水氣比對直接接觸煙氣余熱回收系統性能影響

王 遜， 劉 璐， 胡 明

(1.北京優奈特燃氣工程技術有限公司，北京100023；2.北京市公用工程設計監理有限公司，北京100023))

1 概述

回收燃氣鍋爐煙氣余熱是提高鍋爐熱效率的有效手段之一，許多學者對直接接觸式煙氣-水換熱器(以下簡稱煙氣換熱器)用于煙氣余熱回收進行了理論及實踐研究[1-4]。文獻[5]建立了煙氣換熱器的傳熱傳質模型，分析了熱質交換性能的影響因素。結果表明，影響煙氣換熱器換熱效率的主要因素是水氣比(煙氣換熱器的噴淋水與煙氣質量流量之比)、換熱器高度、噴水霧化粒徑等。文獻[6-7]對采用煙氣換熱器的鍋爐余熱回收系統進行實驗研究，得到優化后的水氣比用于改善煙氣換熱器的熱效率。已有研究表明，水氣比是影響熱回收效果的重要參數，但相關研究主要對煙氣換熱器進行。本文針對采用煙氣換熱器、直接接觸式空氣-水換熱器(以下簡稱空氣換熱器)的燃氣鍋爐(額定熱功率5.6 MW)供熱系統，采用Aspen Plus流程模擬軟件，分析水氣比對燃氣鍋爐進口空氣溫度、系統供熱量、煙氣換熱器排煙溫度(即系統排煙溫度)的影響，從降低氮氧化物排放和提高系統供熱能力出發，確定適宜的水氣比。

2 燃氣鍋爐供熱系統

某工程采用煙氣換熱器，對原有額定熱功率5.6 MW燃氣熱水鍋爐供熱系統進行節能改造，并配合低氮燃燒器降低鍋爐氮氧化物排放。

① 原燃氣供熱系統

原燃氣供熱系統工藝流程見圖1，燃氣鍋爐額定耗氣量為609 m3/h，額定熱功率為5.6 MW。供熱介質進、出水溫度為50、70 ℃，設計質量流量為236 798 kg/h。

燃氣鍋爐出口煙氣(130 ℃)經煙氣冷卻器冷卻后溫度降至80 ℃，排出系統。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 ℃。

② 改造后的燃氣供熱系統

改造后的燃氣供熱系統流程(水氣比為3.0)見圖2。采用直接接觸煙氣余熱回收裝置回收煙氣冷卻器排煙余熱，直接接觸煙氣余熱回收裝置包括煙氣換熱器、空氣換熱器、循環泵等[4，8]。來自用戶的回水分為兩部分：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 ℃。

圖1 原燃氣供熱系統工藝流程

圖2 改造后的燃氣供熱系統流程(水氣比為3.0)

循環水經循環泵輸送到煙氣換熱器，由上部向下噴灑，與來自下部的煙氣(煙氣來自煙氣冷卻器，溫度為80 ℃)直接接觸換熱，煙氣放熱后溫度降至40～45 ℃，煙氣中的凝結水則進入循環水。

在空氣換熱器中，來自煙氣換熱器的循環水，與空氣換熱器下部的低溫空氣直接接觸，空氣被加熱加濕。為了保證鍋爐煙氣氮氧化物排放量≤30 mg/m3，要求鍋爐進口濕空氣溫度在60～65 ℃，相對濕度100%。由于燃氣鍋爐進口空氣經過加濕，因此燃氣鍋爐出口煙氣中水質量分數達到30%左右，煙氣露點提高至70 ℃以上。

3 模擬方法與參數設定

① 模擬方法

采用Aspen Plus流程模擬軟件，建立改造后燃氣供熱系統仿真流程。采用Radfrac模塊對煙氣換熱器、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 參數設定

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 %

供熱系統的供熱量為5 570.4 kW，用戶供水溫度70 ℃，用戶回水溫度50 ℃。燃氣鍋爐過?？諝庀禂禐?.3，阻力為30 kPa。煙氣冷卻器、板式換熱器的換熱效率為98%?？諝鈸Q熱器的散熱損失率為5%，阻力為0.3 kPa。煙氣換熱器的散熱損失率為5%，阻力為0.5 kPa。循環泵效率為90%，送風機效率為75%。煙氣換熱器、空氣換熱器結構參數見表2。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。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。

煙氣換熱器的煙氣進口溫度為80 ℃，流量9 200 m3/h。空氣換熱器的空氣進口溫度為20 ℃，相對濕度50%,流量為6 888 m3/h，循環水進水溫度為74.8 ℃。燃氣鍋爐天然氣進氣溫度20 ℃，流量為609 m3/h。

板式換熱器額定換熱能力為6 000 kW，煙氣冷卻器額定換熱能力為170 kW，煙氣換熱器額定換熱能力為1 500 kW，空氣換熱器額定換熱能力為1 200 kW。

表2 煙氣換熱器、空氣換熱器結構參數

③ 煙氣余熱回收量

煙氣換熱器的煙氣余熱回收量采用Aspen Plus計算。煙氣余熱回收量包括：煙氣中各組分(包括H2O、O2、N2、CO2)由80 ℃降至煙氣換熱器出口煙氣溫度顯熱放熱量，以及煙氣中H2O的潛熱放熱量。

4 水氣比影響分析

① 對濕空氣溫度的影響

空氣換熱器出口濕空氣溫度隨煙氣換熱器水氣比的變化見圖3。從控制氮氧化物生成的角度，進入燃氣鍋爐的濕空氣溫度應在60～65 ℃范圍內。由圖3可知，為保證燃氣鍋爐較好的低氮燃燒效果，水氣比應在2.0～3.4。

圖3 空氣換熱器出口濕空氣溫度隨煙氣換熱器水氣比的變化

② 對系統供熱增量、排煙溫度的影響

系統供熱增量(與改造前相比，由用戶側熱水參數計算得到)、煙氣換熱器排煙溫度隨煙氣換熱器水氣比的變化見圖4。由圖4可知，隨著水氣比增大，系統供熱增量先增大后減小，煙氣換熱器排煙溫度先降低后升高，拐點出現在水氣比3.0左右。此時，系統供熱增量最大(約420 kW)，排煙溫度最低(約41.6 ℃)。

因此，從降低氮氧化物排放和提高系統供熱能力出發，適宜的水氣比為3.0。

圖4 煙氣換熱器水氣比對系統供熱增量和煙氣換熱量排煙溫度的影響

5 換熱器設計參數

將水氣比設定為3.0，采用Radfrac模塊對煙氣換熱器、空氣換熱器分別進行塔板設計、塔板校核。煙氣換熱器及空氣換熱器直徑及壓力降見表3。

表3 煙氣換熱器及空氣換熱器直徑及壓力降

6 結論

從降低氮氧化物排放和提高系統供熱能力出發，煙氣換熱器適宜的水氣比為3.0。