严寒地区燃气锅炉烟气余热回收的计算分析

王 迪 程 勃 孙建国 冯海满 邹 悦 韩金华 冉春雨

(1:吉林建筑大学城建学院,长春 130114; 2:吉林大学,长春 130012)

0 引言

自改革开放以来,随着我国经济高速发展,能源需求量日益增长,以煤炭为主的矿物质化石能源得到广泛应用,煤炭的过度开采与利用不仅导致了能源危机,而且更导致了严重的大气环境污染.“十二五”期间,我国大力推进能源结构优化,伴随着西气东输等工程的不断完善,以天然气为主的清洁型矿物化石能源逐渐取代煤炭，并成为我国经济建设领域的主要能源[1].2017年,随着国家环保督查力度的加大,国家相继出台了限期拆除20吨位及以下燃煤锅炉、不再批准40吨位以下燃煤锅炉建设立项等政策,由此可见,燃煤锅炉正在逐步被燃气锅炉替代.我国能源战略也由过去的粗放型利用调整为节约、再生、高效型利用[2].

1 天然气组分与过量空气系数计算

与煤炭等矿物质化石类不可再生能源相比,以甲烷CH4为主要成分的天然气具有无毒、清洁、可利用率高和燃烧产物无烟尘等优点,是一种值得大力推广应用的高效清洁型能源[3].天然气组分随不同产地略有差异,其燃烧热值也随其所含伴生气体的摩尔成分波动.

1.1 天然气组分

本文所涉天然气由长春燃气股份有限公司提供,并以东北管网管输气气质为例,其天然气组分见表1.

表1 长春地区天然气组分Table 1 The component of natural gas in Changchun region

长春地区天然气低位发热量Qnet,ar为8 300kcal/Nm3(Gas)[约合34.69MJ/Nm3(Gas)],高位发热量Qgr,ar为9 700kcal/Nm3[约合40.55MJ/Nm3(Gas)],按式(1)可计算出燃气中水蒸气汽化潜热与低位发热量之比RLH:

RLH=(Qgr,ar-Qnet,ar)/Qnet,ar

(1)

以长春地区某农业实验基地的1.4MW常压热水燃气锅炉为对象,在未设冷凝余热回收设备的情况下,其排烟温度约为150℃,此时烟气中的水蒸气处于过热状态,由式(1)算得RLH=0.168 9,因此,烟气余热回收潜力较大,回收这部分汽化潜热,可显著提高天然气的利用率及锅炉效率[4].

1.2 过量空气系数计算

锅炉运行中的理论空气量往往难于满足燃气完全燃烧所需的氧气量，为使燃气能够与空气充分混合并完全燃烧,就需要一定的过量空气[5].

实际空气量与理论空气量(即实际空气量与过量空气量之差)的比值称之为过量空气系数,以α表示,其数量关系见式(2)：

α=VA/VA0=VA/(VA-VEA)

(2)

式中，α为过量空气系数;VA为实际空气量,Nm3;VA0为理论空气量,Nm3;VEA为过量空气量,Nm3.

由燃烧化学反应式可知,燃气完全燃烧与否仅与氧气含量有关,由空气中的氧气含量比0.21及式(2)导出式(3),并经测算过量空气中的氧气含量,来确定过量空气系数的理论值.

α=VA/VA0=VA/(VA-VEA)=0.21VA/0.21(VA-VEA)=

0.21/(0.21-0.21VEA/VA)=0.21/(0.21-O2)

(3)

式中，O2为过量空气中的氧气量与输入锅炉的实际空气量之比(设天然气中不含氧气)即0.21VEA/VA，O2值分别取值0.00，0.01，0.02，0.03，0.04，0.05,再由式(3)计算出过对应的过量空气系数α,见表2.

表2 过量空气系数理论值Table 2 The theoretical values of excess air coefficient

2 燃气燃烧计算

2.1 空气量计算

由表2可知,锅炉设备在实际运行中,燃气完全燃烧所需要的实际空气量与理论空气量的比值始终大于1,1Nm3(标准立方米)燃气完全燃烧所需理论空气量VA0根据式(4)进行计算[6]:

VA0=[0.5H2+0.5CO+∑(m+0.25n)CmHn+1.5H2S-O2]/0.21

(4)

式中，各化学分式代表天然气中各组分气体量,Nm3/Nm3(Gas),按表1计取,表1中未列出的CO，H2S，O2均按0计取.

经计算得:1Nm3燃气燃烧所需理论空气量为9.203 6Nm3,在此基础上,再将表2中的过量空气系数α值代入式(5),计算出燃气燃烧所需实际空气量,见表3.

VA=αVA0

(5)

式中,VA0为理论空气量,Nm3/Nm3(Gas);VA为实际空气量,Nm3/Nm3(Gas).

表3 燃气燃烧所需实际空气量Table 3 The actual amount of air needed for gas combustion

2.2 烟气量计算

燃气锅炉烟气中含有三原子气体(CO2)，H2O，N2、过量空气及不完全燃烧残余燃气等组分，因诸如CO，CH4，CmHn等不完全燃烧残余燃气组分的含量一般不超过1%，故计算中忽略不计.由表3给出的燃气燃烧所需的理论空气量与实际空气量可知，燃气锅炉运行时生成的烟气与输入的空气量密切相关，当理论排烟温度为150℃时，利用式(6)～(9)可计算出燃气锅炉运行时生成的理论烟气量.

2.2.1 烟气中的三原子气体理论量

因天然气中不含S,故燃气燃烧产物中不含SO2，H2S气体，因此，烟气中的三原子气体仅剩CO2气体.烟气中CO2由天然气中所含CO2、天然气燃烧生成的CO2和输入的理论空气量中所含CO2等三部分组成，其中输入理论空气量中的CO2量与输入理论空气量之比<0.03%，故忽略不计.具体按式(6)计算：

VRO20=VCO20+VSO20=VCO20=CO2+CO+∑mCmHn+H2S

(6)

式中，VRO20为烟气中的三原子气体(即VCO20)理论量,Nm3/Nm3(Gas);烟气中的CO，H2S气体理论量按0计取;CO2气体理论量按表1计取;烷烃类∑mCmHn气体燃烧后产生的CO2气体理论量:按化学反应方程式4CmHn+(4m+n)O2=4mCO2+2nH2O,可知烷烃类CmHn气体燃烧后生成的CO2气体量等于mCmHn气体量,故天然气中各种烷烃类气体燃烧后生成的CO2气体总量应等于mCmHn之和,即∑mCmHn,其中CmHn代表各种烷烃类气体量,CmHn气体量按表1中各种CmHn(m,n=1,4;2,6;3,8;4,10;4,10;5,12;5,12;6,14)气体量[Nm3/Nm3(Gas)]计取.

综上可知,1Nm3烟气中三原子气体理论量VRO20=VCO20=0.997 7Nm3/Nm3(Gas).

2.2.2 烟气中的水蒸气理论量

烟气中的水蒸气由天然气中所含H2O蒸气、天然气燃烧生成的H2O蒸气和输入的理论空气量中所含H2O蒸气等三部分组成，具体按式(7)计算:

VH2O0=H2+H2S+∑0.5nCmHn+1.2(dG+dAVA0)

(7)

式中，VH2O0为烟气中的水蒸气理论量,Nm3/Nm3(Gas);dG为天然气中的含湿量,kg/Nm3(Dry Gas),因天然气中水蒸气含量极少,故可认为1Nm3(Dry Gas)=1-dG≈1 Nm3(Gas),按dG=0.01kg/Nm3(Dry Gas)=0.01kg/Nm3(Gas)计取;dA为空气中的含湿量,kg/Nm3(Air),同理，亦可认为1Nm3(Dry Air)=1-dA≈1Nm3(Air),按dA=0.019 02kg/Nm3(Dry Air)=0.019 02kg/Nm3(Air)计取；VA0为空气理论量,Nm3(Air)/Nm3(Gas),按表3计取;H2S按0计取;根据化学方程式得知,天然气燃烧后生成的H2O蒸气量可按表1中的H2，∑0.5nCmHn[Nm3/Nm3(Gas)]计取.相关数值代入式(7)计算得:VH2O0=2.146 4Nm3/Nm3(Gas).

2.2.3 烟气中的氮气理论量

烟气中的氮气由天然气中所含N2和输入的理论空气量中所含N2(除空气中的N2以外，空气中NO，NO2中的N含量约占空气量的0.015%，故忽略不计)等两部分组成，具体按式(8)计算：

VN20=N2+0.78VA0

(8)

式中，VN20为烟气中的氮气理论量,Nm3/Nm3(Gas);N2为天然气中的氮气量,Nm3/Nm3(Gas),按表1计取;0.78VA0为空气中的氮气理论量,Nm3/Nm3(Gas),按VA0表3计取.数值代入式(7)计算得:

VN20=7.198Nm3/Nm3(Gas)

2.2.4 理论烟气量

理论烟气量由烟气中的三原子气体(即二氧化碳气体)、水蒸气和氮气等三部分的理论量组成,具体按式(9)计算:

VFG0=VRO20+VH2O0+VN20=VCO20+VH2O0+VN20

(9)

式中，VFG0为理论烟气量,Nm3/Nm3(Gas).将VRO20=VCO20=0.997 7Nm3/Nm3(Gas)，VH2O0=2.146 4Nm3/Nm3(Gas)和VN20=7.198Nm3/Nm3(Gas)等数值代入式(9)计算得:VFG0=10.342 1Nm3/Nm3(Gas).

2.2.5 实际烟气量

实际烟气量由烟气理论量和过量空气量等两部分组成,具体按式(10)计算:

VFG=VFG0+(α-1)VA0

(10)

式中，VFG为实际烟气量,Nm3/Nm3(Gas);将前述VFG0，α，VA0数值代入式(10)计算得:

VFG=VFG0～VFG0+(α-1)VA0=10.342 1～10.342 1+(α-1)VA0=

10.342 1～13.222 8Nm3/Nm3(Gas)

3 烟气余热回收数学模型

烟气中可回收的热量主要分为显热量与汽化潜热量两部分,本文以长春地区某农业实验基地燃气锅炉房为研究对象.该锅炉房设有一备一用2台2(t/h)燃气锅炉,每台燃气锅炉运行时所需天然气流量VG=141Nm3(Gas)/h,所用天然气的低位发热量为34.69MJ/Nm3(Gas),燃气完全燃烧时锅炉产生的热量QB=4.891GJ/h,锅炉的设计排烟温度为150℃.对此,作者模拟计算烟气余热回收,模拟计算中假定最终实际排烟温度为40℃,且过量空气系数α按表2计取,按式(11)计算:

mFG=VRO20ρRO2+VH20ρH2O+VN20ρN2+(α-1)VA0ρA=

VCO20ρCO2+VH2O0ρH2O+VN20ρN2+(α-1)VA0ρA

(11)

式中，mFG为实际烟气质量,kg/Nm3(Gas);ρCO2为烟气中CO2气体组分的密度,kg/Nm3(CO2),标准状态下ρCO2=1.96kg/Nm3(CO2);ρH2O为烟气中H2O蒸气组分的密度,kg/Nm3(H2O),标准状态下ρH2O=0.804kg/Nm3(H2O);ρN2为烟气中N2气体组分的密度,kg/Nm3(N2),标准状态下ρN2=1.25kg/Nm3(N2);ρA为烟气中空气组分的密度,kg/Nm3(Air),标准状态下ρA=1.293kg/Nm3(Air).将相关数值代入式(11)计算得:

mFG=12.793 7～16.518 5kg/Nm3(Gas)

再由每台锅炉的天然气流量VG=141Nm3(Gas)/h,算得实际烟气质量流量：

MFG=VGmFG=141×(12.793 7～16.518 5)=1 803.911 7～2 329.108 5kg/h.按式(12)计算:

HFG=CPMFGTFG

(12)

式中，HFG为烟气的焓,kJ/h;TFG为烟气排烟热力学温度,K;CP为烟气定压比热,kJ/(kg·K),当排烟温度TFG,1=273+150=423K时,CP=1.21kJ/(kg·K),当排烟温度TFG,2=273+40=313K时,CP=1.15kJ/(kg·K)[1];MFG为每台燃气锅炉的实际烟气质量流量,kg/h.

由式(12)可知，当排烟温度TFG,1=273+150=423K时,HFG,1=0.923 3～1.192 1GJ/h;当排烟温度降至TFG,2=273+40=313K时,HFG,2=0.649 3～0.838 4GJ/h.对比表明，排烟中可回收的显热量QSH=ΔHFG=HFG,1-HFG,2=0.274～0.3537GJ/h.从可回收显热量变化范围来看,过量空气系数α值越大,相应生成的烟气量则越大,从而排烟显热量损失亦越大.因此,在满足燃气充分燃烧的前提下,应尽可能地降低过量空气系数,减少过量空气量的输入,以提高锅炉热效率[6].

此外,烟气露点温度随过量空气系数α=1.000～1.313值的增加而降低(其原因即:烟气量增加,水蒸气量微增或几乎不变,导致烟气中水蒸气含湿量减小[由式(14)可知],故烟气露点温度降低),当过量空气系数α=1.100时,烟气露点温度约为57.42℃[1,6].按以下工况模拟计算:为了让烟气中的水蒸气冷凝放热,利用冷凝装置,将燃气锅炉排烟温度降至40℃,然后再利用换热设备回收冷凝热量.燃气锅炉运行中,当过量空气系数α=1.000～1.313时,烟气中水蒸气质量流量MV按式(13)计算:

MV=[VH2O0ρH2O+(α-1)VA0dA]VG=[1.725 7～1.780 5]×141=

243.323 7～251.050 5kg/h

(13)

烟气中水蒸气含湿量dFG按式(14)计算:

dFG=[VH2O0ρH2O+(α-1)VA0dA]/[mFG-VH2O0ρH2O-(α-1)VA0dA)]=

[VH2O0ρH2O+(α-1)VA0dA]/[VCO20ρCO2+VN20ρN2+(α-1)VA0(ρA-dA)]=

(1.725 7～1.780 5)/(10.953～14.623)=

0.157 6～0.121 8kg(H2OVapor)/kg(DryFlueGas)

(14)

烟气中水蒸气冷凝放出的潜热量QLH按式(13)计算:

QLH=LhMVχ

(15)

式中，QLH为烟气中水蒸气冷凝放出的潜热量,kJ/h;Lh为40℃时饱和水蒸气汽化潜热,按Lh=2 401.1kJ/kg计取;MV为烟气中水蒸气的质量流量,kg/h;χ为烟气中水蒸气的冷凝比,按χ=0.574 2计取[1,6].

当排烟温度降至40℃时,烟气中水蒸气冷凝放出的潜热量QLH=335 473.21～346 126.24kJ/h =0.335 5～0.346 1GJ/h,加上前述算得的显热量QSH,可知当排烟温度由150℃降至40℃时,且在过量空气系数α=1.000～1.313的条件下,从烟气余热中可回收的热量：

QRH=QSH+QLH=0.274～0.353 7+0.335 5～0.346 1=0.609 5～0.699 8GJ/h

4 结语

综上,燃气锅炉运行中,过量空气系数α值的大小对烟气生成量、烟气露点温度以及烟气携带余热中的显热量都有直接的影响.监控烟气中的氧气含量,对确定合理的过量空气系数、提高燃气锅炉效率和降低排烟温度均有重要作用,一般残留在烟气中的氧气量与输入锅炉的实际空气量之比[即式(3)中O2]应控制在0.03以内,过量空气系数的取值范围在1.05～1.10之间较为合理.对装设余热冷凝回收设备的系统,应尽可能降低排烟温度,以更多地回收烟气中的水蒸气汽化潜热(饱和水蒸气汽化潜热随水蒸气饱和温度的减小而增大),但过度追求低温排烟,则会增加冷凝回收设备的经济成本,因此,可考虑将热泵技术用于烟气余热冷凝回收设备,以取得良好的节能效果.

参 考 文 献

[1] 周帅.燃气锅炉烟气余热冷凝回收研究与应用[D].济南:山东大学,2012.

[2] 赵耀华,于雯静,刁彦华,张冀,郝丽敏.新型平板热管换热器热回收特性实验研究[J].北京工业大学学报,2012(4)38:497-501.

[3] 林敏,庞小坤,夏宝丁,邹伟,沈超.天然气组分含量分析的不确定度评定[J].云南化工,2013(3):58-61.

[4] 陈冲.燃气锅炉烟气余热深度回收技术应用[J].机械研究与应用,2016(6)29:169-170.

[5] 赵贵林,李荣花,黄琼英.燃气锅炉过量空气系数对锅炉热效率的影响研究[J],化工设计通讯,2017(8):123-124.

[6] 吴味龙.锅炉及锅炉房设备第四版[M].中国建筑工业出版社,2006:41-48.