熱泵型煙氣余熱回收及降氮系統性能

張群力，汪玉詩，翟洪寶，3，郭穎杰，張秋月，黃昊天

（1 北京建筑大學供熱、供燃氣、通風及空調工程北京市重點實驗室，北京 100044；2 北京建筑大學北京節能減排與城鄉可持續發展省部共建國家協同創新中心，北京 100044；3 中國建筑科學研究院有限公司，北京 100035）

隨著我國北方地區清潔供熱政策大力推進，天然氣消耗量逐年增加。2021 年，全國天然氣表觀消費量為3.69×1011m3，同比增長12.5%[1]。鍋爐供暖耗氣量占總體消費量的一半以上[2]。目前，大多燃氣鍋爐的余熱回收裝置只能回收煙氣部分顯熱，未回收利用約占燃氣熱值10%的冷凝潛熱[3]。煙氣溫度仍較高，直接排放會造成較大的能源浪費[4]。此外，煙氣中還含有較高濃度的氮氧化物(NOx)，嚴重危害人體健康和生態環境[5-6]。因此，在深度回收利用煙氣冷凝余熱的同時，燃氣鍋爐還需進一步降低NOx排放濃度。

早期的煙氣余熱回收多采用熱網回水作為冷源，利用間接式換熱器進行顯熱回收或利用直接式換熱器進行全熱回收。但由于熱網回水溫度較高，無法實現深度回收煙氣冷凝余熱效果[7]，排煙溫度仍較高。利用熱泵制取低溫冷源是一種進一步降低排煙溫度的有效方式。Yang等[8]提出一種用于煙氣全熱回收的全開式吸收式熱泵技術，在回水溫度較高時仍具有較高熱回收效率。Qu等[9]分析了3種驅動熱源的吸收式熱泵與間壁式換熱器耦合系統的余熱回收性能，發現鍋爐排煙溫度均可降至30℃，鍋爐熱效率可提高近16%。但吸收式熱泵存在占地面積大、初始投資高的問題[10]，更適用于大型燃氣鍋爐。電壓縮式熱泵的成本較低，也可有效降低煙氣溫度[11-12]，更適用于中小型燃氣鍋爐余熱深度回收?，F有研究多重視余熱回收技術研究，對煙氣余熱回收的節能問題與降氮排放的環境問題缺少統籌考慮。目前常用的煙氣降氮方式主要有預混燃燒[13]、煙氣再循環[14]、分級燃燒[15]和富氧燃燒[16]等，主要通過降低氧占比和燃燒溫度來減少NOx的生成，會降低鍋爐供熱效率[17]。這些降氮技術又較少考慮鍋爐煙氣的余熱回收與利用問題。

鑒于目前煙氣冷凝余熱回收與降氮排放多為獨立開展研究，尤其對煙氣余熱、余水、降氮、消白的協同控制技術及其運行規律的研究還有待深入。本文提出一種基于熱泵的煙氣冷凝余熱回收與降氮系統，利用壓縮式熱泵實現煙氣的冷凝余熱回收和余水回收，利用助燃空氣加濕技術降低煙氣的NOx排放濃度，從而實現中小型燃氣鍋爐的煙氣冷凝余熱高效回收與降氮排放的協同處理效果。本文利用試驗研究了空氣加濕塔液氣比、助燃空氣含濕量、熱網回水溫度與流量等因素對系統余熱回收和降氮性能的影響規律，為進一步分析和優化燃氣鍋爐系統的余熱余水回收與降氮消白排放提供研究參考。

1 系統和方法

1.1 系統介紹

熱泵型煙氣冷凝余熱回收與降氮系統由燃氣鍋爐、空氣加濕塔、翅片管式換熱器、壓縮式熱泵等設備組成。試驗選用58kW燃氣鍋爐作為煙氣發生源。系統工作流程及測點分布見圖1，試驗臺見圖2。

圖1 熱泵型煙氣冷凝余熱回收與降氮系統流程圖

圖2 熱泵型煙氣冷凝余熱回收與降氮系統試驗臺

來自燃氣鍋爐的高溫煙氣進入余熱回收塔，先與翅片管式換熱器內的加濕水進行一級換熱，降溫后流經熱泵蒸發器進行二級換熱，充分釋放冷凝余熱后被排至大氣。加濕水流經翅片管式換熱器，由高溫煙氣加熱后進入空氣加濕塔，以噴淋方式加熱加濕助燃空氣，經過充分換熱后落入空氣加濕塔底部儲水池，最后在水泵驅動下再次回到翅片管式換熱器內被加熱，循環往復。產生的酸性冷凝水聚集在余熱回收塔底部儲水池，定期排出經軟化處理后再送入鍋爐作為補水，實現余水回收。被加熱加濕的助燃空氣進入鍋爐燃燒器中參與燃燒。熱泵工質在蒸發器處回收煙氣余熱后，經循環在冷凝器處將熱量傳遞給熱網回水。部分熱網回水進入熱泵冷凝器被預熱，與剩余熱網回水混合后回到鍋爐繼續被加熱至一定溫度，再次供向熱用戶，形成熱網水循環。

熱泵型煙氣冷凝余熱回收與降氮系統將助燃空氣加濕與熱泵結合，建立“煙氣→加濕水與熱泵”的余熱傳遞途徑，能同時實現煙氣冷凝余熱回收利用、氮氧化物減排、余水回收與脫白等目標。

試驗主要測試了煙氣溫度、煙氣NOx排放濃度、助燃空氣溫濕度、加濕水溫度及流量、熱網水溫度及流量等參數。所采用的測試儀器型號及其精度如表1所示。

表1 試驗用測試儀器型號及精度

1.2 系統性能評價

1.2.1 低氮排放性能

由于NO 進入空氣后迅速被氧化為NO2，基于NO2的相對分子質量計算煙氣的NOx質量濃度，如式(1)、式(2)所示。

式中，CmL為體積濃度，mL/m3；Cmg為質量濃度，mg/m3；M為相對分子質量；Vm為標準摩爾體積，22.4L/mol。

1.2.2 余熱回收性能

高溫煙氣流經余熱回收塔，先后與加濕水和熱泵循環工質換熱。余熱被用于加熱加濕水和熱網回水。加濕水吸收的煙氣余熱被用于預熱助燃空氣，這部分熱量會再次回到爐膛，不計入系統余熱回收量。而由于冷凝器側熱網回水得熱量來自煙氣余熱和熱泵輸入功率，系統余熱回收量表示為冷凝器側熱網回水得熱量與熱泵輸入功率之差。將系統余熱回收量與燃氣鍋爐輸入熱量之比定義為系統余熱回收效率，計算如式(3)～式(6)。

式中，Qh,u為冷凝器側熱網回水得熱量，kW；mh為冷凝器側熱網回水流量，kg/s；cp為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；T2為冷凝器側熱網回水出口溫度，℃；T1為冷凝器側熱網回水入口溫度，℃；Qr為系統余熱回收量，kW；E為熱泵輸入功率，kW；Qin為燃氣鍋爐輸入熱量，kW；B為天然氣消耗量，m3/s（標準工況）；Qnet,ar為天然氣低位熱值，kJ/m3（標準工況）；ηr為系統余熱回收效率，%。

鍋爐熱效率為鍋爐供熱熱量與燃氣鍋爐輸入熱量之比[18]，如式(7)、式(8)。

式中，Qb為鍋爐供熱熱量，即鍋爐處熱網回水得熱量，kW；mb為鍋爐處熱網回水流量，kg/s；T4為鍋爐處熱網回水出口溫度，℃；T3為鍋爐處熱網回水入口溫度，℃；ηb為鍋爐熱效率，%；其他參數含義同前。

由于熱網回水經由熱泵冷凝器被預熱，再進入鍋爐被加熱后送至熱用戶供熱，系統供熱熱量表示為熱泵供熱量與鍋爐供熱熱量之和，即冷凝器側熱網回水得熱量與鍋爐供熱熱量之和。同樣地，將系統供熱熱量與燃氣鍋爐輸入熱量之比定義為系統熱效率，見式(9)、式(10)。

式中，Qs為系統供熱熱量，kW；ηs為系統熱效率，%；其他參數含義同前。

熱泵性能會影響系統的余熱回收量，故引入熱泵性能系數以評價熱泵性能，如式(11)。

式中，COP為熱泵機組制熱性能系數；其他參數含義同前。

1.2.3 經濟效益

引入熱泵預熱進入鍋爐前的熱網回水，有效降低了鍋爐的燃氣消耗量，但也增加了運行成本。年運行成本通過年耗電量計算，而系統年耗電量主要包括熱泵年耗電量、水泵年耗電量和煙氣側阻力增加導致的風機新增年耗電量。

燃氣年節約成本計算如式(12)、式(13)。

水泵耗電量由加濕水泵耗電量和因增設冷凝器導致熱網回水側阻力增加引起的水泵新增耗電量組成。其中，加濕水泵年耗電量如式(15)。

因阻力增加引起的水泵和風機新增年耗電量計算如式(16)。

則年運行成本計算如式(17)、式(18)。

作為經濟效益評價的主要指標，系統的投資回收期計算如式(19)所示。

式中，Bs為燃氣年節約量，m3；Th為年供暖總時間，h；Sg為燃氣年節約成本，CNY；Ag為燃氣單價，CNY/m3（標準工況）；Bh為熱泵年耗電量，kW·h；Bp為加濕水泵年耗電量，kW·h；P為加濕水泵功率，kW；Bpf為水泵和風機新增年耗電量，kW·h；ΔP為阻力增加導致的水泵和風機的功率增加量，kW；Vope為年運行成本，CNY；Be為年耗電量，kW·h；Ae為電價，CNY/(kW·h)；Y為投資回收期，a；I為系統初投資，CNY；其他參數含義同前。

2 結果與討論

2.1 系統低氮排放性能影響因素分析

2.1.1 低氮排放性能影響分析

系統利用噴淋方式對助燃空氣加濕以降低鍋爐煙氣中NOx排放濃度，實現煙氣低氮排放效果。助燃空氣含濕量的增加可有效降低氧氣濃度及燃燒溫度，抑制NOx生成，從而顯著降低NOx排放濃度。在給定熱網回水溫度為40℃和流量為1853L/h 的工況下，通過調節加濕水流量，試驗研究了助燃空氣含濕量對煙氣中NOx排放濃度的影響規律。

在相同鍋爐負荷下，增大助燃空氣含濕量可有效降低煙氣的NOx排放濃度，如圖3 所示。當助燃空氣未加濕時，75%和90%鍋爐負荷下的NOx排放濃度分別為90.3mg/m3和100.7mg/m3，遠超過既有燃氣鍋爐改造排放標準限值。當助燃空氣含濕量增加到20g/kg 時，75%和90%鍋爐負荷下的排煙NOx濃度均已低于排放限值。將加濕助燃空氣后的鍋爐NOx排放濃度減少量與未加濕時的鍋爐NOx排放濃度之比定義為減排效率?？梢钥闯鲈?0%鍋爐負荷下，含濕量繼續增大到59.5g/kg 時，NOx排放濃度可降至39.7mg/m3，減排效率為60.6%。當助燃空氣含濕量相同時，75%鍋爐負荷的NOx排放濃度更低。因此，在90%鍋爐負荷下，需將助燃空氣加濕到更高的含濕量，使NOx排放濃度降至更低。

2.1.2 助燃空氣含濕量影響分析

液氣比為加濕水流量與助燃空氣質量流量的比值。較高的液氣比以及較高的鍋爐負荷有利于對助燃空氣加濕，實現煙氣低氮排放。通過調節加濕水量，試驗測得系統在不同空氣加濕塔液氣比下的助燃空氣含濕量如圖4所示。在鍋爐負荷不變時，助燃空氣含濕量隨液氣比增大而增大，當液氣比大于3后，其增幅逐漸變緩，這意味著繼續增大液氣比對助燃空氣加濕的促進作用有限。而在液氣比相同時，90%鍋爐負荷下的助燃空氣可被加濕至更高的含濕量。與75%鍋爐負荷工況相比，燃氣在90%鍋爐負荷工況下燃燒更充分，排煙溫度更高，能在換熱器處將加濕水加熱到更高溫度。這使得助燃空氣出空氣加濕塔時的溫度上升，含濕量隨之上升。

圖4 空氣加濕塔液氣比對助燃空氣含濕量的影響

2.2 系統余熱回收性能影響因素分析

2.2.1 助燃空氣加濕對系統余熱回收效率的影響

當助燃空氣未加濕時，90%鍋爐負荷和75%鍋爐負荷下的煙氣露點溫度分別為55.7℃和55.8℃。加濕后的助燃空氣進入鍋爐，使得煙氣的含水量增大，露點溫度進而顯著升高，且隨助燃空氣含濕量增加而增加，如圖5所示。煙氣露點溫度的提高顯著降低了回收潛熱對低溫水的需求，有利于充分利用煙氣汽化潛熱。因此，增大空氣加濕塔液氣比，即增大助燃空氣含濕量，有利于余熱回收塔處的煙氣充分換熱。

圖5 助燃空氣含濕量對煙氣露點溫度的影響

在熱網回水溫度和流量分別為40℃、1853L/h工況下，試驗分析了空氣加濕塔液氣比對系統余熱回收效率的影響。系統利用翅片管式換熱器和熱泵蒸發器實現了高溫煙氣梯級換熱，其中翅片管式換熱器中煙氣與加濕水的換熱量，即加濕水得熱量，會影響熱泵蒸發器側的煙氣換熱量，即系統余熱回收量。加濕水得熱量隨液氣比增大而增加，其增加幅度逐漸變緩，如圖6(a)所示。由于煙氣露點溫度隨液氣比增大而增大，使翅片管式換熱器處的煙氣得以充分換熱，加濕水得熱量隨之增大。

圖6 空氣加濕塔液氣比對加濕水得熱量、余熱回收量以及系統余熱回收效率的影響

試驗結果表明，助燃空氣加濕會降低系統余熱回收效率，如圖6(b)所示。這是因為隨空氣加濕塔液氣比增大，加濕水得熱量增大，熱泵蒸發器可回收煙氣余熱減少，余熱回收量減小，系統余熱回收效率隨之降低。與75%鍋爐負荷工況相比，90%鍋爐負荷的降低幅度更小，液氣比由2.9 增大至19.5 時，余熱回收效率由7.7%降低至6.4%。這意味著在液氣比相同時，高負荷工況下助燃空氣加濕對系統余熱回收效果的不利影響更小。

由2.1 節可知煙氣NOx排放濃度隨液氣比增大而降低，因此助燃空氣加濕在提高系統降氮效果的同時降低了系統余熱回收效果。

2.2.2 熱網回水溫度和流量對系統余熱回收效率的影響

系統通過熱網水循環與熱泵循環，將熱泵蒸發器回收的煙氣余熱用于預熱熱網回水，以實現煙氣的余熱利用。故余熱回收量還受冷凝器側熱網回水溫度與流量的影響。以90%鍋爐負荷、加濕水流量1537L/h工況為例，試驗研究了熱網回水溫度與流量對系統余熱回收效率的影響。結果表明：在相同熱網回水流量下，隨著熱網回水溫度的降低，系統余熱效率逐漸升高；在相同熱網回水溫度下，系統余熱效率隨著熱網回水流量的增加而升高，如圖7(a)所示。當熱網回水溫度和流量分別為40℃和1853L/h 時，系統余熱回收效率可達6.9%。因此，為實現更好的余熱回收效果，需要較低的熱網回水溫度與較大的熱網回水流量。

圖7 熱網回水溫度和流量對系統余熱回收效率和熱泵COP的影響

熱泵實際運行制熱性能系數受冷凝器運行工況的影響。在冷凝器側，熱網回水的工況會影響冷凝器內制冷劑的溫度和壓力，從而影響熱泵功耗和COP。試驗測得各工況下的熱泵COP值，見圖7(b)。降低熱網回水溫度或增大熱網回水流量均可提高熱泵COP。熱網回水工況為水溫40℃、流量1853L/h時，熱泵COP最高可達3.12，有利于高效回收煙氣余熱。

2.2.3 排煙溫度影響分析

排煙溫度可直接體現系統的余熱利用情況。試驗工況下，排煙溫度均被降至遠低于煙氣露點溫度，且未超過40℃，如圖8所示。隨著熱網回水流量增大或熱網回水溫度降低，排煙溫度逐漸降低。隨著熱網回水溫度降低，熱網回水在鍋爐內換熱更充分，使得煙氣攜帶的顯熱減少，進入余熱回收塔的煙氣溫度降低，排煙溫度亦隨之降低。而增大熱網回水流量可強化鍋爐處換熱過程，提高熱泵COP，蒸發器側換熱量增加，故排煙溫度有所降低。在熱網回水溫度為40℃、流量為1853L/h 工況下，排煙溫度降低至最低，為24.5℃，接近室溫，表明煙氣余熱回收效果顯著。

圖8 熱網回水溫度和流量對系統排煙溫度的影響

2.2.4 鍋爐熱效率影響分析

鍋爐熱效率為鍋爐用于供熱的熱量與輸入燃氣熱量的比值。在給定熱網回水溫度為40℃和流量為1853L/h 的工況下，利用正平衡法計算了試驗鍋爐不同負荷運行下的熱效率，研究了助燃空氣加濕對鍋爐熱效率的影響。經過大量試驗，在液氣比為0，即助燃空氣沒有加濕的工況下，試驗鍋爐在90%負荷和75%負荷下的平均熱效率均為89.8%。增大空氣加濕塔液氣比會降低鍋爐熱效率，如圖9所示。對助燃空氣加濕，隨著液氣比增加，可燃組分占比降低，爐內燃燒溫度下降，鍋爐熱效率繼而降低。低負荷工況的降低幅度更大。在液氣比變化范圍為0～19.5 時，90%鍋爐負荷下的鍋爐熱效率僅降低3.4%。但得益于熱泵的應用，煙氣余熱被有效回收利用，系統整體供熱能力提高。試驗中，各工況下的系統熱效率均超過未加濕時的鍋爐熱效率，最高可達100.9%。

圖9 助燃空氣加濕對鍋爐熱效率和系統熱效率的影響

3 系統效益分析

3.1 節能效益分析

為簡單直觀描述熱泵型煙氣冷凝余熱回收與降氮系統的能量流動并分析系統節能效益，根據能量守恒，以燃氣低位發熱量為基準，以90%鍋爐負荷、1537L/h 加濕水流量、1853L/h 熱網回水流量、40℃熱網回水溫度為例繪制了系統能流圖，如圖10所示。系統共輸入115.2%的能量，輸入能量由大到小分別為燃氣所含熱量、熱泵功耗、助燃空氣所含熱量；系統輸出能量由大到小分別為熱網供熱熱量、熱損失、排煙所含熱量，其中有效輸出熱量96.7%。系統在空氣加濕塔中預熱加濕助燃空氣，降低了鍋爐煙氣中的NOx排放濃度，加濕水中2.4%的熱量也因此被耗散掉。熱網供熱熱量來自燃氣與助燃空氣和余熱回收系統兩部分，其中燃氣與助燃空氣總熱量的86.4%進入熱網供水；余熱回收系統中熱泵消耗3.9%的電能回收煙氣余熱，并將10.3%的熱量輸送到熱網回水。系統排煙熱損失僅占2.7%，但是仍有13.4%的其他熱損失，主要集中在煙道與余熱回收塔。因此，熱泵型煙氣冷凝余熱回收與降氮系統具備優秀的余熱回收和降氮性能，并可通過優化設備選型、提高系統保溫性能等措施進一步提高系統余熱回收效率及熱效率。

圖10 熱泵型燃氣鍋爐煙氣冷凝余熱回收與降氮系統的能流圖分析

3.2 環保效益分析

系統利用熱泵深度回收煙氣余熱，用于預熱熱網回水，系統熱效率增大。供熱負荷一定時，燃氣鍋爐所需工作負荷減小，耗氣量減少，這有效降低了煙氣中的NOx排放量。此外，煙氣中的水蒸氣會在熱泵蒸發器表面冷凝并落在余熱回收塔底部的儲水池，有利于實現煙氣脫白。且冷凝水經處理后可作為鍋爐補水。通過計算空氣加濕塔進出口的煙氣質量之差得到系統的余水回收量。設定采暖季為4個月，鍋爐每天運行24h，系統的NOx減排量和余水回收量如圖11所示。NOx減排量和余水回收量均隨液氣比增大而增大，系統的NOx減排量為65.2～117.9kg/a，余水回收量為20.2～31.2t/a，系統環保效益顯著。

圖11 液氣比對系統NOx減排量和余水回收量的影響

3.3 經濟效益分析

系統通過加入熱泵與空氣加濕塔等設備，在實現鍋爐煙氣冷凝余熱回收的同時兼具促進煙氣低氮排放的能力。但這些設備會增加系統投資，投入主要包括熱泵、空氣加濕塔、余熱回收塔、水泵、管道、閥門等設備和材料的費用，試驗用系統總費用共7540CNY。收益主要包括燃氣節約費和余水回收及煙氣降氮帶來的環保效益。以NOx排放濃度最低工況，結合燃氣節約成本、運行成本以及系統總費用，按式(12)～式(19)計算試驗系統的投資回收期。以北京地區為例，燃氣價格按北京市2022 年冬季非居民用氣價格計算，電價按2021年1月北京城區非居民銷售電價計算，各階梯時段為8h，具體參數見表2。

表2 運行成本計算參數

系統投資回收期受燃氣價格和電價波動較大，具體計算結果見表3。根據計算，試驗系統最短投資回收期為4年。

表3 投資回收期計算結果

試驗系統在冷凝器側熱網回水溫度較低、流量較大時供熱效率高，運行費用較低。如果在有低氮改造環保補貼政策的地區應用該系統，投資回收期將會大大縮短。因此，熱泵型煙氣余熱回收與降氮系統具有顯著的經濟效益。

4 結論

熱泵型煙氣冷凝余熱回收與降氮協同處理系統可以同時解決燃氣鍋爐余熱回收與低氮排放問題。搭建試驗臺并測試分析了不同工況下系統的運行效果，試驗研究結論如下。

（1）增大助燃空氣含濕量可以有效降低NOx排放濃度。在鍋爐維持90%供熱負荷下，助燃空氣含濕量為59.5g/kg 時，NOx排放濃度可降低至39.7mg/m3，減排效率可達60.6%?？赏ㄟ^增大液氣比實現助燃空氣含濕量增加。

（2）助燃空氣加濕可提高煙氣露點溫度，余熱回收塔在熱網回水溫度較高時仍能保持較好的換熱效果，會增大加濕水得熱量，有利于提高降氮效果。但會減少余熱回收量，系統余熱回收效率會降低。試驗工況下煙氣露點溫度最高可達64℃，系統余熱回收效率則降至6.4%。

（3）增大熱網回水流量或降低回水溫度均可以提高系統余熱回收效率和熱泵COP，降低排煙溫度。當熱網回水溫度為40.0℃、流量為1853.0L/h時，系統余熱回收效率和熱泵COP 分別為6.9%和3.1；排煙溫度降至24.5℃，系統具有顯著的余熱回收效果。

（4）助燃空氣加濕降氮會降低鍋爐供熱效率。利用熱泵回收煙氣余熱可以抵消降氮運行時鍋爐的供熱效率下降，使得試驗工況下系統的供熱效率均高于未加濕時的鍋爐熱效率，系統整體供熱能力得到提高。

（5）該系統在一個采暖季的NOx減排量為65.2～117.9kg/a，余水回收量為20.2～31.2t/a。該系統的最短投資回收期約為4年，具有較好的節能、環保與經濟效益。