冷凝模塊燃氣熱水鍋爐煙氣脫白的探究

張勇 盧瑞夢

摘要：介紹采用熱泵及高效冷凝器對鍋爐煙氣進行“脫白”，探討熱回收溫度的梯級利用，并舉例計算其節能效果及經濟效益。

關鍵詞：冷凝模塊燃氣熱水鍋爐，熱泵，煙氣脫白。

引言：

隨著國家對建筑節能的日益重視以及新的環保標準的實施，冷凝模塊燃氣熱水鍋爐在采暖的市場占有率越來越高。該鍋爐具有節能環保、體積小、噪音小、排煙溫度低等優點。但隨著鍋爐煙氣溫度的降低，煙氣中水蒸氣由過熱狀態越來越趨近飽和狀態，煙氣排出煙囪遇冷后立即液化成液滴，造成“白煙”現象，導致較嚴重的視覺污染和污染環境，降低居住環境并引起投訴。因此有必要對煙氣的“脫白”進行深入研究。

一、煙氣脫白系統

本文采用“煙氣降溫冷凝脫水”的原理來降低水蒸氣含量。即：在鍋爐煙道設高效煙氣-水冷凝器，利用熱泵裝置生產冷凍水（13～18℃），將煙氣溫度由80℃降低至20℃以下。煙氣中的水蒸氣凝結為液體排掉。同時熱泵將煙氣中回收的熱量提升溫度（35～40℃）后補充至采暖循環水系統。此過程需消耗部分電能。系統原理見圖 1 。

1.1 煙道設計

當煙氣從冷凝器出來后，需進入一段水平煙道，煙氣流速控制在4m/s以內，水平段長度大于4m，以保證煙氣和凝結水充分分離。同時在煙道底部隔離出排水層，排水層設坡度通向凝結水水封，以防止凝結水二次蒸發。在設計中推薦采用地下混凝土煙道，排水層高度2-3cm。

1.2 循環水系統設計

循環泵的選型及管道管徑須與設計流量、揚程相匹配，避免過大或過小造成的能源浪費或系統無法整成運行。

如果熱泵冷凝側系統阻力較大，則需設循環泵克服系統阻力，循環泵應采用變頻控制，方便現場調試。同時二次網回水主管道取水處管道需加粗2號，且應采用斜三通，三通間距應大于10倍管徑。

1.3 節能措施

1. 通過增加采暖換熱器面積，降低一次網熱媒水回溫度，鍋爐排煙溫度隨一次網回水溫度降低，煙氣焓值降低。可降低熱泵選型及耗電量，從而達到節能目的。

2. 選用高效煙氣-水冷凝器，可提升熱泵冷凍水溫度，從而提升熱泵COP，達到節能目的。

3. 優先選用地板輻射采暖系統。采用“低溫長送”的供熱模式，盡量避免由于二次網回水溫度過高，從而提升熱泵COP，達到節能目的。

二、煙氣脫白系統計算

2.1. 煙氣成分分析計算

天然氣主要成分是CH4，經燃燒后產生CO2和水蒸氣，燃燒反應式見式（1-1）。

CH4+2O2+8N2+0.1（2O2+8N2） = CO2+2H2O+8N2+0.1（2O2+8N2） （1-1）

注：下劃線部分為N2及10%過量空氣，此部分不參與反應。

煙氣經過冷凝器降溫的過程中會放出熱量，這部分熱量包括氣體降溫的顯熱和水蒸氣的汽化潛熱兩部分。

根據式（1-1）可知水蒸氣約占煙氣成分的2/12（約16.7%），故水蒸氣分壓力為0.0167MPa。查飽水蒸氣性質表，可知此時煙氣露點為56℃。當煙氣經過冷凝器，溫度降低至20℃時，此時飽和水蒸氣分壓力降至0.003MPa，即水蒸氣含量為3%。

因此計算煙氣熱回收量時，應計算13.7%的水蒸氣的汽化潛熱，以及煙氣其余各成分由80℃降至20℃的顯熱之和。

2.2 煙氣熱量的計算

以西安市某住宅小區為例，采暖面積8×104㎡，末端為地輻射，熱指標40W/㎡，總熱功率3200KW。天然氣熱值8500Kcal/Nm3。采用3臺1.2MW冷凝模塊燃氣鍋爐，排煙溫度80℃，鍋爐熱效率97%。

鍋爐耗氣量及生產的煙氣量計算如下：

耗氣量：3200KW×3600 / （0.97×8500Kcal/Nm3×4.2KJ/kg·℃）

=332.7Nm3/h。

煙氣量：332.7Nm3/h×12=3992.4Nm3/h。

1. 煙氣顯熱熱量的計算見式（1-2）。

Q——熱量kJ; c——比熱容KJ/（kg·℃）;

m——煙氣中各成分的質量kg; 腡——溫差℃;

η——各成分占鍋爐煙氣比例; G——煙氣總體積 Nm3;

M——氣體相對分子質量g/mol。

根據式（1-2）及（1-3），計算出各成分顯熱，如下表所示：

即煙氣顯熱熱功率為：276410.41 / 3600=76.78KW。

2. 水蒸氣汽化潛熱熱量的計算見式（1-3）。

（1-3）——蒸汽比焓 kJ/kg。——水比焓 kJ/kg。

查飽和水蒸氣性質表可得：（80℃飽和蒸汽）=2643.8 kJ/kg。

（20℃飽和水）=83.5 kJ/kg。

故：Q=439.48kg×（2643.8-83.5 ）=1125200 KJ。

即水蒸氣汽化潛熱熱功率為：1125200 / 3600 =312.56KW。

綜上所述，該小區煙氣脫白系統共可回收熱功率398.34KW。

提高鍋爐熱效率：398.34/3200=12.45%。

節省燃氣332.7×12.45%=41.42Nm3/h。

2.3. 耗電量計算

1. 熱泵耗電量

經調研，熱泵在該工況下（蒸發器18/13℃，冷凝器35/40℃）。COP可達到5.5。

故熱泵耗電量：398.34KW / 4.5 =88.5KW。

熱泵制熱量：398.34+88.5=486.84KW。

1.2循環泵耗電量

蒸發器循環泵：流量80m3/h，揚程14m。功率7.5KW。

冷凝器循環泵：流量100m3/h，揚程11m。功率5.5.KW。

綜上所述，該小區煙氣脫白系統總耗電量為101.5KW。

三、經濟效益分析

經調研，西安市集中供熱燃氣價格2.23元/Nm3，平均電價0.62元/KW·h。鍋爐滿負荷系數取0.75。

每小時節省燃氣費用：41.42Nm3×2.23元/Nm3=92.37元/h。

每小時增加電費：101.5KW×0.62元/KW·h=62.93元/h。

全年節省費用：（92.37-62.93）×24h×120天×0.75=6.36萬元。

經調研，西安市集中供熱收費為5.8元/㎡·月。供熱企業年利潤率約10%。該套設備一次投資約8元/㎡。以此小區為例，供熱企業每年凈利潤為：

8×104㎡×5.8元/㎡·月×4月×10%=18.56萬元。

煙氣脫白系統可提升項目效益：6.36 / 18.56×100%=34.3%。

投資回收年限：80000㎡×8元/㎡ / 63600元=10.06年。

四、結論

根據以上數據，煙氣脫白系統從技術方面是成熟的，也是完全可行的。同時該系統采用熱泵技術，消耗少部分電能，降低大量天然氣的消耗，符合國家節能減排和建筑能耗的要求。在投資方面看，該系統可有效降低運行成本，增加企業效益。

煙氣脫白系統最大的優勢體現在在社會效益方面，該系統可有效降低煙氣中含水率，降低“白煙”視感。降低了煙氣對環境的污染，提升了生活環境的舒適度，改善生態環境，提升城市生活品味。

參考文獻：

[1] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊（第二版）[M]. 北京： 中國建筑工業出版社，2007.

[2] 張旭. 熱泵技術[M]. 北京： 化學工業出版社，2007.

[3] 車得福，亢艷濱，劉衛東，方勝. 天然氣鍋爐極限熱效率及排煙損失分析[J]. 能源研究與信息. 2001，17（4）： 217-224.

[4] 車得福，劉艷華. 煙氣熱能梯級利用[M]. 北京： 化學工業出版社，2006.

作者簡介：

[5] 姓名：張勇 （1992.06.14） 性別：男 民族：漢族 籍貫：陜西省西安市 學歷：本科 單位：陜西博天節能環保科技有限公司 職稱：無 研究方向：暖通空調動力

[6]

[7] 姓名：盧瑞夢，1990年5月22日

[8] 性別：女 民族：漢 籍貫：陜西省咸陽市

[9] 學歷：本科 單位：秦華熱力集團有限公司（陜西省西安市）

[10] 職稱：無 研究方向：暖通空調