烟气冷凝除烟囱水雾技术在燃气分布式能源系统中的应用

2014-09-10和彬彬徐静静李和平宋洪涛

综合智慧能源 2014年2期

和彬彬，徐静静，李和平，宋洪涛

(华电分布式能源工程技术有限公司，北京 100070)

0 引言

考虑冷热用户的经济承受能力，楼宇式燃气分布式能源系统较适合金融中心、办公楼、商业中心等高档建筑。由于城市用地日益紧张，作为建筑的供能中心，分布式能源站往往需要与建筑物进行一体化建设，所以美观成为分布式能源设计需要考虑的关键问题之一。而影响建筑美观的突出问题就是能源站的烟囱。烟囱本体可用建筑加以掩饰，但由于天然气燃烧后产生的烟气含水量较大，冬季存在冒水雾问题，水雾会暴露烟囱的存在，且会影响建筑物的美观。本文以华电产业园能源站项目为例，研究了深度利用余热降低排烟含水量的技术，以解决冬季烟囱冒白烟问题。

华电产业园能源站项目燃气设备共计4台，其中燃气内燃机组2台(2×3.3 MW级)，直燃型溴化锂机2台(2×3.489 MW)。共设置3座燃气设备烟囱：其中2台燃气内燃机组分别设置1座烟囱，出口内径为900 mm；2台直燃机共设置1座烟囱，出口内径为1 000 mm。3座烟囱从园区东侧的C，D座楼烟道竖井爬至楼顶，该楼高50 m，烟囱高约55 m。园区整体呈合围型布局，为南北递进的两进院落，南侧的楼高达80 m。烟囱位于园区的中部东侧，如果冬季冒白烟严重，势必影响园区的景观，所以除烟囱水雾成为需要考虑的重要问题。

1 除水雾技术原理及方案

1.1 除水雾原理

该项目采取在烟道加烟气冷凝换热器的方式来解决冬季烟囱冒白烟问题。不同压力下烟气水露点不同，将烟气温度降至烟气水露点以下，使烟气中的水蒸气凝结，从而被分离出来。烟气温度下降越多，则烟气中的水蒸气分压力越低，水蒸气含量越少，烟气排放到大气后产生的白雾现象将弱化，达到减弱白烟的效果。采用该技术后，烟气冷却后释放的热量也可以同时被回收，提高能源的利用效率。

1.2 烟气条件及烟气冷凝计算

华电产业园能源站项目内燃机及直燃机的烟气条件见表1。

表1 内燃机及直燃机的烟气条件

烟气冷凝后，烟气温度与烟气含水率的理论计算结果如图1所示。内燃机烟气出口温度为100 ℃，露点温度为46.10 ℃，烟气温度降至30 ℃，除水率可达到59.39%；直燃机烟气出口温度为145 ℃，露点温度为55.52 ℃，烟气温度降至40 ℃，除水率可达到54.83%。

烟气冷凝温度确定为：内燃机烟气冷却至30 ℃，直燃机烟气冷却至40 ℃。理论计算结果显示：单台内燃机组的余热回收量为858 kW，凝水潜热为474 kW，其中捕获凝水量为713 kg/h；单台直燃机余热回收量为320 kW，凝水潜热为176 kW，其中捕获凝水量为267 kg/h。

图2 烟囱加冷凝换热器除白烟系统流程

图1 烟气含水率与烟气温度的关系

1.3 烟囱除白烟系统流程

烟囱加冷凝器除白烟系统流程如图2所示。系统的核心为烟气冷凝换热器，冷凝换热器的冷源为冷却水，冷却水进口温度为20 ℃，出口温度为50 ℃。冷却烟气后得到的热水可作为园区部分建筑物的地暖热源，地暖作为空调的值班负荷，基本可保证此部分热量持续被消耗掉，同时并联空冷散热塔，进一步保证冷却水的进口温度。

为保证排烟顺畅且不影响内燃机与直燃机的燃烧状态，每台换热器后面的烟气管道上需设置1台引风机及配套风阀。引风机的选型主要参考冷凝后的烟气流量及换热器后面的管道压力等参数。该项目主要是为了减少冬季白烟，故引风机只在冬季启用。由于在其他季节烟气不需经过引风机，可采用加设旁路烟囱排烟的方式。

烟囱除白烟系统中，每台换热器水侧配置2台循环水泵，1用1备。

烟气在换热器内降温的过程中会产生酸性冷凝水(pH值为3.8～6.8)，该冷凝水应收集至专用集水池，经中和处理达标(pH值为6.0～9.0)后，通过能源站的工业水排水系统排出，或经回收处理后作为系统的补水水源。

冷却烟气后得到的热水最好被热用户消耗掉，如出现热量未完全消耗的情况，启动空冷散热水箱散热，散热水箱需采取防冻措施。

2 关键技术分析

烟气冷凝换热器是该系统的关键设备，对烟气除白烟的效果起到决定性的作用。其他泵、风机等辅助设备均属常规设备，本文重点对换热器设备进行比选分析。

方案中需要配置4台换热器，其中内燃机组配置2台，直燃机配置2台。直燃机的烟气冷凝换热器选型特点与内燃机组完全类似，这里仅以内燃机换热器为例，对换热器设备进行详细比较。

随着节能观念的日益深入，燃气锅炉的烟气冷凝余热回收技术已经得到了推广[1-6]，烟气冷凝除水雾技术是对该技术的一种新应用，提高了余热的利用深度。从事该种换热器生产的厂家很多，通过广泛调查，筛选了3种较为适合的板式换热器产品，分别称为换热器1，2，3。3种换热器技术参数对比见表2。

其中换热器1的烟气侧阻力小，烟气进、出管道异侧，便于管道连接，夏季运行时，换热器可抽出，不影响机组排烟，最适合该项目的需要。换热器1的外形如图3所示。

另外，能源站增设除白烟系统时，需要充分考虑系统设备的布置空间，例如换热器、引风机、循环水泵等的布置位置以及系统设备对原系统的影响，尤其是引风机与内燃机的联锁问题。笔者以板式换热器1为核心设备，绘制了烟气冷凝除白烟系统的布置图，如图4所示。

表2 换热器技术参数对比

图3 板式换热器1外形

图4 烟气冷凝换热器布置示意

3 经济性分析

华电产业园能源站项目增加了烟气冷凝除白烟系统，需增加设备投资209.406万元，设备投资见表3。该系统的土建等其他投资均较少，可暂不考虑。按照产业园项目的设计运行方式，该系统投运1年的总消耗为5.13万元，回收余热利用率为80%，年收入为37.99万元， 6.37年可收回设备投资。系统的消耗收益明细见表4。