作者：李鋒 付林 趙璽靈 肖常磊 楊巍巍

第一作者單位：清華大學(xué)建筑學(xué)院

《煤氣與熱力》2015年11月刊

1   燃?xì)忮仩t房煙氣余熱回收技術(shù)

天然氣的主要組分是甲烷（CH₄）,，燃燒后排出的煙氣中含有大量的水蒸氣,，水蒸氣的氣化潛熱占天然氣低熱值的比例達(dá)到10%～11% ,，目前基本上都沒有利用而直接排放到環(huán)境,。另外，天然氣煙氣中的水蒸氣排入大氣后冷凝,，造成冒白煙現(xiàn)象,，形成景觀污染,，并促使PM2.5排放指數(shù)增加,。因此，深度回收利用包括水蒸氣氣化潛熱在內(nèi)的煙氣余熱對節(jié)省能源和減少污染物排放量都有重要意義,。

為了利用燃?xì)忮仩t的煙氣余熱，國內(nèi)外科研單位進(jìn)行了研究,。目前針對燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收的技術(shù),，主要集中在采用加裝冷凝換熱器和空氣預(yù)熱器來降低排煙溫度。

常規(guī)燃?xì)忮仩t加裝冷凝式換熱器,，煙氣降溫過程中存在相變過程，開始發(fā)生相變的溫度即為煙氣的露點,。高于露點時,，鍋爐供熱效率（鍋爐供熱量與按照燃?xì)獾蜔嶂涤嬎愕玫降娜細(xì)夤崃康谋戎担┑奶岣呤强繜煔饨禍厮尫诺娘@熱實現(xiàn)的,。當(dāng)煙氣溫度低于露點后,，鍋爐供熱效率的提高主要靠水蒸氣冷凝釋放潛熱實現(xiàn)，此時煙氣溫度的降低對鍋爐供熱效率的提高,，影響較為顯著,。

只有當(dāng)熱網(wǎng)回水溫度低于20~30 ℃時，使用冷凝式換熱器才會有好的效果,。對于一般的供暖系統(tǒng),，尤其是區(qū)域供熱系統(tǒng)，其熱網(wǎng)回水溫度遠(yuǎn)高于此值,。因此,，直接利用熱網(wǎng)回水降低煙氣溫度是非常受限的。這一原因也嚴(yán)重制約了冷凝式鍋爐在供熱領(lǐng)域的推廣使用。若采用文獻(xiàn)中提到的吸收式換熱技術(shù),，可以顯著降低熱網(wǎng)回水溫度,。若熱網(wǎng)回水溫度為20 ℃，采用冷凝式換熱器即可將煙氣溫度降至較低水平,，從而大幅提高鍋爐供熱效率,。

也可采用煙氣-水換熱器和空氣預(yù)熱器組合的方式進(jìn)行煙氣余熱回收，利用煙氣-水換熱器回收高溫?zé)煔舛蔚娘@熱,，利用空氣預(yù)熱器回收中低溫?zé)煔舛蔚臐摕岷惋@熱,。但這種方式也受熱網(wǎng)回水溫度以及空氣有限的回收余熱能力所制約，當(dāng)熱網(wǎng)回水溫度為 50 ℃時,，這種方式只可將煙氣溫度從 90 ℃降至 51 ℃,。

針對上述情況，清華大學(xué)提出了將吸收式熱泵用于燃?xì)忮仩t的煙氣余熱回收技術(shù),，并用直接接觸式換熱代替常規(guī)的間壁式換熱,。吸收式熱泵在天然氣等高溫?zé)嵩吹尿?qū)動下制取低溫冷水，鍋爐的煙氣作為吸收式熱泵的低溫?zé)嵩赐蜏乩渌M(jìn)行直接接觸式換熱,，由于冷水的溫度較低,，因此，煙氣的溫度可以降至25 ℃甚至更低,。該技術(shù)突破了熱網(wǎng)回水溫度的限制,，可應(yīng)用于回水溫度較高的供熱系統(tǒng)中。另外,，該技術(shù)采用了直接接觸式換熱器,，相對于表面式換熱方式，其優(yōu)勢在于：極大地增加了氣-液兩相接觸面積,，瞬間完成傳熱和傳質(zhì),，達(dá)到強(qiáng)化換熱、提高換熱效率的目的,。采用接觸換熱技術(shù)后,，煙氣和水在很小溫差下即可實現(xiàn)穩(wěn)定接觸換熱，無需金屬換熱面,，減小了換熱器的體積,，大幅度降低了換熱器成本。煙氣中的酸性蒸氣直接在水中溶解,，只要對溶液加堿性物質(zhì)如NaCO₃,、NaOH等進(jìn)行中和，并對換熱器關(guān)鍵部位的制造材料進(jìn)行防腐蝕處理,，即可避免降低排煙溫度后遇到的材料腐蝕問題,。

圖1為典型的煙氣余熱回收系統(tǒng)的基本原理,。在常規(guī)的燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)中增設(shè)了直燃型煙氣余熱回收裝置（以下簡稱余熱回收裝置），該裝置主要包括燃?xì)怛?qū)動的吸收式熱泵（以下簡稱直燃型熱泵）,、直接接觸式換熱器（以下簡稱接觸式換熱器）及水泵,、閥門等其他附屬設(shè)施，同時增設(shè)了兩條煙管將余熱回收裝置與鍋爐煙囪相連,，煙氣閥1,、2及風(fēng)機(jī)均設(shè)置在這兩條煙管上。當(dāng)煙氣余熱回收系統(tǒng)投入運(yùn)行時,，煙氣閥1,、2及風(fēng)機(jī)均開啟，經(jīng)過測試,，煙氣量在運(yùn)行時可以滿足設(shè)計要求,。鍋爐煙氣和直燃型熱泵的煙氣混合后進(jìn)入接觸式換熱器，同直燃型熱泵制取的用于噴淋煙氣的冷水（以下簡稱噴淋水）進(jìn)行接觸式換熱,，煙氣可被噴淋水冷卻,，溫度降至25 ℃甚至更低，然后由風(fēng)機(jī)抽送排入大氣,。在噴淋水路中,，噴淋水在接觸式換熱器中同煙氣換熱后溫度升高，被噴淋水泵送入直燃型熱泵進(jìn)行降溫,，然后返回接觸式換熱器繼續(xù)冷卻煙氣,。在熱網(wǎng)回水管道中，水閥1關(guān)閉,，水閥2,、3開啟，熱網(wǎng)回水首先進(jìn)入直燃型熱泵進(jìn)行加熱,，然后進(jìn)入燃?xì)忮仩t加熱,，送至用戶處供熱。

圖1  煙氣余熱回收系統(tǒng)基本原理

2   示范工程

該工程實施在北京市某供暖鍋爐房內(nèi),。該供暖鍋爐房內(nèi)設(shè)有3臺29 MW燃?xì)鉄崴仩t與1臺14 MW燃?xì)鉄崴仩t。4臺鍋爐的煙氣通過各自獨(dú)立煙囪排入大氣,。鍋爐尾部設(shè)置了省煤器,，煙氣進(jìn)入煙囪的設(shè)計溫度為60 ℃。

本工程在鍋爐房內(nèi)增設(shè)余熱回收裝置,，用于回收1臺29 MW鍋爐的煙氣余熱,。技術(shù)方案為：燃?xì)忮仩t煙氣在接觸式換熱器中被噴淋水冷卻后放出顯熱和潛熱，煙氣溫度降至25 ℃或者更低后排至大氣,。噴淋水在接觸式換熱器中升溫后用泵送入直燃型熱泵,，直燃型熱泵以天然氣為驅(qū)動熱源,，吸收噴淋水熱量，用于加熱熱網(wǎng)回水,，以減少鍋爐的天然氣耗量,。

圖2為鍋爐煙囪與余熱回收裝置的連接關(guān)系的實景照片，即通過兩根煙管進(jìn)行連接,。圖3為直燃型熱泵和接觸式換熱器的實景照片,，一層布置直燃型熱泵，二層布置接觸式換熱器,。圖4為對直燃型熱泵和接觸式換熱器進(jìn)行封裝后的實景照片,。

圖2  煙囪與余熱回收裝置的連接

圖3  直燃型熱泵和接觸式換熱器實景照片

圖4  設(shè)備封裝后實景照片

清華大學(xué)對該燃?xì)忮仩t房煙氣余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了測試。

圖5為某供暖期中連續(xù)實測的煙氣溫度變化曲線,，圖6為實測的水溫變化曲線,。

 圖5  實測的煙氣溫度變化曲線

圖6  實測的水溫變化曲線

由圖5可見，直燃型熱泵進(jìn)接觸式換熱器的煙氣溫度波動范圍為134~157  ℃,，鍋爐煙氣進(jìn)接觸式換熱器的溫度波動范圍為45~77 ℃,，接觸式換熱器的排煙溫度波動范圍為18~37 ℃。

由圖6可見,，進(jìn)直燃型熱泵的熱網(wǎng)回水溫度波動范圍為44~55 ℃,，出直燃型熱泵的熱網(wǎng)回水溫度波動范圍為55~64 ℃，進(jìn)直燃型熱泵的噴淋水溫度波動范圍為20~38 ℃,，出直燃型熱泵的噴淋水溫度波動范圍為14~27 ℃,。

可見，在測試期間,，煙氣和水溫變化較為穩(wěn)定,，系統(tǒng)運(yùn)行狀況正常。

3   效果分析

3.1  節(jié)能性分析

對測試期間回收的煙氣余熱進(jìn)行計算,，可以得到逐時的回收煙氣余熱量的變化曲線,，見圖7?；厥諢煔庥酂崃吭跍y試期間為1.43~3.26 MW,。由于直燃型熱泵設(shè)備選型比設(shè)計值略大，因此,，實際在設(shè)計工況下的煙氣余熱回收量略大于設(shè)計值,。另外，由于鍋爐不是在整個供暖期都能保持滿負(fù)荷運(yùn)行,，在低負(fù)荷運(yùn)行時,，回收煙氣余熱量達(dá)不到設(shè)計值，因此,，平均回收煙氣余熱量為2.67 MW,，直燃型熱泵的平均供熱量為6.37 MW,。

圖7  回收煙氣余熱量變化曲線

圖8為采用余熱回收裝置后，供熱效率提高值（回收余熱量與按照燃?xì)獾蜔嶂涤嬎愕玫降娜細(xì)夤崃康谋戎担┑淖兓€,。由圖8可見,，供熱效率提高值范圍為7.61%~13.69%，平均為11.54%,。因此,，采用該裝置大大提高了鍋爐供熱效率。

圖8  采用煙氣余熱回收裝置后供熱效率提高值的變化曲線

煙氣余熱回收系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和計算結(jié)果見表1,。

表1  煙氣余熱回收系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和計算結(jié)果

由表1可見,，該項目在供暖期的供熱效率提高值約為11.54%。

3.2  減排分析

采用該系統(tǒng)回收余熱,，減少了天然氣的耗量,，相應(yīng)地也減少了污染物的排放量。另外,，在接觸式換熱器內(nèi)的噴淋過程中,，煙氣中的不同污染物將會部分溶入噴淋水中，使得排煙中有害氣體含量降低,，而噴淋水溶入污染物后,，對其水質(zhì)影響并不大，只需要加入堿性物質(zhì)如NaCO₃,、NaOH等進(jìn)行中和,，就可以達(dá)到中水水質(zhì)要求進(jìn)行排放或他用。

由于天然氣硫含量很低,，燃燒煙氣中的SO_x含量也很低,，在天然氣利用設(shè)備中一般不設(shè)置專門的脫硫設(shè)備。在本測試中,，也并未檢出SO₂,，因此，在此不對SO_x進(jìn)行減排分析,。

鍋爐煙氣中氮的氧化物主要是NO,，NO₂含量較少。NO稍溶于水,，NO₂易溶于水,，形成亞硝酸和硝酸水溶液。

在供暖期某日對該鍋爐房煙氣余熱回收工程的污染物NO_x的排放進(jìn)行了現(xiàn)場測試,，測試時系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷率為70%~80%。測試分析結(jié)果見表2,， NO_x減排率（煙氣經(jīng)過余熱回收后NO_x減少的質(zhì)量流量與原煙氣中NO_x質(zhì)量流量的比值）為10.48%,。

表2  NO_x減排測試及分析

3.3  節(jié)水分析

天然氣的主要組分是甲烷（CH₄）,，燃燒后生成二氧化碳和水。1 m³的天然氣可生成1.55 kg的水,。據(jù)了解,，北京市2012年供暖期消耗60×10⁸ m³天然氣，平均每天消耗5 000×104 m³,，即平均每天約有7.75×10⁴t/d的水蒸氣排放到空中,。如果這些水蒸氣通過煙氣冷凝換熱的方式收集起來并加以利用，不僅能夠增加10%左右的供熱量,，同時節(jié)約大量的水并能緩解北京市的霧霾現(xiàn)象,。

在該示范工程項目中，清華大學(xué)組織對煙氣余熱回收系統(tǒng)的凝結(jié)水量進(jìn)行了測試,，測試工況下負(fù)荷率為100%,，煙氣出接觸式換熱器的溫度為31 ℃，相關(guān)測試結(jié)果見表3,。

表3  凝結(jié)水量測試及分析

實測凝結(jié)水量同理論凝結(jié)水量比較接近,，出現(xiàn)差異可能是由于測試人員人為讀數(shù)誤差所造成的。

經(jīng)過煙氣余熱回收后,，煙氣中的大部分水蒸氣被凝結(jié)在換熱器中,，避免了這部分水蒸氣直接排入大氣中，極大地緩解了傳統(tǒng)供熱鍋爐房“冒白煙”的問題,。而這部分水蒸氣若排放在冬季大氣中,，也將會加劇霧霾天氣的形成。因此,，該系統(tǒng)的使用可有效解決供熱鍋爐房“冒白煙”的問題,，達(dá)到“消白”的效果。

4   結(jié)論

本文介紹了一種基于直燃型吸收式熱泵和直接接觸式換熱器的煙氣余熱回收工程案例,。對1臺29 MW的燃?xì)忮仩t安裝了余熱回收裝置,，并進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：

① 接觸式換熱器的排煙溫度平均降至27.4 ℃,，在供暖期平均回收煙氣余熱2.67 MW,，燃?xì)忮仩t平均供熱效率提高值為11.54%。

② 余熱回收裝置的NO_x減排率為10.48%,。

③ 實測凝結(jié)水量為3.11 t/h,，達(dá)到了消除白煙的效果。

④ 直接接觸式換熱器配合直燃型吸收式熱泵深度回收煙氣余熱技術(shù)具備大規(guī)模應(yīng)用的可行性,，有效解決了由于供熱回水溫度高而難以直接回收煙氣冷凝熱的難題,。

聲明：本文著作權(quán)（版權(quán)）歸《煤氣與熱力》雜志社所有，嚴(yán)禁任何微信號及媒體未經(jīng)授權(quán)許可隨意轉(zhuǎn)載,。PS: 當(dāng)然歡迎大家轉(zhuǎn)發(fā)到朋友圈,！