燃氣鍋爐煙氣余熱回收方案比選

李 清， 趙耀宗， 高 峻， 王 遜

(1.北京燃氣集團有限責任公司， 北京 100035； 2.北京優奈特燃氣工程技術有限公司，北京 100023)

1 概述

煙氣熱損失是燃氣鍋爐各項熱損失中最大的一項。常規煙氣余熱回收技術主要是通過設置煙氣冷卻器、空氣預熱器[1]，加熱熱網回水、鍋爐進口空氣，煙氣的潛熱未被充分利用，余熱利用率低。

本文將熱功率為5.6 MW的燃氣鍋爐作為研究對象，采用Aspen Plus流程模擬軟件，建立煙氣常規余熱回收方案(方案1)、直接接觸式[2-3]余熱回收方案(方案2)、直燃型溴化鋰吸收式熱泵機組[4-8](以下簡稱熱泵機組)余熱回收方案(方案3)的仿真流程，對比方案的技術經濟性，確定適宜的余熱回收方案。

2 模擬方法及評價指標

某供熱項目，設計供、回水溫度為70、50 ℃，配套1臺5.6 MW燃氣熱水鍋爐及輔機設備。在供熱量為5 494 kW的前提下，分析計算3種方案的系統供熱效率。將方案1作為基準方案，計算方案2、3的增量投資回收期。年運行費用包括年天然氣費用、年電費、年維護費用。

2.1 模擬方法與設定參數

① 模擬方法

采用Aspen Plus流程模擬軟件，建立3種方案的仿真流程。采用Radfrac模塊對直接接觸式煙氣-水換熱器(以下簡稱煙氣換熱器)、直接接觸式空氣-水換熱器(以下簡稱空氣換熱器)分別進行塔板設計、塔板校核。天然氣、空氣物性參數計算采用P-R方程，水及水蒸氣物性參數計算采用STEAM-TA模塊。

② 設定參數

天然氣的各組分體積分數見表1。天然氣的低熱值為35 080 kJ/m3。

表1 天然氣的各組分體積分數 %

3種方案的供熱量均為5 494 kW，用戶供水溫度70 ℃，回水溫度50 ℃。燃氣鍋爐過剩空氣系數為1.1。煙氣冷卻器、板式換熱器、冷凝式換熱器的換熱效率為98%。空氣換熱器的散熱損失率為5%。煙氣換熱器的散熱損失率為5%，進口水-煙氣質量比為3。熱泵機組熱力系數為1.0。循環泵效率為90%，送風機效率為75%。空氣換熱器、煙氣換熱器結構參數見表2。空氣換熱器填充塑料鮑爾環，直徑25 mm，高度25 mm，厚度0.4 mm。煙氣換熱器填充不銹鋼鮑爾環，直徑38 mm，高度38 mm，厚度0.4 mm。

表2 空氣換熱器、煙氣換熱器結構參數

3種方案主要設備的額定參數見表3，各方案中主要設備的配置數量均為1臺，不考慮備用。

表3 3種方案主要設備的額定參數

2.2 評價指標

① 系統供熱效率

系統供熱效率η的計算式為：

(1)

式中η——系統供熱效率

Φout——對用戶的供熱量，kW

Φin——天然氣耗熱量，kW

② 增量投資回收期

增量投資回收期t的計算式為：

(2)

式中t——增量投資回收期，a

ΔF——與方案1相比，方案2、3的投資增量，元

ΔC——與方案1相比，方案2、3節省的年運行費用，元/a

系統供熱效率越高，說明方案的能源利用率越高。增量投資回收期越短，說明方案回收投資增量(相對基準方案)的時間越短。

3 余熱回收方案

① 方案1

方案1的工藝流程見圖1。圖中僅繪制出送風機，未繪制出循環泵(在采用Aspen plas軟件建模時考慮)，圖中流程線旁物料的溫度、流量(體積流量或質量流量)為供熱量5 494 kW條件下的數據，以下相同。板式換熱器一級側出水(溫度為70 ℃)分為兩部分，一部分進入煙氣冷卻器被加熱至77 ℃，另一部分與煙氣冷卻器出水混合后進入燃氣鍋爐被加熱至95 ℃。燃氣鍋爐煙氣(130 ℃)經煙氣冷卻器冷卻后溫度降至80 ℃。

② 方案2

方案2的余熱回收裝置主要為煙氣換熱器、空氣換熱器、煙氣冷卻器。水、煙氣質量比為3、排煙溫度為41.4 ℃時，方案2的工藝流程見圖2。用戶回水分為兩部分：一部分進入煙氣冷卻器，被煙氣加熱至60 ℃。另一部分與經煙氣冷卻器加熱的用戶回水混合，進入板式換熱器加熱至70 ℃。燃氣鍋爐出口煙氣(130 ℃)經煙氣冷卻器換熱后溫度降至80 ℃，然后進入煙氣換熱器與噴淋水直接接觸換熱后溫度降至41.4 ℃進行排放。在空氣換熱器中，經煙氣換熱器加熱的循環水與低溫空氣直接接觸，空氣被處理至60 ℃的飽和狀態，然后進入燃氣鍋爐。

由于燃氣鍋爐進口空氣經過加濕，因此煙氣換熱進口煙氣中水質量分數達到22%，露點為74.93 ℃。

圖2 水氣質量比為3、排煙溫度為41.4 ℃時方案2的工藝流程

③ 方案3

排煙溫度為41.4 ℃時，方案3的工藝流程見圖3。用戶回水分為兩部分，一部分進入熱泵機組被加熱至70 ℃，另一部分由煙氣冷卻器、板式換熱器加熱至70 ℃，這兩部分水混合后作為用戶供水。燃氣鍋爐出口煙氣(130 ℃)經煙氣冷卻器換熱后(溫度降至80 ℃)與熱泵機組出口煙氣(80 ℃)混合后進入冷凝換熱器加熱熱泵機組的低溫熱水。燃氣鍋爐進口空氣未經加濕，冷凝換熱器進口煙氣中水質量分數僅為10%。

4 計算結果與分析

① 系統供熱效率

根據仿真結果，采用式(1)可計算得到，3種方案的系統供熱效率分別為94.1%、99.3%、100.7%。

② 增量投資回收期

燃氣價格取2.36 元/m3，電價取0.55元/(kW·h)，年維護費用按投資的0.5%計算。在最大熱負荷利用時間為1 314、2 576 h條件下，計算方案2、3的增量投資回收期。與方案1相比，方案2、3的投資增量分別為136×104、265×104元。根據仿真結果，可計算得到方案2、3在兩種最大熱負荷利用時間下節省的年運行費用(相比于方案1)，見表4。采用式(2)，可計算得到方案2、3在兩種最大熱負荷利用時間下的增量投資回收期，見表4。由表4可知，相同最大熱負荷利用時間條件下，方案2、3節省的年運行費用接近，但方案2的增量投資回收期更小，說明方案2的經濟性更優。

圖3 排煙溫度為41.4 ℃時方案3的工藝流程

表4 方案2、3的在兩種最大熱負荷利用時間下的增量投資回收期

5 結論

將熱功率為5.6 MW的燃氣鍋爐作為研究對象，采用Aspen Plus流程模擬軟件，建立煙氣常規余熱回收方案(方案1)、直接接觸式余熱回收方案(方案2)、直燃型溴化鋰吸收式熱泵機組余熱回收方案(方案3)的仿真流程。將方案1作為基準方案，在供熱量為5 494 kW的前提下，分析計算3種方案的系統供熱效率及方案2、3的增量投資回收期。3種方案的系統供熱效率分別為94.1%、99.3%、100.7%。方案2、3的投資增量分別為136×104、265×104元。方案2、3節省的年運行費用接近，但方案2的增量投資回收期更小，方案2的經濟性更優。