集中供熱燃氣鍋爐房煙氣余熱深度回收技術研究與應用

[摘 要]“雙碳”目標下，深度挖掘鍋爐煙氣余熱資源已成為集中供熱領域節能降碳的重要手段。作為首都最早從事區域集中供熱的企業之一，北京天岳恒房屋經營管理有限公司以自身運營管理的燃氣鍋爐房為試點，通過開展煙氣余熱深度回收技術研究與應用，研發了一套適配的裝置和技術方案，成功挖掘出燃氣鍋爐的節能潛力，在降低天然氣消耗的同時，徹底解決了冬季供熱鍋爐煙囪冒“白煙”的現象，極具推廣價值。

[關鍵詞]“雙碳”目標；集中供熱；燃氣鍋爐房；煙氣余熱回收

一、公司簡介

北京天岳恒房屋經營管理有限公司（簡稱“天岳恒”）成立于1976年，注冊資金2150萬元，為北京首都開發控股（集團）有限公司旗下三級全資子公司，主營業務包括物業管理、工程施工、鍋爐供暖運營服務等。

作為首都最早從事區域集中供熱的企業之一，天岳恒連續多年被行業主管部門評為先進供熱企業，現為北京市供熱協會副理事長單位、北京物業管理行業協會副會長單位。截至2023年8月，公司在管的鍋爐房/換熱站有近200處，總供熱面積達1300余萬平方米，供熱服務覆蓋首都13個區14余萬戶居民。

近十年來，天岳恒先后實施了供熱節能運行、智慧供熱改造、鍋爐低氮改造、熱工儀表檢測、工程管理、配電設備技改選型等幾十項科技創新項目，并高質量完成了鍋爐房煤改氣、油改電、節能減排等多項大型技改提升工程，成為供暖行業安全標準化示范企業。

二、實施背景

2020年9月22日，習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話時宣布，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。這充分彰顯了中國積極應對氣候變化、走綠色低碳發展道路的堅定決心，也為我國能源高質量發展指明了前進方向。

隨后，“碳達峰”“碳中和”工作成為2020年12月召開的中央經濟工作會議重點部署的八大任務之一，并被首次寫入2021年政府工作報告。

“雙碳”目標下，北京市發展改革委等十一部門于2022年聯合印發《北京市進一步強化節能實施方案（2023年版）》，明確提出要實現新能源供熱多元有序發展，充分挖掘城市余熱資源，推動余熱熱泵供熱系統建設。

數據顯示，截至2022年底，北京市供熱面積已達7.2113億平方米，天然氣等能源消耗巨大。有研究表明，通過提高區域供熱鍋爐房能源利用率，挖掘鍋爐煙氣余熱資源，可以有效減少一次能源消耗。

鑒于此，天岳恒選取位于豐臺區的某集中供熱燃氣鍋爐房為試點，實施煙氣余熱深度回收技術研究。該鍋爐房裝有4臺29兆瓦、1臺14兆瓦燃氣熱水鍋爐，總裝機容量為130兆瓦，供熱面積125.45萬平方米，其中居民供熱面積73萬平米，覆蓋用戶9700余戶。

經調研，項目組發現該鍋爐房的鍋爐本體雖然安裝有煙氣余熱回收裝置，但是采用的是傳統型換熱方式：一次熱網回水通過表面式換熱器與高溫煙氣熱交換，將鍋爐排煙溫度從150攝氏度降低到85攝氏度左右。這一方式雖然有一定的節能效果，但依舊存在煙氣排放熱損失較高的問題。

項目組認為如果針對燃氣鍋爐燃燒產物的特點，研究利用煙氣中水蒸氣汽化潛熱的技術，就能充分挖掘出燃氣鍋爐的節能潛力。

三、目標與內涵

天岳恒實施煙氣余熱深度回收技術研究與應用，主要是為了進一步降低燃氣鍋爐煙氣排放熱損失，充分利用煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，繼續挖掘燃氣鍋爐的節能潛力，降低天然氣能源消耗，節約能源成本，減少二氧化碳排放，提高燃氣鍋爐熱效率，徹底解決冬季供熱鍋爐煙囪冒“白煙”現象。

項目組計劃研制一套深度煙氣余熱回收裝置，并安裝于鍋爐房內，通過大幅降低鍋爐排煙溫度至水蒸氣的露點溫度，使水蒸氣發生相變放熱，同時回收水蒸氣相變過程中的汽化潛熱。

本項目符合北京市《關于印發進一步加快熱泵系統應用推動清潔供暖實施意見的通知》要求，對于改善首都大氣環境質量，實現供熱節能減排目標，促進豐臺區經濟、社會、環境全面協調發展具有重要意義。

四、主要做法

（一）增設深度余熱回收機組，降低排煙溫度，提高鍋爐效率

作為燃氣鍋爐的燃料，天然氣是一種由多種氣體組成的混合物，其中主要成分是甲烷。

項目組研究發現，在不同過量空氣系數下，天然氣低位熱值效率會隨排煙溫度的變化而變化，排煙溫度越低，天然氣利用效率則越高；當排煙溫度低于煙氣中水蒸氣露點溫度時，水蒸氣大量冷凝放出汽化潛熱，天然氣利用效率就會急劇升高；當排煙溫度降到25攝氏度，可使天然氣低位熱值效率提升10%～15%。因此，回收煙氣余熱最重要的是回收排煙中水蒸氣的汽化潛熱，且排煙溫度越低煙氣余熱回收越多。（如圖1所示）

基于此，項目組研制了一套深度煙氣余熱回收裝置，并安裝于鍋爐房內。

該套裝置采用溴化鋰吸收式熱泵技術，機組設備主要有1臺額定余熱回收功率為6兆瓦的溴化鋰吸收式熱泵、2臺鍋爐噴淋塔（煙氣直接接觸式換熱器）、1臺熱泵噴淋塔、3臺45千瓦的循環泵、1套自動加藥設備及配電柜等組成。

其中，溴化鋰吸收式熱泵作為深度余熱回收裝置的動力源，溴化鋰為吸收劑，水為蒸發劑，在低壓真空狀態下利用水與溴化鋰沸點不同的特性進行換熱，再以煙氣換熱的低溫熱水作為系統低溫熱源，在蒸發器內釋放熱量降溫完成熱量轉移。整套裝置利用吸收式熱泵及換熱器提取鍋爐排煙的顯熱和水蒸氣冷凝時釋放的汽化潛熱。

該套裝置還采用了煙氣冷凝熱能回收裝置與吸收式熱泵聯合運行的方式。其中，煙氣冷凝熱能回收裝置與熱泵機組蒸發端形成閉路循環，熱泵機組的冷凝端用于加熱一次熱網回水，實際運行中可提高一次熱網回水水溫10攝氏度左右，可實現熱量品位的提升，極大地減少鍋爐燃氣耗量。

鍋爐噴淋塔選擇煙氣直接接觸式換熱器（工作原理如圖2所示）。換熱器中的低溫循環水由溴化鋰吸收式熱泵產生，溫度遠低于煙氣露點溫度。循環水自上而下噴淋，煙氣自下而上流動，換熱后煙氣的溫度可下降至30攝氏度左右。在煙氣換熱過程中，大量的水蒸氣冷凝相變釋放潛熱，同時也消除了鍋爐煙囪冒“白煙”的現象。

（二）回收利用冷凝水，節約水資源

項目組在鍋爐房加裝的煙氣冷凝熱能回收裝置與熱泵機組蒸發端形成閉路循環，回收冷凝水的所有環節都采用封閉的形式進行，不與大氣直接接觸，回收利用率極高。

此外，每個供暖季能產生約1.7萬噸冷凝水，遠超供熱系統所需的補水量。回收冷凝水不僅可以減少鍋爐軟化補水量，減輕水處理系統的負荷，還能夠提高鍋爐進水溫度。有研究表明，鍋爐給水溫度每提高6攝氏度，可節省1%的燃料。因此，回收冷凝水具有可觀的利用價值。

另外，在進行煙氣與冷凝水換熱時，煙氣中的可溶物質溶于水中，會導致冷凝水顯酸性。

通過自動加藥裝置，對熱源水進行中和處理，可調節熱源水pH值，降低硬度，使其達到系統補水要求。然后，通過一網補二網的方式，實現冷凝水的回收利用。

在實際補水過程中，基于二次外網每個熱力站點的壓力不同，可以將補水泵與電動閥結合，來實現系統自動補水。同時，通過為水箱加裝保溫和加熱設備，解決冬季水箱結凍問題。

（三）優化供熱系統煙路、水路，提高系統自控能力

為更好地吸收煙氣余熱，項目組將4臺29兆瓦的鍋爐煙道匯聚至一個排放口，以便于煙氣全部通過煙氣余熱回收機組進行回收。同時，結合鍋爐房供熱范圍內居民用熱和非居民用熱的運營特點，對一次循環水路進行改造，實現了將鍋爐房煙氣回收的所有熱量全部應用到居民側供熱系統中，進一步提高居民供熱保障能力。

為便于掌控機組的運行工況，項目組在熱泵原有基礎上加裝了系統上位機，采集、分析機組運行參數，為機組年度能效分析提供數據支持。

另外，針對運行過程中一臺噴淋塔運行時，停運的噴淋塔產生散熱損失，出現循環水溫度降低的問題，項目組還加裝了噴淋控制閥門，實現對噴淋塔的單獨控制，從而減少了不必要的熱損失。

五、實施成效

天岳恒研制的煙氣余熱回收裝置投入運行以來，取得了顯著的經濟效益、環境效益和社會效益。

（一）經濟效益

通過對裝置投入運行前后的兩個采暖季進行數據對比，可以發現2022- 2023采暖季比2021- 2022采暖季每平方米氣單耗降低0.6 立方米、電單耗升高0.11 千瓦時，鍋爐平均熱效率由95%上升至109%，鍋爐排煙溫度由85攝氏度降低至35攝氏度。（如表1所示）

2022- 2023采暖季煙氣余熱深度回收機組共產生10.10萬吉焦的熱量，其中機組消耗燃氣產生的熱量為6.95萬吉焦，煙氣余熱回收產生的熱量為3.15萬吉焦。另外，余熱回收過程中產生冷凝水約1.7萬噸，可回收利用0.47萬噸用于供熱系統補水。

2022- 2023采暖季節約天然氣費用258.54萬元，節約水費4.47萬元，增加電費34.26萬元，合計節約費用228.75萬元。（如表2所示）

（二）環境效益

2022- 2023采暖季煙氣余熱回收的熱量折合天然氣約為89.77萬立方米，折合標準煤可節約1193.94噸。這意味著減少了1943.52噸標準煤的二氧化碳排放量。

（三）社會效益

北方地區冬季集中供熱耗熱量巨大，通過給供熱燃氣鍋爐房安裝余熱深度回收裝置，可有效提高能源利用率，節約一次能源消耗，并消除了煙氣中的粉塵及冒“白煙”現象，具有顯著的社會效益。該套裝置可在符合條件的鍋爐房進行安裝，具有較高的推廣應用價值。

六、主要創新點

（一）技術創新點

煙氣余熱深度回收技術的研究與應用是區域集中供熱領域的一次創新性實踐。

其中，裝置中的吸收式熱泵采用了多級蒸發和多級吸收的結構形式，更適配于鍋爐隨供暖負荷、環境溫度的變化波動而產生的變工況運行。

噴淋換熱的煙氣與冷卻水之間的換熱端差可達2攝氏度以內，比傳統的換熱溫差降低了60%，能夠大幅度減少換熱面積，降低換熱成本。在換熱的同時，還可降低煙氣污染排放，實現余熱回收與減排一體化。

另外，該項目使用了吸收式熱泵+直接接觸式換熱器相結合的新流程，建立了一套高效供熱系統流程設計和運行控制方法，不僅徹底解決了煙氣換熱過程中的腐蝕問題，同時保證了在采暖季不同工況下系統設備的穩定運行。

（二）運行創新點

在裝置運行中，項目組發現將4臺29兆瓦的鍋爐煙道匯聚至一個排放口，使煙氣全部通過煙氣余熱回收機組進行回收，可有效提高煙氣余熱回收效果。

為了解決熱泵冬季運行時無法單獨控制噴淋塔，導致產生散熱損失和循環水溫度降低的問題，項目組在機組中加裝噴淋控制閥門，實現對噴淋塔的單獨控制，提高了機組運行效率。

結合供暖范圍的運營特點，項目組還對一次循環水路進行了改造，確保鍋爐房煙氣回收的所有熱量全部應用到居民側供熱系統中，進一步提高了鍋爐熱效率和居民側供熱保障能力。

此外，為了便于掌控機組的運行工況，項目組在熱泵原有基礎上加裝系統上位機，為機組年度能效分析提供了數據支持。

七、展望與思考

隨著大數據、云計算、人工智能、區塊鏈、物聯網等新一代數字技術的快速發展和廣泛應用，智能供熱也開始成為集中供熱的重要發展方向。

本項目雖然取得了顯著的經濟效益、環境效益和社會效益，但是要想有新的突破和更大的提升，必須引入新理念、新技術，建立智能供熱系統。例如，在源、網、站、戶采用物聯網技術，實現供熱設備的遠程監控和數據采集，提高管理效率；通過云計算技術，對供熱運行中的數據進行計算，實現資源的動態管理和按需分配；運用大數據技術，對供熱數據進行挖掘和分析，為供熱決策提供科學支持；在平臺中嵌入人工智能技術，實現故障預測的功能，可以有效地提高供熱系統應變能力，提高供熱品質，降低供熱投訴量。

編輯/王盈 統籌/簡單