天津某燃氣鍋爐的煙氣余熱回收案例實測分析

于曉娟 闞德民 顧吉浩

摘要 結合天津市某煤改氣工程實例，進行了煙氣冷凝余熱回收裝置的跟蹤實測，調(diào)研了耗氣量、排煙溫度、煙氣含氧量、負荷率等實際參數(shù)，計算了煙氣冷凝余熱回收裝置的節(jié)能率、燃氣鍋爐的本體效率以及總效率。結果表明，當鍋爐的負荷率為49%～91%時，通過煙氣余熱回收技術，可以將排煙溫度從96.7～156.8 ℃降至49.9～60.6 ℃，煙氣冷凝余熱回收裝置節(jié)能率為3.9%～8.5%，鍋爐系統(tǒng)的低熱值總效率為95.9%～101.2%，達到了預期節(jié)能的效果。

關 鍵 詞 燃氣鍋爐；余熱回收；排煙溫度；含氧量；鍋爐效率

中圖分類號 TU995 文獻標志碼 A

0 引言

中國科學院數(shù)據(jù)顯示：2012年京津冀地區(qū)煤炭消費量為3.3 億t標煤，占全球陸地面積不到0.3%，卻燃燒了6%全球消費量的煤[1]。該地區(qū)能源消費尤其是煤炭消費量持續(xù)增長，已經(jīng)嚴重影響到該地區(qū)生態(tài)環(huán)境。為減少污染物排放，國家相關部委頒布了《京津冀大氣污染防治強化措施（2016—2017年）》《京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案》等行政措施[2]。為響應國家政策及環(huán)境需求，“煤改氣”工程在北方城市陸續(xù)實行。

天然氣具有優(yōu)質(zhì)、高效、低污染等特性，燃燒主要產(chǎn)物為CO2和H2O蒸汽，不含任何灰塵和顆粒物。但燃氣鍋爐設計的排煙溫度一般都在150 ℃以上[3]，排煙熱損失較嚴重，而煙氣中水蒸氣所攜帶的熱量占整個排煙熱損失的55%～75%。燃氣鍋爐排煙露點溫度約為58 ℃[4]，如果排煙溫度降到水蒸氣露點溫度以下，煙氣中水蒸氣凝結釋放潛熱，則可充分回收煙氣中的顯熱和潛熱，有利于提高經(jīng)濟效益。如何選擇更適宜的冷源降低排煙溫度，提高煙氣余熱回收的利用率亟待解決。

目前，燃氣余熱回收方式主要有2種：1）冷凝式換熱器吸收煙氣余熱；2）利用熱泵回收煙氣余熱技術。張群力等[5]指出，當前集中供熱系統(tǒng)中應用的煙氣余熱回收技術，大多采用的方式為在鍋爐尾部直接串聯(lián)煙氣余熱回收裝置。

本文以天津市某煤改氣工程為例，采暖期為120 d，供暖期室外計算溫度為-7 ℃，供熱系統(tǒng)的二次熱網(wǎng)設計供/回水溫度為75/50 ℃，實際運行的供/回水溫度為65/50 ℃。本系統(tǒng)采用在天然氣燃燒設備末端增設冷凝式換熱器，以二次網(wǎng)回水作為冷源進行鍋爐煙氣余熱的深度回收，為寒冷地區(qū)燃氣鍋爐低溫煙氣余熱回收利用及提高鍋爐供熱效率提供參考。

1 工程概況

1.1 鍋爐系統(tǒng)配置

該燃氣鍋爐供熱系統(tǒng)的規(guī)劃供熱面積為98萬m2，4臺燃氣熱水鍋爐的額定供熱能力均為14 MW。鍋爐之間采用母管制連接，可進行閥門切換，均可保障每個供熱區(qū)域滿足66%以上的供熱負荷率，具體連接如圖1所示。

鍋爐內(nèi)部結構為雙鍋筒縱置式強制循環(huán)型，選用全膜式水冷壁結構，上下鍋筒內(nèi)部采用隔板結構，爐膛縱向水平布置。為確保水冷壁管內(nèi)水循環(huán)可靠運行，水流速度不低于0.6 m/s。本項目采用氧化鋯分析儀測定鍋爐的煙氣含氧量，鍋爐的具體參數(shù)詳見表1。

1.2 鍋爐房監(jiān)測系統(tǒng)測試

天津2016年發(fā)布了（DB12/151-2016）《鍋爐大氣污染物排放標準》，規(guī)定新建鍋爐排放限值為80 mg/Nm3。北京市于2017年4月1日起對全市新建鍋爐執(zhí)行30 mg/Nm3的排放限值[2]。本文以北京市排放限值為標準，采用煙氣再循環(huán)（FGR）技術，執(zhí)行30 mg/Nm3的排放限值。該鍋爐房已建成智慧熱網(wǎng)實時監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集與傳輸。采集參數(shù)主要包括：鍋爐出水溫度、出水流量、出水壓力、煙氣含氧量、爐膛溫度、爐膛壓力、鼓風機頻率、節(jié)能器進/出口水溫等，采集裝置的參數(shù)詳見表2。

1.3 供熱系統(tǒng)介紹

圖2為供熱系統(tǒng)原理圖。從圖中可以看出，1#鍋爐主要負責教職公寓供熱，2#、3#、4#鍋爐為其他區(qū)域提供熱源。1#、2#、3#鍋爐煙氣節(jié)能器均以教職公寓二次回水作為冷源，4#鍋爐煙氣節(jié)能器以西區(qū)二次回水作為冷源。整個空氣經(jīng)鼓風機、送風管道輸送到燃燒器，空氣與燃氣在燃燒器混合后噴人爐膛燃燒，生成的高溫煙氣在燃燒室充分換熱后，經(jīng)對流管束進入煙氣節(jié)能器與低溫冷源換熱，更多地吸收煙氣中的顯熱與潛熱，以進行煙氣余熱的深度回收，最終經(jīng)煙道從煙囪排出爐外。

2 煙氣冷凝余熱回收裝置

煙氣冷凝余熱回收裝置分為直接接觸冷凝式和間接接觸冷凝式兩種[7]。直接接觸式由熱媒和冷媒的直接接觸來進行能量傳遞，回收余熱的燃燒產(chǎn)物部分存在未燃盡的炭黑和酸性氣體，造成出水品質(zhì)下降[8]。因此，本系統(tǒng)采用間接接觸式換熱器。

由于板翅式換熱器耐酸蝕性能好，熱傳導效率高，且利于拆卸和維修[9]，因此本系統(tǒng)選用的冷凝裝置為螺旋翅片管。冷凝器的蛇形管均由管徑為42 mm，壁厚為3.5 mm的ND鋼制成，底部設有放水閥，末端連接凝結水回收裝置，設備具體參數(shù)詳見表3。

由于煙氣中含有SO2、NOx等酸性物質(zhì)，冷凝水呈酸性。現(xiàn)場水質(zhì)檢測表明，燃氣鍋爐煙氣冷凝液pH值約為4，呈弱酸性，易對設備產(chǎn)生腐蝕，降低設備使用壽命。因此，本系統(tǒng)將冷凝液經(jīng)過加藥、除鐵等處理，以進行鍋爐補水，重復利用。

本次測試選擇初寒期、高寒期和末寒期3種典型的運行工況進行分析，以12月1日至12月7日、1月3日至1月9日、3月13日至3月18日的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為基礎，其中，耗氣量需人工現(xiàn)場采集記錄，每日的記錄時間為9：00—17：00，采集頻率為1 次/h，每日采集8次。該運行狀態(tài)下，1#、3#鍋爐正常運行，2#、4#處于停止狀態(tài)。1#鍋爐用于教職公寓供熱，3#鍋爐用于其他區(qū)域供熱。本文以3#鍋爐為研究對象，鍋爐運行負荷率分別為49%、78%、91%，供暖面積約為30萬m2。

3 實測分析

3.1 計算依據(jù)

3.1.1 鍋爐負荷率

鍋爐負荷率為鍋爐運行工況下燃氣耗量與額定工況下燃氣耗量的比值[10]，即

[E=BB0×100]%， （1）

式中：[E]為鍋爐負荷率；[B]為實測天然氣耗量，m3/h；[B0]為額定天然氣耗量，m3/h。

3.1.2 鍋爐本體效率

依據(jù)我國供熱標準，以燃氣低熱值作為計算依據(jù)[11]，天然氣燃燒供熱量為

[Qr=BQnet，ar]， （2）

式中：[Qr]為天然氣燃燒供熱量，kW；B為燃料消耗量，m3/h；[Qnet，ar]為燃氣低位發(fā)熱值，kJ/Nm3干燃氣。

鍋爐有效利用熱量為

[Q1=cG1（τg-τh）]， （3）

式中：[Q1]為鍋爐出水供熱量，kW；[G1]為鍋爐循環(huán)水量，t/h；[τg] 、[τh]為鍋爐一次側(cè)供、回水溫度，℃。

鍋爐本體效率為鍋爐有效利用熱量與天然氣燃燒供熱量之比[12]，即

[ηgl=Q1Qr×100]%。 （4）

3.1.3 煙氣冷凝余熱回收裝置節(jié)能率

煙氣冷凝余熱回收裝置的有效輸出熱量為

[Q2=cG2（tc-tr）]， （5）

式中：[Q2]為煙氣節(jié)能器有效輸出熱量，kW；[G2]為冷凝水量，m3/h；[tc]、[tr]分別為煙氣冷凝裝置中被加熱水的出口、入口水溫，℃。

煙氣冷凝裝置節(jié)能率為煙氣冷凝余熱回收裝置的有效輸出熱量與同時間內(nèi)天然氣供熱量的比值[13-14]

[Δη=Q2Qr×100]%。 （6）

3.1.4 鍋爐總效率

鍋爐總效率為鍋爐本體效率與煙氣冷凝余熱回收裝置節(jié)能率之和，即

[η=ηgl+Δη]。 （7）

3.2 節(jié)能分析

根據(jù)該鍋爐房的實際運行數(shù)據(jù)，分析3#鍋爐在不同運行負荷下的節(jié)能率、鍋爐效率等。其中，室外溫度由氣象站自動采集，采集頻率1次/min，本文中記錄時間為采集期間每天的9∶00—17∶00，記錄值為每小時的平均值，同一運行負荷下共56組數(shù)據(jù)，如圖3所示。圖4為不同負荷率下的一次網(wǎng)供、回水溫度統(tǒng)計情況。

測試數(shù)據(jù)表明，鍋爐的供水溫度比較穩(wěn)定。當鍋爐的負荷率為49%時，一次側(cè)供水溫度平均約為52 ℃，一次側(cè)回水溫度為40～40.3 ℃，供回水平均溫差為12.2 ℃；當鍋爐的負荷率為78%時，一次側(cè)供水溫度平均約為65 ℃，一次側(cè)回水溫度為45～45.6 ℃，供回水平均溫差為19.2 ℃；當鍋爐的負荷率為91%時，一次側(cè)供水溫度平均約為70 ℃，一次側(cè)回水溫度為46.2～48.7 ℃，供回水平均溫差為23.1 ℃。一次側(cè)水流量在整個測試過程中均比較穩(wěn)定，平均值為439.56 t/h。圖5為不同負荷率下每小時耗氣量的實際采集值。

圖5a）為當鍋爐負荷率為49%時的耗氣量實測值。由圖5a）可知，當鍋爐負荷率為49%時，每小時平均耗氣量為689 m3。圖5b）為當鍋爐負荷率為78%時的耗氣量實測值。由圖5b）計算得出，每小時平均耗氣量為1 091 m3。圖5c）為當鍋爐負荷率為91%時的耗氣量實測值。由圖5c）可知，每小時平均耗氣量為1 274 m3。綜上，鍋爐負荷率與鍋爐耗氣量值呈正相關。

圖6為每小時節(jié)能器進出口水溫、流量的實際采集值。圖6a）為在鍋爐負荷率為49%時的節(jié)能器進出口水溫、流量的采集值。由圖6a）可以看出，經(jīng)節(jié)能器加熱的二次網(wǎng)瞬時流量變化的幅度很小，平均值為221.5 m3/h。節(jié)能器進口水溫為40.4～40.8 ℃，經(jīng)節(jié)能器煙氣預熱后升至41.2～41.8 ℃，節(jié)能器進出口水溫平均升高1.0 ℃。圖6b）為在鍋爐負荷率為78%時的節(jié)能器參數(shù)采集值。由圖6b）可知，該運行工況下經(jīng)節(jié)能器加熱的二次網(wǎng)回水流量的平均值為221.1 m3/h。節(jié)能器的進口水溫為43.1～43.7 ℃，經(jīng)節(jié)能器煙氣預熱后升至46.6～47.1℃，節(jié)能器進出口水溫平均升高3.6 ℃。圖6c）為在鍋爐負荷率為91%時的節(jié)能器進出口水溫、流量的實際統(tǒng)計情況。由圖6c）可見，經(jīng)節(jié)能器加熱的二次網(wǎng)回水流量的平均值為242.6 m3/h。節(jié)能器進口水溫為44.6～45.2 ℃，經(jīng)節(jié)能器煙氣預熱后升至47.3～48.8 ℃，節(jié)能器進出口水溫平均升高3.3 ℃。綜合分析煙氣節(jié)能器前后參數(shù)變化，計算得出煙氣冷凝余熱回收裝置結果分析如表4所示。

由表4可知，當鍋爐負荷率為49%時的節(jié)能器的進口煙溫為96.7 ℃，經(jīng)煙氣節(jié)能器后溫度降至49.9 ℃，煙氣冷凝余熱回收裝置前后煙氣溫降平均為46.8 ℃。該運行工況下煙氣冷凝余熱回收裝置的節(jié)能率為3.9%，鍋爐總效率為95.9%。當鍋爐負荷率為78%時的節(jié)能器的進口煙溫為140.4 ℃，經(jīng)煙氣節(jié)能器后溫度降至52.9 ℃，煙氣冷凝余熱回收裝置前后煙氣溫降平均為87.5 ℃。該運行狀態(tài)下煙氣冷凝余熱回收裝置的節(jié)能率為8.5%，鍋爐總效率為100.5%。當鍋爐負荷率為91%時的節(jié)能器的進口煙溫為156.8 ℃，經(jīng)煙氣節(jié)能器后溫度降至60.6 ℃，煙氣冷凝余熱回收裝置前后煙氣溫降平均為96.2 ℃。該工況下煙氣冷凝余熱回收裝置的節(jié)能率為7.4%，鍋爐總效率為101.2%。

綜合分析，隨著鍋爐負荷率的變化，燃氣熱水鍋爐的本體效率基本不變（考慮測量誤差及儀器本身誤差），鍋爐負荷率與煙氣冷凝裝置的節(jié)能率無直接的線性關系。

4 結論

1）節(jié)能改造后跟蹤實測結果表明，當鍋爐的負荷率為49%～91%時，煙氣冷凝余熱回收裝置進口煙溫為96.7～156.8℃，排煙溫度為49.9～60.6℃，煙氣冷凝余熱回收裝置節(jié)能率為3.9%～8.5%，鍋爐系統(tǒng)的低熱值總效率為95.9%～101.2%。

2）煙氣溫度降至露點溫度以下，煙氣中SO2、NOx等可凝性污染氣體凝結，減少了污染性氣體的排放。現(xiàn)場水質(zhì)檢測表明，每小時約產(chǎn)生0.03～0.05 m水柱的冷凝水，燃氣鍋爐煙氣冷凝液pH值約為4，呈弱酸性。為降低鍋爐腐蝕，本系統(tǒng)末端連接有冷凝水處理裝置。

3）煙氣冷凝余熱回收裝置按節(jié)能率8.5%計，單臺額定14 MW的燃氣熱水鍋爐每小時平均耗氣量為1 091 m3，采暖時間按120 d計算，可節(jié)約天然氣總量為26.71萬m3。天然氣價格按天津2.26 元/Nm3計價，單臺鍋爐采暖季余熱回收的節(jié)能效益可達到60.36 萬元，經(jīng)濟效益較可觀。

參考文獻：

[1] 孟亞東，孫洪磊. 京津冀地區(qū)“煤改氣”發(fā)展探討[J]. 國際石油經(jīng)濟，2014（11）：84-90.

[2] 孟令帥. 天津市燃煤集中供熱鍋爐改燃效果和問題分析[J]. 區(qū)域供熱，2017（5）：123-125.

[3] 趙璽靈，付林，江億. 天然氣供熱中煙氣余熱利用的潛力及途徑[J]. 區(qū)域供熱，2013（3）：41-45.

[4] 陳麗萍，王萬江，齊典偉，等. 燃氣鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)[J]. 暖通空調(diào)，2016，46（12）：149-153.

[5] 張群力，張秋月，曹明凱，等. 燃氣鍋爐煙氣余熱回收利用技術研究[J]. 建筑科學，2016（6）：133-141.

[6] WANG Y，ZHAO Q，ZHOU Q，et al. Experimental and numerical studies on actual flue gas condensation heat transfer in a left-right symmetric internally finned tube[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，64：10-20.

[7] 祝侃，夏建軍，謝曉云，等. 吸收式熱泵及直接接觸換熱在燃氣鍋爐全熱回收中的應用[J]. 暖通空調(diào)，2013（9）：111-115.

[8] 楊石，顧中煊，羅淑湘，等. 我國燃氣鍋爐煙氣余熱回收技術[J]. 建筑技術，2014（11）：976-980.

[9] 程冬冬，王隨林，穆連波，等. 新疆某大型燃氣鍋爐排煙余熱深度利用效果測試研究[J]. 建筑科學，2017（4）：1-7.

[10] 李幸春夏，王隨林，趙陳捷，等. 我國西部某市燃氣供熱鍋爐排煙余熱利用節(jié)能潛力調(diào)研[J]. 暖通空調(diào)，2014（4）：109-112.

[11] 吳佳蕾，王隨林，石書強，等. 大型燃氣鍋爐煙氣冷凝余熱深度回收技術方案與節(jié)能潛力分析[J]. 暖通空調(diào)，2016（3）：66-69.

[12] 國玉山，王隨林，陳康，等. 煙氣冷凝熱回收裝置的節(jié)能與凈化煙氣效果的工程試驗[J]. 暖通空調(diào)，2013（1）：105-108.

[13] 程冬冬，王隨林，穆連波，等. 新疆某大型燃氣鍋爐排煙余熱深度利用效果測試研究[J]. 建筑科學，2017（4）：1-7.

[14] 孫方田，趙金姊，付林，等. 基于吸收式換熱的燃氣鍋爐煙氣余熱回收技術的節(jié)能效益分析[J]. 建筑科學，2016（10）：59-64.

[責任編輯 田 豐]