基于熱泵技術的燃氣鍋爐余熱回收節(jié)能效益分析

梁鵬飛郝世超張 沖梅 亮

中船重工（上海）新能源有限公司

1 前言

燃氣鍋爐排放煙氣中含有大量的水蒸氣，其氣化潛熱占天然氣低熱值的比例達到10%～11%，這部分水蒸氣排入大氣后冷凝，形成“白煙”現(xiàn)象，促使PM2.5排放指數(shù)增加。因此，深度回收利用包括水蒸氣氣化潛熱在內的煙氣余熱對節(jié)省能源和減少污染物排放量都有重要意義。

針對燃氣鍋爐煙氣余熱回收，可以采用的技術是加裝冷凝換熱器和空氣預熱器，但實際使用中受到熱網回水溫度和空氣溫度的限制，余熱回收效果非常有限[1-4]。采用文獻[5-7]中提到的熱泵技術，可有效將煙氣余熱深度回收，將水蒸氣大部分潛熱轉移至供暖熱水側。本文針對某燃氣供熱鍋爐的節(jié)能改造項目，采用直燃式熱泵回收燃氣鍋爐排煙余熱，對技術指標和節(jié)能效益進行了分析評價。

2 技術方案

2.1 燃氣鍋爐指標

本項目針對58MW燃氣供熱鍋爐實施深度節(jié)能改造，燃氣鍋爐的基礎數(shù)據(jù)見表1：

表1 燃氣鍋爐基礎數(shù)據(jù)表

2.2 節(jié)能潛力分析

當煙氣排煙溫度高于煙氣的露點溫度55℃時，回收熱量主要以煙氣顯熱為主，單位溫降釋放的熱量較少。當煙氣溫度低于55℃時，煙氣中的水蒸氣開始凝結，放出熱量比較集中。經測算本改造項目排煙從110℃降溫至30℃時，煙氣余熱回收率為10%～13%，具有很高的節(jié)能潛力。

2.3 工藝方案設計

吸收式熱泵在天然氣燃燒高溫熱源的驅動下制取低溫冷水，鍋爐的煙氣作為吸收式熱泵的低溫熱源在噴淋塔內同低溫冷水進行直接接觸式換熱，由于冷水的溫度較低，因此煙氣的溫度可以降至25℃甚至更低。該技術突破了熱網回水溫度的限制，可應用于回水溫度較高的供熱系統(tǒng)中。

圖1為煙氣余熱回收系統(tǒng)的工藝流程原理圖。燃氣鍋爐供熱系統(tǒng)中增設了余熱回收裝置，該裝置主要包括直燃型熱泵、接觸式換熱器、水泵和閥門等其他附屬設施，同時增設了兩條煙管將余熱回收裝置與鍋爐排煙管路相連，煙氣閥1和煙氣閥2均設置在這兩條煙管上，在原排煙管路上增設煙氣閥3。當煙氣余熱回收系統(tǒng)投入運行時，煙氣閥1和煙氣閥2開啟，煙氣閥3關閉。鍋爐煙氣和直燃型熱泵的煙氣混合后進入接觸式換熱器，同直燃型熱泵所制取的用于噴淋煙氣的冷水進行接觸式換熱，煙氣可被噴淋水冷卻至25℃，然后排入大氣。在噴淋水路中，噴淋水在接觸式換熱器中同煙氣換熱后溫度升高，通過噴淋水泵送入直燃型熱泵進行降溫，然后返回接觸式換熱器繼續(xù)冷卻煙氣。在熱網回水管道中，水閥1關閉，水閥2、3開啟，熱網回水首先進入直燃型熱泵進行加熱，然后進入燃氣鍋爐加熱，送至用戶處供熱。

圖1 煙氣余熱回收系統(tǒng)工藝流程原理圖

2.4 主要設備選型

2.4.1 熱泵選型

熱泵形式可采用電壓縮式熱泵或吸收式熱泵。根據(jù)鍋爐容量的不同，適宜選取不同類型的熱泵，0.01～10MW的鍋爐適用于選用電壓縮式熱泵形式。吸收式熱泵投資成本較高且占用安裝空間較大，適用于更大規(guī)模燃氣鍋爐煙氣余熱回收。

經測算在相同等效能源利用率下，氣電價格比小于8時，吸收式熱泵系統(tǒng)經濟性優(yōu)于電驅動壓縮式熱泵系統(tǒng)。

本項目規(guī)模負荷大于10MW，氣電價格比小于8，此外，直燃式熱泵可與燃氣鍋爐公用燃料，因此本項目采用直燃吸收式熱泵。

2.4.2 接觸式換熱器

本項目中與煙氣的換熱采用了直接接觸式換熱器，煙氣和水逆向流動，煙氣自下而上流動，而水自上而下運行，相對于間壁式換熱方式，其優(yōu)勢在于：極大地增加了氣－液兩相接觸面積，瞬間完成傳熱和傳質，達到強化換熱、減少換熱空間的目的。采用接觸換熱技術后，煙氣和水在很小溫差下即可實現(xiàn)穩(wěn)定接觸換熱，不需用金屬換熱面，減小了換熱器的體積，大幅度降低了換熱器成本。

向下噴淋的水是從上部的配水管流出，為保持向下噴灑均勻，配水管上安裝定制的噴灑器，細小的水柱落到人字形擋水板上有被進一步破碎成更細微的液滴，最大限度地增加了和煙氣的接觸面積，為減少煙氣帶出水汽，在換熱器上部裝設了除霧器。

3 建設成本

項目建設成本主要包括吸收式熱泵、換熱塔、水泵、水處理器、煙道、水管、燃氣管道、電氣系統(tǒng)改造和設計施工等方面，經測算項目總投資約12 000 000元。

4 運營成本

此項目的運營成本包括以下幾個方面：

（1）用電成本：熱回收系統(tǒng)在實際運行中有一些設備需要消耗電能，主要包括循環(huán)冷卻水的主循環(huán)泵、噴淋泵和吸收式熱泵自帶的耗電部件，年電費支出約395 000元。

（2）藥劑成本：廢液排放前需要進行藥劑中和處理，藥劑費支出300 000元/年。

（3）檢修成本：根據(jù)產品手冊設備年度檢修費約20萬元/年。

（4）人員成本：本項目運行定員6人，可采用三班兩運制，年運行成本按100 000元/人年計，人員成本為600 000元/年。

（5）其他成本：暫不計其他成本。

5 運營收益

項目的直接效益為新增系統(tǒng)供熱的折算燃料量扣除熱泵消耗燃料量后的凈節(jié)約燃料量。所以運營收益由采暖期、鍋爐負荷率、燃氣價格等方面決定。各項目指標見表2。

6 敏感性分析

本項目敏感性分析是以投資回收年限做為評價指標，以4年回收期計算臨界點指標，見表3。

比較上面敏感度系數(shù)的絕對值，可以看出燃氣價格對項目效益指標的影響程度相對較大，其次分別是鍋爐負荷率和有效供熱時間，電價對項目收益影響相對很小。

7 節(jié)能減排效益

7.1 節(jié)能效益

在本項目中，熱泵回收的余熱量分為兩部分，分別是原鍋爐排煙的余熱和熱泵排煙的余熱，其中原鍋爐排煙回收的余熱功率為6.96MW，提高原燃氣鍋爐的12%的能效。熱泵排煙余熱回收1.34MW，熱泵的燃料也同樣的得到深度利用。

7.2 減排效益

采用該系統(tǒng)回收余熱，減少了天然氣的耗量，相應地也減少了污染物的排放量。在本項目中，相應減少CO2排放量約4 000t/a。另外，在接觸式換熱器內的噴淋過程中，煙氣中的不同污染物將會部分溶入噴淋水中，使得排煙中有害氣體含量降低，而噴淋水溶入污染物后，對其水質影響并不大，鍋爐煙氣中氮的氧化物主要是NO，NO2含量較少。只需要加入堿性物質如NaCO3、NaOH等進行中和，就可以達到中水水質要求進行排放或他用。本項目天然氣中不含硫，不設置專門的脫硫設備。

7.3 節(jié)水效益

煙氣降溫至30℃，每立方米天然氣可以脫除80%的水蒸氣 ，回收冷凝水1.24kg，在本項目中，凝結水總量為18 000t/a，凝結水經處理后可再利用。

表2 項目指標匯總表

表3 不確定因素分析表

8 節(jié)能效益計量方式

節(jié)能效益的計量方式見圖2，新增計量儀表有2#燃氣表、1#溫度變送、2#溫度變送、流量變送和電表，所有表計均應滿足國家相關標準，并經過標定和雙方認可。2#燃氣表每個月抄表計量。兩臺溫度變送和流量變送計量鍋爐給水側單月獲得的熱量，折合成燃料量后減去2#燃氣表記錄的月燃料消耗量，得到節(jié)約的燃料量，乘以燃料單價并扣除電費后作為客戶應返回的節(jié)能效益。

圖2 節(jié)能效益計量示意圖

9 結論

本項目針對燃氣鍋爐采用吸收式熱泵技術實現(xiàn)余熱深度利用，主要設備吸收式熱泵為成熟產品，直接接觸式換熱器做配套定制，整體技術風險較低，項目投資回收期為2.95年，具有良好的經濟效益。實現(xiàn)經濟效益的同時，煙氣中的水分被脫除約80%，解決了冬季供暖中燃氣鍋爐釋放白煙的問題，回收了水資源18 100t/a，凈化了煙氣和降低NOx排放，由此說明了采用熱泵技術進行燃氣鍋爐余熱回收具有很好的社會效益。