燃气锅炉烟气余热深度回收系统应用案例分析

文_王宁 张佳男 张爱琴 许庆合 洛阳双瑞特种装备有限公司

1 基于吸收式热泵的烟气余热回收技术

烟气中的余热有很大一部分存在于水蒸气潜热中，而燃气锅炉正常排烟中的水蒸气处于未饱和状态,因而需要将烟气温度降低到对应的露点温度以下，使水蒸气冷凝，同时释放汽化潜热。对于天然气锅炉烟气，露点温度一般在55～60℃。因此，在该余热深度回收项目中采用吸收式热泵制取低温中介水与温度较高的锅炉排烟在直接接触式换热器中进行接触式换热，将烟气热量带入热泵机组，热泵机组利用驱动能源热量和烟气热量加热热网回水。由于低温中介水温可降至20℃以下，直接接触式换热器的换热温差又较小，从而能够有效地降低排烟温度，深度回收烟气中的余热。

2 工程概况及改造技术方案

2.1 工程概况及项目设计条件

天津市某供热站现有三台额定热功率10.5MW的燃气热水锅炉，供热面积25.94万m2。锅炉房现有三台锅炉,运行方式为两用一备，即整个采暖季，最大负荷时，只同时运行两台锅炉。燃气锅炉已安装烟气节能器，节能器出口排烟温度约为60℃。

本项目针对3台燃气锅炉实施深度节能改造，拟在锅炉房内增设1台余热回收专用机组，回收锅炉房3台燃气热水锅炉的排烟余热，用于区域集中供热。

2.2 节能潜力分析

本次改造的主要目的是回收烟气的冷凝热。当烟气排烟温度高于烟气的露点温度时，回收热量主要以烟气显热为主，单位温降释放的热量较少；当烟气温度低于露点温度时，烟气中的水蒸气开始凝结，放出热量比较集中。经测算本改造项目排烟温度降温至 25℃时，系统供热效率可提高10%以上，具有很高的节能潜力。同时，冷凝水经简单水处理后可以回收利用，排烟中水蒸气的含量大幅度降低，避免冒“白烟”现象。

2.3 工艺方案设计

热力站原供热系统中仅采用烟气节能器对烟气显热进行回收，烟气中水蒸气携带大量的汽化潜热未能被回收。因此，烟气深度余热回收方案选择在锅炉房安装烟气余热回收专用机组（直燃热泵）和烟气直接接触式换热器（工艺流程如图1所示），直燃热泵制取低温中介水送入直接接触式换热器，低温中介水将燃气锅炉及热泵产生的烟气降温至25℃回收热量升温后，再经循环泵送入热泵作为低温热源，完成不断的吸热-放热循环过程。热网回水分两支，一支进入热泵机组，经热泵升温后与另外一支混合再一起进入锅炉加热。考虑到烟气中存在较多的NOx，溶于水中的NOx使烟气冷凝水呈酸性，因此增加一套加碱装置调节冷凝水的pH值，避免对设备产生腐蚀。直燃型吸收式热泵机组设计参数如表1。

表1 直燃型吸收式热泵设计参数

2.4 运行效果分析

烟气深度余热回收系统的测试时间为2018年1月27日～2018年2月25 日，共计30天。

2.4.1 系统运行的稳定性

图2为实测的烟气余热系统的温度数据。由图2可以看出，热网供水温度基本稳定在60～75℃之间；回水温度的波动范围为40～50℃；系统最终排烟温度波动范围为20～30℃之间。可见，在测试期间，排烟温度和热网供回水温度变化较为稳定，系统运行状况正常。

2.4.2 锅炉供热量及热泵供热量

对3台锅炉总的供热量和热泵机组的供热量进行统计，统计结果如图3所示。

在统计期内，3台锅炉采用两用一备的运行方式。锅炉供热量最大为818GJ/d，最小为486GJ/d，平均673GJ/d，统计期内总供热量为2.02万GJ。

热泵机组余热回收热量与锅炉的供热量的趋势基本一致，热泵的供热量最大为170GJ/d，最小为152GJ/d，平均164.5GJ/d，统计期内总供热量为0.49万GJ。热泵的供热量约占总供热量的24%。

2.4.3 系统余热回收量

分别采集热泵燃气流量计数据及热泵供热量数据，并按照燃料热值35.578MJ/Nm3进行折算，分析整理得到测试期间回收烟气热量的变化曲线。如图4所示，测试期间内，系统的余热回收量最大为68.3GJ/d，最小为54.7GJ/d，平均回收烟气余热62.7GJ/d。整个测试期内，总节能量为0.2万GJ，占总供热量的8%。

3 项目节能减排效益

3.1 节能效益

从统计分析的各项数据来看，热泵机组运行的30d内，平均每天从烟气中回收62.7GJ 热量，在测试周期内(按照30d计算)，回收热量将达到1881GJ，折合成天然气相当于5.3万m3。在测试期内，本工程需增加锅炉房电耗约1.73万kW·h。按当地天然气价格为 1.91元/Nm3，电价为0.8元/kW·h,则测试期内本项目节省天然气费用约10.1万元，增加电耗约1.38万元，综合节省费用约8.72万元。考虑初末寒期设备不能满负荷运转，全年按90d供暖进行计算，全年节能收益约为26.16万元。

3.2 减排效益

采用该系统回收烟气余热，减少了天然气的耗量，相应地也减少了NOx等污染物的排放量。另外，在接触式换热器内的喷淋过程中，烟气中的不同污染物将会部分溶入喷淋水中，使得排烟中有害气体含量降低，而喷淋水溶入污染物后呈酸性，只需要加入碱性物质进行中和，就可以达到中水水质要求进行排放或他用。同时，烟气中的水蒸气被低温水冷凝后，大部分从烟气中脱除。根据实际测试的数据，烟气温度可降至25℃，此时，烟气中83.2%以上的水蒸气发生了凝结，达到消除“白烟”的目的。

4 结语

实践表明采用直燃热泵机组对大型燃气锅炉的排烟进行深度回收利用，能将烟气的温度降至25℃，并能有效回收烟气携带的显热和水蒸气携带的大量潜热，供热效率显著提高，在实现经济效益的同时，烟气中的83%以上的水蒸气被脱除，有效解决了冬季供暖中燃气锅炉冒“白烟”现象，净化了烟气，减少NOx的排放，对于缓解能源压力、改善空气质量，具有重要的现实意义。