，若將原始燃氣鍋爐的90%作為對比工況，則鍋爐的運行效率以及燃氣消耗量分別為88%、5.13Nm3/h。

（3）原始燃氣鍋爐的實驗數據為：助燃空氣含濕量平均值與氮氧化物排放濃度分別為3.2g/kg干空氣、129.5mg/m3，其中煙氣體積是12.57Nm3，經計算可知，燃氣鍋爐排放的煙氣總量：1.86×105Nm3、氮氧化物排放總量有23.1kg。由此可知。在工況條件為55℃的熱網回水、0.82m3/h 的噴淋水流量時，鍋爐所排氮氧化物總量為7.65kg，減排效率高達64.7%。基于此，燃氣鍋爐利用熱網余熱以及控制氮氧化物排放量以及濃度這兩種方式。可強化減排效果，產生巨大的環境效益和社會效益。

2.3 系統協同效益

協同處理系統在燃氣鍋爐的煙氣余熱回收以及低氮排放方面，發揮出了顯著的作用和價值，為使該系統的節能減排效益最大化，本研究對該系統的協同效益實行了精準的評估。如圖3 所示。

圖3 煙氣余熱回收與低氮排放協同處理系統效益評估圖

結合圖3 可知，燃氣鍋爐的加濕段單元液氣比的變化與噴淋水流量有關，當水量增多時，液氣比也會隨之增加，同時助燃空氣含濕量也會逐步升高。從節能減排的角度出發，該協同處理系統在節能方面的效益顯著，在助燃空氣含濕量上升的情況下，煙氣露點溫度也會變高，進而提升了煙氣余熱回收效率，并且助燃空氣含濕量的增加，也是氮氧化物濃度降低的重要原因之一。由此，煙氣余熱回收與低氮排放處理技術，具有較強的經濟效益以及節能環保效益，適用于燃氣鍋爐中。本文所研究的煙氣余熱回收以及低氮排放協同處理系統，在燃氣鍋爐的節能和低氮排放方面，產生了顯著的協同增強功能。

3 煙氣余熱回收與低氮排放協同處理系統優化方案

3.1 系統優化經濟性分析

在實驗初期，主要目的是驗證協同處理系統的性能，因此未能對管件與水泵實行優化配置。結合以上實驗數據可知，該協同處理系統的噴淋水流量在0.23 ～0.83m3/h，為增強燃氣鍋爐的經濟效益，還需要優化改良水泵以及噴嘴等管件，本研究使用的水泵為370W，其可用揚程以及最大流量分別為22m、3.4m3/h，噴嘴的型號為SMP-218，在揚程為7m 的情況下，該噴嘴的噴淋流量可達1.0m3/h，能滿足任何實驗條件。為減少沿程損失，選擇的水管為PPR-DN40,通過對各個管件的優化配置后，該協同處理系統的總功率可達740W,最大的運行功率可達2×370W。

在多功率的燃氣鍋爐下，該系統所產生的經濟效益為：當燃氣鍋爐的運行條件為45℃熱網回水、0.83m3/h噴淋水流量時，余熱回收與低氮排放協同處理系統在不同功率的燃氣鍋爐下的燃氣節約量，當鍋爐的運行功率上升時，燃氣節約量以及燃氣節約費用也會隨之升高。

3.2 系統余熱利用優化方案

煙氣余熱回收與低氮排放協同處理技術的節能環保效益較強，但在該系統實際運行過程中，排煙損失未能得到有效降低，因此要采取相應的優化手段，對協同處理系統展開優化設計。

針對熱網余熱利用率低的問題，要將優化重點放在系統的運行流程上，在熱交換過程中，噴淋水會與煙氣交換，完成交換后，溫度較高的噴淋水會流進水熱交換器，與熱網換熱完畢后，一部分噴淋水會流進空氣加濕段，噴淋加濕助燃空氣后再次進入煙氣換熱段，展開二次循環，剩余的噴淋水會直接返回煙氣換熱段進行二次循環。通過這種方式，將加濕空氣段中的余熱降低，熱網余熱效率會自動升高。

4 結語

綜上所述，本文對燃氣鍋爐煙氣余熱與低氮排放協同處理系統科學分析后，可證明該協同處理技術在經濟效益、能源效益以及環保效益方面，均體現了一定的優勢，并且適用于各種功率的鍋爐，加之其投資回報期較短，因此使用價值較高，應加大對該系統的升級和推廣力度，為工廠燃氣鍋爐的節能穩定運行夯實基礎。