燃氣鍋爐煙氣余熱深度回收系統應用案例分析

文_王寧 張佳男 張愛琴 許慶合 洛陽雙瑞特種裝備有限公司

1 基于吸收式熱泵的煙氣余熱回收技術

煙氣中的余熱有很大一部分存在于水蒸氣潛熱中，而燃氣鍋爐正常排煙中的水蒸氣處于未飽和狀態,因而需要將煙氣溫度降低到對應的露點溫度以下，使水蒸氣冷凝，同時釋放汽化潛熱。對于天然氣鍋爐煙氣，露點溫度一般在55～60℃。因此，在該余熱深度回收項目中采用吸收式熱泵制取低溫中介水與溫度較高的鍋爐排煙在直接接觸式換熱器中進行接觸式換熱，將煙氣熱量帶入熱泵機組，熱泵機組利用驅動能源熱量和煙氣熱量加熱熱網回水。由于低溫中介水溫可降至20℃以下，直接接觸式換熱器的換熱溫差又較小，從而能夠有效地降低排煙溫度，深度回收煙氣中的余熱。

2 工程概況及改造技術方案

2.1 工程概況及項目設計條件

天津市某供熱站現有三臺額定熱功率10.5MW的燃氣熱水鍋爐，供熱面積25.94萬m2。鍋爐房現有三臺鍋爐,運行方式為兩用一備，即整個采暖季，最大負荷時，只同時運行兩臺鍋爐。燃氣鍋爐已安裝煙氣節能器，節能器出口排煙溫度約為60℃。

本項目針對3臺燃氣鍋爐實施深度節能改造，擬在鍋爐房內增設1臺余熱回收專用機組，回收鍋爐房3臺燃氣熱水鍋爐的排煙余熱，用于區域集中供熱。

2.2 節能潛力分析

本次改造的主要目的是回收煙氣的冷凝熱。當煙氣排煙溫度高于煙氣的露點溫度時，回收熱量主要以煙氣顯熱為主，單位溫降釋放的熱量較少；當煙氣溫度低于露點溫度時，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溫度降溫至 25℃時，系統供熱效率可提高10%以上，具有很高的節能潛力。同時，冷凝水經簡單水處理后可以回收利用，排煙中水蒸氣的含量大幅度降低，避免冒“白煙”現象。

2.3 工藝方案設計

熱力站原供熱系統中僅采用煙氣節能器對煙氣顯熱進行回收，煙氣中水蒸氣攜帶大量的汽化潛熱未能被回收。因此，煙氣深度余熱回收方案選擇在鍋爐房安裝煙氣余熱回收專用機組（直燃熱泵）和煙氣直接接觸式換熱器（工藝流程如圖1所示），直燃熱泵制取低溫中介水送入直接接觸式換熱器，低溫中介水將燃氣鍋爐及熱泵產生的煙氣降溫至25℃回收熱量升溫后，再經循環泵送入熱泵作為低溫熱源，完成不斷的吸熱-放熱循環過程。熱網回水分兩支，一支進入熱泵機組，經熱泵升溫后與另外一支混合再一起進入鍋爐加熱。考慮到煙氣中存在較多的NOx，溶于水中的NOx使煙氣冷凝水呈酸性，因此增加一套加堿裝置調節冷凝水的pH值，避免對設備產生腐蝕。直燃型吸收式熱泵機組設計參數如表1。

表1 直燃型吸收式熱泵設計參數

2.4 運行效果分析

煙氣深度余熱回收系統的測試時間為2018年1月27日～2018年2月25 日，共計30天。

2.4.1 系統運行的穩定性

圖2為實測的煙氣余熱系統的溫度數據。由圖2可以看出，熱網供水溫度基本穩定在60～75℃之間；回水溫度的波動范圍為40～50℃；系統最終排煙溫度波動范圍為20～30℃之間。可見，在測試期間，排煙溫度和熱網供回水溫度變化較為穩定，系統運行狀況正常。

2.4.2 鍋爐供熱量及熱泵供熱量

對3臺鍋爐總的供熱量和熱泵機組的供熱量進行統計，統計結果如圖3所示。

在統計期內，3臺鍋爐采用兩用一備的運行方式。鍋爐供熱量最大為818GJ/d，最小為486GJ/d，平均673GJ/d，統計期內總供熱量為2.02萬GJ。

熱泵機組余熱回收熱量與鍋爐的供熱量的趨勢基本一致，熱泵的供熱量最大為170GJ/d，最小為152GJ/d，平均164.5GJ/d，統計期內總供熱量為0.49萬GJ。熱泵的供熱量約占總供熱量的24%。

2.4.3 系統余熱回收量

分別采集熱泵燃氣流量計數據及熱泵供熱量數據，并按照燃料熱值35.578MJ/Nm3進行折算，分析整理得到測試期間回收煙氣熱量的變化曲線。如圖4所示，測試期間內，系統的余熱回收量最大為68.3GJ/d，最小為54.7GJ/d，平均回收煙氣余熱62.7GJ/d。整個測試期內，總節能量為0.2萬GJ，占總供熱量的8%。

3 項目節能減排效益

3.1 節能效益

從統計分析的各項數據來看，熱泵機組運行的30d內，平均每天從煙氣中回收62.7GJ 熱量，在測試周期內(按照30d計算)，回收熱量將達到1881GJ，折合成天然氣相當于5.3萬m3。在測試期內，本工程需增加鍋爐房電耗約1.73萬kW·h。按當地天然氣價格為 1.91元/Nm3，電價為0.8元/kW·h,則測試期內本項目節省天然氣費用約10.1萬元，增加電耗約1.38萬元，綜合節省費用約8.72萬元。考慮初末寒期設備不能滿負荷運轉，全年按90d供暖進行計算，全年節能收益約為26.16萬元。

3.2 減排效益

采用該系統回收煙氣余熱，減少了天然氣的耗量，相應地也減少了NOx等污染物的排放量。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呈酸性，只需要加入堿性物質進行中和，就可以達到中水水質要求進行排放或他用。同時，煙氣中的水蒸氣被低溫水冷凝后，大部分從煙氣中脫除。根據實際測試的數據，煙氣溫度可降至25℃，此時，煙氣中83.2%以上的水蒸氣發生了凝結，達到消除“白煙”的目的。

4 結語

實踐表明采用直燃熱泵機組對大型燃氣鍋爐的排煙進行深度回收利用，能將煙氣的溫度降至25℃，并能有效回收煙氣攜帶的顯熱和水蒸氣攜帶的大量潛熱，供熱效率顯著提高，在實現經濟效益的同時，煙氣中的83%以上的水蒸氣被脫除，有效解決了冬季供暖中燃氣鍋爐冒“白煙”現象，凈化了煙氣，減少NOx的排放，對于緩解能源壓力、改善空氣質量，具有重要的現實意義。