蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統技術經濟性分析

王 遜, 肖 威

(北京優奈特能源工程技術有限公司, 北京 100023)

1 概述

蒸汽泵(Vapor-Pump)煙氣余熱回收系統[1-3]是一種基于換熱器的濕法余熱回收技術。通過煙氣與循環水直接接觸、空氣與循環水直接接觸,實現高效傳熱傳質,不僅將煙氣余熱轉移至燃氣鍋爐助燃空氣中,還可以顯著提高助燃空氣含濕量,煙氣露點也隨之提高10～20 ℃,為在較高溫度冷源條件下回收煙氣潛熱創造了有利條件,并有效降低燃氣鍋爐氮氧化物排放。

文獻[2]對蒸汽泵煙氣余熱回收系統進行理論分析,得到入塔煙氣溫度為60 ℃時,理論系統熱效率可達到106.6%,排煙溫度為30 ℃。以提高余熱回收率、降低氮氧化物排放為目標,許多學者采用理論和實驗手段對濕法余熱回收技術進行了研究,分析熱網回水溫度、水氣比等參數對余熱回收的影響[4-9],優化換熱器類型、布置方式[5-6]以及系統運行模式[6]。

雖然蒸汽泵煙氣余熱回收系統具有節能環保的優勢,但系統改造費用高,除新增風機、水泵耗電量外,系統維護費用也有所增加。

本文基于蒸汽泵煙氣余熱回收技術,將常規燃氣鍋爐供熱系統改造為蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統。介紹3種蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統流程,測算蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統節氣量、增量投資回收期,評價系統改造經濟性。文中壓力均為絕對壓力。

2 蒸汽泵煙氣余熱回收技術與計算方法

2.1 蒸汽泵煙氣余熱回收技術

蒸汽泵煙氣余熱回收系統以循環水為中介,經過煙氣熱回收塔(簡稱煙氣塔)、空氣加濕塔(簡稱空氣塔),將煙氣余熱轉移給助燃空氣。

在煙氣塔中,循環水自上向下噴灑,煙氣自下向上進入煙氣塔后,在填料段與循環水直接接觸放熱降溫,煙氣中的水蒸氣凝結釋放潛熱,循環水吸熱升溫,煙氣中水蒸氣凝結后進入循環水,循環水流量增大,自煙氣塔底排出后進入空氣塔,用于助燃空氣加濕預熱。煙氣降溫除濕后自煙氣塔頂排出,通過煙囪排至大氣。

在空氣塔中,來自煙氣塔底的循環水進入空氣塔頂,與由空氣塔下部進入的低溫空氣在填料段中直接接觸,空氣被加熱,含濕量增大,濕空氣達到預定溫度和含濕量后自塔頂排出,進入燃氣鍋爐燃燒器。循環水匯集到空氣塔底部,少量循環水排出系統,大部分返回煙氣塔,用于煙氣降溫除濕。

2.2 計算方法

根據換熱裝置進出口物料焓差、質量流量,計算換熱裝置的換熱功率。采用Aspen Plus進行流程模擬。水和水蒸氣物性采用STEAM-TA,空氣、煙氣物性采用PENG-ROB。采用RSTOIC模塊模擬天然氣燃燒,過剩空氣系數取1.2。天然氣組成見表1。

表1 天然氣組成

水-水、煙氣-水換熱均采用MheatX模塊,換熱損失均取2%。煙氣塔、空氣塔采用自定義模塊,根據文獻[10-12]建立塔內流動、傳熱傳質數值模型,采用向前差分求解。風機、水泵等采用壓縮模塊,全效率取0.7。一級管網供回水壓力取700 kPa。二級管網供水壓力取900 kPa,回水壓力取800 kPa。鍋爐排煙壓力110.0 kPa。煙氣塔進塔煙氣壓力103.9 kPa,塔頂排煙壓力103.7 kPa。空氣塔入塔空氣壓力114.0 kPa,出塔助燃空氣壓力113.4 kPa。不考慮管道散熱損失。

3 供熱系統

3.1 改造前供熱系統

改造前供熱系統流程見圖1。天然氣與助燃空氣混合后經燃燒器燃燒放熱,將一級管網回水由70 ℃加熱至95 ℃。燃氣鍋爐排煙溫度為120 ℃。在一二級管網板式換熱器中,一級管網供水將二級管網回水由50 ℃加熱至70 ℃。系統供熱量(為一二級管網板式換熱器二級側換熱功率)為5 410.8 kW,系統熱效率(為一二級管網板式換熱器二級側換熱功率與鍋爐輸入燃料熱功率之比)為92.5%。

圖1 改造前供熱系統流程

3.2 改造后供熱系統

① 單冷源兩塔系統

單冷源兩塔蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統(簡稱單冷源兩塔系統)流程見圖2。鍋爐排煙(120 ℃)經煙氣冷卻器降溫至80 ℃后進入蒸汽泵煙氣余熱回收系統。單冷源兩塔蒸汽泵煙氣余熱回收系統以空氣作為單一冷源。二級管網回水分為兩部分,一部分在煙氣冷卻器中被煙氣預熱至60 ℃,然后與剩余二級管網回水混合,進入一二級管網板式換熱器,被一級管網供水加熱至70 ℃。

圖2 單冷源兩塔系統流程

② 雙冷源兩塔系統

燃氣鍋爐排煙含有大量潛熱,以空氣作為單一冷源時,由于空氣加濕預熱所需熱量有限,易導致實際回收的余熱量不足以將排煙降至較低溫度,難以獲得更高的系統熱效率。因此,需要添加其他冷源,與空氣共同吸收更多的煙氣余熱,構成雙冷源蒸汽泵煙氣余熱回收系統。將二級管網回水作為另一冷源,構成雙冷源兩塔蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統(簡稱雙冷源兩塔系統),見圖3。與單冷源兩塔系統相比,雙冷源兩塔系統的主要區別:在煙氣塔塔底與空氣塔塔頂循環水管路上增設循環水-熱網水板式換熱器。煙氣塔循環水出水在進入空氣塔前,先在循環水-熱網水板式換熱器中加熱部分二級管網回水,降溫后再進入空氣塔。

圖3 雙冷源兩塔系統流程

③ 雙冷源三塔系統

雙冷源三塔蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統(簡稱雙冷源三塔系統)流程見圖4。煙氣高溫段水蒸氣含量高、潛熱回收潛力大,為更好匹配煙氣、空氣、熱網水之間的傳熱傳質,按能量梯級利用的原則將煙氣放熱分為兩部分:煙氣塔1加熱溫度較高的冷流體,煙氣塔2加熱溫度較低的冷流體。煙氣塔1采用較大水氣比和較大填料段直徑,以充分回收高溫煙氣熱量,并保證流動要求。煙氣塔2煙氣進氣溫度比較低,余熱回收量小,采用較小水氣比,并適當縮小填料段直徑。

圖4 雙冷源三塔系統流程

鍋爐排煙進入煙氣塔1,在塔內煙氣與大量循環水接觸換熱,然后進入煙氣塔2,與來自空氣塔的循環水換熱,最后經煙囪排出系統。煙氣塔1出水循環水分為兩部分:一部分進入空氣塔,加濕預熱空氣,然后進入煙氣塔2。另一部分由循環水-熱網水板式換熱器加熱部分二級管網回水,隨后與來自煙氣塔2出水循環水混合,然后進入煙氣塔1。

4 經濟性分析

4.1 經濟性指標

① 天然氣節氣量

用戶熱負荷一定時,改造后供熱系統天然氣節氣量ΔV的計算式為:

(1)

式中 ΔV——改造后供熱系統天然氣節氣量,m3

Φ——用戶熱負荷,kW

t——運行時間,s

Hi——天然氣低熱值,kJ/m3

ηb——改造前系統熱效率,為0.925

ηa——改造后系統熱效率

以改造前供熱系統供熱量5 410.8 kW為計算基礎。北京供暖期為123 d,供暖室內設計溫度取18 ℃,供暖室外計算平均溫度為-0.7 ℃,供暖室外計算溫度為-7.6 ℃,可計算得到北京供暖期最大熱負荷利用時間為1 776 h,因此式(1)中運行時間按1 776 h計算,用戶熱負荷按5 410.8 kW計算。天然氣低熱值為34 517 kJ/m3。

② 增量投資回收期

改造后供熱系統增量投資回收期tin的計算式為:

(2)

式中tin——改造后供熱系統增量投資回收期,a

ΔZ——增量投資,元

Cb——改造前供熱系統年運行費用,元/a

Ca——改造后供熱系統年運行費用,元/a

增量投資為與改造前相比主要新增、改造設備的設備購置費和安裝費。主要新增、改造設備為:為適應濕空氣燃燒對燃燒器的改造、集散控制系統(DCS)、空氣塔、煙氣塔、填料、各種換熱器、風機、水泵等。設備購置費和安裝費根據設備參數向廠家詢價獲得。

年運行費用為年天然氣費用、年電費、年設備維護費。天然氣費用由燃氣鍋爐產生,電費由風機、水泵產生,年設備維護費按系統投資的1%計算。天然氣價格按2.51 元/m3計算,電價按1 元/(kW·h)計算。

4.2 計算結果

① 節氣量

改造后系統熱效率、天然氣節氣量見表2。由表2可知,與改造前相比,蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統的系統熱效率得到不同提升。特別是雙冷源三塔系統,系統熱效率由改造前的92.5%,提升至99.9%,1個供暖期的天然氣節氣量達到8.19×104m3。

表2 改造后系統熱效率、天然氣節氣量

② 增量投資回收期

改造后供熱系統增量投資見表3。由表3可知,與改造前相比,雙冷源三塔系統的投資增量最大,為151.2×104。根據計算結果可知,與改造前相比,單冷源兩塔系統、雙冷源兩塔系統、雙冷源三塔系統的年運行費用分別下降8.38×104、10.76×104、16.83×104元/a。

表3 改造后供熱系統增量投資

由式(2)可計算得到,單冷源兩塔系統、雙冷源兩塔系統、雙冷源三塔系統的增量投資回收期分別為15.8、12.3、9.0 a。因此,雙冷源三塔系統的經濟性最佳。

5 結論

① 與改造前相比,蒸汽泵煙氣余熱回收供熱系統的系統熱效率得到不同提升,特別是雙冷源三塔系統,系統熱效率由改造前的92.5%,提升至99.9%,1個供暖期的天然氣節氣量達到8.19×104m3。

② 單冷源兩塔系統、雙冷源兩塔系統、雙冷源三塔系統的增量投資回收期分別為15.8、12.3、9.0 a,雙冷源三塔系統的經濟性最佳。