燃氣鍋爐煙氣冷凝水回收利用分析

雷鑫　耿愛民　孔祥渠

摘要：以北京市某熱源廠實際運行情況為例，燃氣鍋爐的煙氣在經過深度余熱利用機組后，煙氣溫度從76.5℃降至30℃時，伴隨煙氣中的水蒸氣大量冷凝析出。文章通過分析煙氣冷凝水的化學成分，對冷凝水采用加堿、除鐵等深度水處理后，作為燃氣熱水鍋爐的熱網補水，同時大量冷凝水回收利用可減少熱源廠的自來水耗量，節約運行成本。

關鍵詞：煙氣深度余熱利用；水質平衡器；除鐵過濾器；節水減排；燃氣鍋爐 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK223 文章編號：1009-2374（2016）21-0087-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.042

1 概述

資源節約和環境保護是我國的基本國策，節能減排是建設資源節約型、環境友好型社會的必然選擇。近年來，隨著社會的日益發展與進步，國家對資源節約、環境保護、能源的綜合利用等方面的要求逐步提高。

在供熱行業，燃氣鍋爐相對于燃煤鍋爐具有污染更小、熱效率更高等優勢，因此在北京，燃氣鍋爐基本已經替代燃煤鍋爐作為供熱的主要熱源存在。天然氣在鍋爐中燃燒過程中，約92%左右能量轉化為熱量、1%左右表面散熱損失掉，其余7%左右為排煙熱損失。因此深度回收煙氣的余熱，是現在燃氣鍋爐清潔節能改造的重中之重。煙氣中的余熱有很大一部分存在于水蒸氣潛熱之中，在降低煙氣溫度、回收顯熱的同時，將煙氣中的水蒸氣潛熱回收才能做到真正的煙氣全熱回收。燃氣鍋爐高溫煙氣的水蒸氣處于未飽和的狀態，因而必須通過降溫使水蒸氣冷凝析出。

深度余熱利用是指以天然氣作為驅動源，采用回收型熱泵機組，將鍋爐排煙從80℃降至30℃，回收煙氣中大量的水蒸氣冷凝潛熱，加熱熱網回水，從而節省燃氣鍋爐的燃氣耗量，達到節能減排的雙重效果，并大幅消減PM2.5霧霾形成物的排放。

天然氣主要成分為烷類、氮氣及二氧化碳，因此燃氣鍋爐在煙氣降溫過程中，煙氣冷凝水的pH為酸性。經過幾個熱源廠的調研，大部分運行方只把冷凝水收集，簡單處理后直接排入市政污水系統，造成水資源的嚴重浪費。

本文以北京市某熱源廠實際運行情況為例，通過對燃氣鍋爐的煙氣進行分析，煙氣在經過深度余熱利用機組后，溫度從76.5℃降至30℃時，伴隨煙氣中的水蒸氣大量冷凝析出。通過對煙氣冷凝水的化學分析，采用加堿、除鐵等方式深度水處理后，作為燃氣熱水鍋爐的熱網補水。在回收煙氣余熱的同時，回收利用大量冷凝水，不僅提高了鍋爐的供熱效率，還減少了熱源廠的自來水耗量，節約了運行成本，具有良好的環境效益、社會效益和經濟效益。

2 煙氣冷凝水水質分析

以北京某熱源廠為例，場內安裝3臺116MW燃氣熱水鍋爐，額定設計壓力為P=2.45MPa，熱網運行供回水溫度為130℃/70℃。每臺鍋爐尾部設計安裝一個換熱型的煙氣冷凝器，排煙溫度約80℃。為了進一步回收煙氣廢熱，來年增設一套供熱量9MW的煙氣深度余熱回收機組。煙氣深度余熱回收機組以熱源廠上一供暖季的試運行參數為設計工況：鍋爐實際供回水溫度為95℃/55℃，鍋爐煙氣冷凝回收裝置后進入余熱回收機組的排煙溫度76.5℃。進入機組的煙氣流量按

39929Nm3/h設計，回收的鍋爐煙氣熱量約3.0MW。在實際運行工況下，煙氣降溫過程產生約4t/h的冷凝水。熱源廠運行方只是把冷凝水簡單加藥處理后直接排入市政，造成大量水資源的浪費。

經對本熱源廠的煙氣冷凝水水質報告中可以看出，水質pH值偏低，硬度及濁度偏高，全鐵超標。其成分見表1煙氣冷凝水中化學成分含量表：

3 煙氣冷凝水處理方案及回收效果分析

3.1 煙氣冷凝水處理方案

本方案擬對冷凝水加堿、除鐵等深度處理后，作為燃氣熱水鍋爐補水進入熱網。處理后的水質滿足《工業鍋爐水質》（GB/T 1576-2008）中熱水鍋爐鍋外加藥標準。見表2采用鍋外水處理的熱水鍋爐水質。

根據進水水質條件和出水水質要求，并結合項目投資成本和長期運行費用的綜合平衡比較，確保設備長期運行的可靠和穩定為前提下，確定以水質平衡器加吸附除鐵過濾器水處理工藝為冷凝水處理方案。其主要工藝流程如下：煙氣冷凝水來水→收集→pH調節裝置→冷凝水箱+水質平衡器→過濾增壓泵→吸附除鐵過濾器→全自動軟水器→軟化水箱→除氧水泵→除氧器→熱網補水泵→熱網。

其中軟化水箱及以后水處理設備可與原廠區水處理設備共用。

輔助工藝流程：

過濾器反洗系統：集水容器→反洗水泵→過濾器反洗進口。

過濾器氣洗系統：壓縮空氣→除鐵過濾器進氣口。

水質平衡器溶氣系統：風機→水質平衡器溶氣進

氣口。

3.1.1 pH調節裝置。通過在產水中加入NaOH，調節pH值至7～11，滿足低壓熱水鍋爐進水pH要求。

pH調節裝置設置計量泵及溶液箱。配置必要的閥門及管路。

該加藥裝置與系統供水實現連鎖控制。

3.1.2 水質平衡器。水質平衡器及其輔助設備，包括水質平衡器及其內部裝置、外部裝置、就地儀表、閥門、管系等。

水質平衡器是包含曝氣氧化和水質分層分離的水處理工藝，主要針對水源水體中二價鐵和三價鐵，通入大量新鮮空氣，使水中的氧氣迅速氧化二價鐵轉變成不溶于水的三價鐵，然后經后續的過沉淀方式除去，二氧化鐵轉化為三氧化鐵的轉化率大于95%。

3.1.3 除鐵過濾器。除鐵過濾器表面極易吸附冷凝水中的Fe（OH）3沉淀物，在填料表面逐漸形成一層鐵質濾膜作為活性濾膜，對Fe2+起到氧化催化作用。活性濾膜是由R型羥氫化鐵R-FeO（OH）所構成，它能迅速與水中Fe2+進行離子交換反應，并置換出等當量的氫

離子。

Fe2++FeO（OH）=FeO（OFe）++2H+

結合到化合物中二價鐵，隨即迅速地進行氧化和水解反應，又重新生成羥其氧化鐵，使填料表面的催化物質不斷得到再生。

Fe0（OFe）++O2+H2O=2FeO（OH）+H+

新生成的羥基氧化鐵作為活性濾膜物質又參與新催化除鐵過程中，所以活性濾膜除鐵過程也是一個自動催化過程。

除鐵過濾器下布水采用多孔板、上布水采用喇叭口形式，配套壓力儀表和必備的閥門。

3.1.4 全自動軟水器。酸性冷凝水經加堿、除鐵后，進入軟水器軟化，再除氧加壓作為補水進入熱網。軟水器與廠區原有軟水器分開，是為了避免自來水與冷凝水串水問題。

3.2 煙氣冷凝水處理效果分析

水質平衡器加吸附除鐵過濾器工藝處理后的冷凝水水質完全滿足燃氣熱水鍋爐鍋外水處理的補水要求，減少了熱源廠的自來水消耗。由水處理工藝來看，冷凝水回收利用只有加堿、除鐵等兩項主系統，主要系統能耗只有設備的耗電量及化學藥劑的耗量。還以北京某熱源廠為例，冷凝水回收利用工藝全年的經濟性分析如下：

按北京市全年采暖天數123來計，全年采暖平均負荷率為0.726，全年可回收冷凝水量為4×123×24×0.726=8572.6t/a，年節約水費為8572.6×5.6=48006.56元，其中自來水水費按工業自來水價格計。

經核算此水處理工藝設備投資約10萬，冷凝水加藥處理成本為0.5元/t，冷凝水處理耗電電費為0.5元/t。全年水處理運行費用為（0.5+0.5）×8572.6=8572.6元。

在不考慮人工費用、設備折舊及排污費的情況下，鍋爐房連續運行時，冷凝水水處理項目投資回收期約10×10000÷（48006.56-8572.6）=2.6年。

4 結語

隨著2013年9月17日環保部、發展改革委等六部門聯合印發《京津冀及周邊地區落實大氣污染防治行動計劃實施細則》的頒布，鍋爐房清潔節能改造即煙氣深度余熱利用項目越來越多。項目通過進一步回收燃氣鍋爐煙氣廢熱，提高了熱源廠能源綜合利用效率。在降低能源消耗的同時，也伴隨著偏酸性的煙氣冷凝水大量產生，如果不加以對冷凝水的利用，直接簡單加堿之后排入市政污水管網，是對水資源的極大浪費。

根據北京市某熱源廠燃氣鍋爐煙氣深度余熱利用項目的實際運行情況，并分析煙氣冷凝水的化學成分，在經過加堿、除鐵等深度水處理后，冷凝水完全滿足燃氣熱水鍋爐鍋外水處理的補水水質要求。同時大量冷凝水回收利用可減少熱源廠的自來水耗量，節約運行成本，具有良好的環境效益、社會效益和經濟效益。

參考文獻

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[5] 工業鍋爐水質（GB/T 1576-2008）[S].

[6] 污水再生利用工程設計規范（GB 50335-2002）[S].

（責任編輯：王 波）