燃气锅炉烟气余热回收方案比选

李 清， 赵耀宗， 高 峻， 王 逊

(1.北京燃气集团有限责任公司， 北京 100035； 2.北京优奈特燃气工程技术有限公司，北京 100023)

1 概述

烟气热损失是燃气锅炉各项热损失中最大的一项。常规烟气余热回收技术主要是通过设置烟气冷却器、空气预热器[1]，加热热网回水、锅炉进口空气，烟气的潜热未被充分利用，余热利用率低。

本文将热功率为5.6 MW的燃气锅炉作为研究对象，采用Aspen Plus流程模拟软件，建立烟气常规余热回收方案(方案1)、直接接触式[2-3]余热回收方案(方案2)、直燃型溴化锂吸收式热泵机组[4-8](以下简称热泵机组)余热回收方案(方案3)的仿真流程，对比方案的技术经济性，确定适宜的余热回收方案。

2 模拟方法及评价指标

某供热项目，设计供、回水温度为70、50 ℃，配套1台5.6 MW燃气热水锅炉及辅机设备。在供热量为5 494 kW的前提下，分析计算3种方案的系统供热效率。将方案1作为基准方案，计算方案2、3的增量投资回收期。年运行费用包括年天然气费用、年电费、年维护费用。

2.1 模拟方法与设定参数

① 模拟方法

采用Aspen Plus流程模拟软件，建立3种方案的仿真流程。采用Radfrac模块对直接接触式烟气-水换热器(以下简称烟气换热器)、直接接触式空气-水换热器(以下简称空气换热器)分别进行塔板设计、塔板校核。天然气、空气物性参数计算采用P-R方程，水及水蒸气物性参数计算采用STEAM-TA模块。

② 设定参数

天然气的各组分体积分数见表1。天然气的低热值为35 080 kJ/m3。

表1 天然气的各组分体积分数 %

3种方案的供热量均为5 494 kW，用户供水温度70 ℃，回水温度50 ℃。燃气锅炉过剩空气系数为1.1。烟气冷却器、板式换热器、冷凝式换热器的换热效率为98%。空气换热器的散热损失率为5%。烟气换热器的散热损失率为5%，进口水-烟气质量比为3。热泵机组热力系数为1.0。循环泵效率为90%，送风机效率为75%。空气换热器、烟气换热器结构参数见表2。空气换热器填充塑料鲍尔环，直径25 mm，高度25 mm，厚度0.4 mm。烟气换热器填充不锈钢鲍尔环，直径38 mm，高度38 mm，厚度0.4 mm。

表2 空气换热器、烟气换热器结构参数

3种方案主要设备的额定参数见表3，各方案中主要设备的配置数量均为1台，不考虑备用。

表3 3种方案主要设备的额定参数

2.2 评价指标

① 系统供热效率

系统供热效率η的计算式为：

(1)

式中η——系统供热效率

Φout——对用户的供热量，kW

Φin——天然气耗热量，kW

② 增量投资回收期

增量投资回收期t的计算式为：

(2)

式中t——增量投资回收期，a

ΔF——与方案1相比，方案2、3的投资增量，元

ΔC——与方案1相比，方案2、3节省的年运行费用，元/a

系统供热效率越高，说明方案的能源利用率越高。增量投资回收期越短，说明方案回收投资增量(相对基准方案)的时间越短。

3 余热回收方案

① 方案1

方案1的工艺流程见图1。图中仅绘制出送风机，未绘制出循环泵(在采用Aspen plas软件建模时考虑)，图中流程线旁物料的温度、流量(体积流量或质量流量)为供热量5 494 kW条件下的数据，以下相同。板式换热器一级侧出水(温度为70 ℃)分为两部分，一部分进入烟气冷却器被加热至77 ℃，另一部分与烟气冷却器出水混合后进入燃气锅炉被加热至95 ℃。燃气锅炉烟气(130 ℃)经烟气冷却器冷却后温度降至80 ℃。

② 方案2

方案2的余热回收装置主要为烟气换热器、空气换热器、烟气冷却器。水、烟气质量比为3、排烟温度为41.4 ℃时，方案2的工艺流程见图2。用户回水分为两部分：一部分进入烟气冷却器，被烟气加热至60 ℃。另一部分与经烟气冷却器加热的用户回水混合，进入板式换热器加热至70 ℃。燃气锅炉出口烟气(130 ℃)经烟气冷却器换热后温度降至80 ℃，然后进入烟气换热器与喷淋水直接接触换热后温度降至41.4 ℃进行排放。在空气换热器中，经烟气换热器加热的循环水与低温空气直接接触，空气被处理至60 ℃的饱和状态，然后进入燃气锅炉。

由于燃气锅炉进口空气经过加湿，因此烟气换热进口烟气中水质量分数达到22%，露点为74.93 ℃。

图2 水气质量比为3、排烟温度为41.4 ℃时方案2的工艺流程

③ 方案3

排烟温度为41.4 ℃时，方案3的工艺流程见图3。用户回水分为两部分，一部分进入热泵机组被加热至70 ℃，另一部分由烟气冷却器、板式换热器加热至70 ℃，这两部分水混合后作为用户供水。燃气锅炉出口烟气(130 ℃)经烟气冷却器换热后(温度降至80 ℃)与热泵机组出口烟气(80 ℃)混合后进入冷凝换热器加热热泵机组的低温热水。燃气锅炉进口空气未经加湿，冷凝换热器进口烟气中水质量分数仅为10%。

4 计算结果与分析

① 系统供热效率

根据仿真结果，采用式(1)可计算得到，3种方案的系统供热效率分别为94.1%、99.3%、100.7%。

② 增量投资回收期

燃气价格取2.36 元/m3，电价取0.55元/(kW·h)，年维护费用按投资的0.5%计算。在最大热负荷利用时间为1 314、2 576 h条件下，计算方案2、3的增量投资回收期。与方案1相比，方案2、3的投资增量分别为136×104、265×104元。根据仿真结果，可计算得到方案2、3在两种最大热负荷利用时间下节省的年运行费用(相比于方案1)，见表4。采用式(2)，可计算得到方案2、3在两种最大热负荷利用时间下的增量投资回收期，见表4。由表4可知，相同最大热负荷利用时间条件下，方案2、3节省的年运行费用接近，但方案2的增量投资回收期更小，说明方案2的经济性更优。

图3 排烟温度为41.4 ℃时方案3的工艺流程

表4 方案2、3的在两种最大热负荷利用时间下的增量投资回收期

5 结论

将热功率为5.6 MW的燃气锅炉作为研究对象，采用Aspen Plus流程模拟软件，建立烟气常规余热回收方案(方案1)、直接接触式余热回收方案(方案2)、直燃型溴化锂吸收式热泵机组余热回收方案(方案3)的仿真流程。将方案1作为基准方案，在供热量为5 494 kW的前提下，分析计算3种方案的系统供热效率及方案2、3的增量投资回收期。3种方案的系统供热效率分别为94.1%、99.3%、100.7%。方案2、3的投资增量分别为136×104、265×104元。方案2、3节省的年运行费用接近，但方案2的增量投资回收期更小，方案2的经济性更优。