燃气锅炉烟气冷凝水回收利用的设计计算及探讨

2020-07-08惠荷

电力与能源 2020年3期

惠荷

(西安市政设计研究院有限公司，陕西西安 710054)

由于我国能源紧张、环保要求严格，伴随着节能减排工作的进一步开展，根据《陕西省“治污降霾·保卫蓝天”行动计划》的要求，应加快淘汰燃煤锅炉，积极发展“煤改气”、“煤改电”集中供热，大幅降低污染物排放，促进供热节能减排。目前，燃气锅炉采用先进的燃烧装置降低了氮氧化物排放浓度；采用成熟的烟气余热回收技术在提高锅炉效率的同时析出大量的烟气冷凝水。经过对几个热源厂的调研，大多数热力公司在建设燃气锅炉房初期不清楚烟气冷凝水的水量，运行阶段直接将大量的冷凝水降温后排放掉，造成大量的水资源浪费。本文通过对咸阳某热力公司91 MW燃气热水锅炉烟气各组分的计算，得出烟气冷凝水量及冷凝水回收再利用的技术思路。

1 冷凝水产生的原因

燃气锅炉在燃烧过程中烟气水蒸气的来源包含燃料中氢燃烧、燃料中水分蒸发和随燃烧空气带入的水蒸气三部分。

(1)燃烧产生水蒸气。天然气的主要可燃成分为CH4，由于含有较多的氢元素，燃烧过程会产生大量的水蒸气。

(2)燃料中的水蒸气。部分天然气中含有水蒸气，在燃烧过程中，水蒸气通过烟气排出锅炉。

(3)燃烧空气带入的水蒸气。空气中含有水蒸气，进入锅炉的空气量越大、空气含湿量越大则带入烟气的水蒸气含量也越大。

烟气中的水蒸气，只有当烟气温度低于烟气露点温度时才能冷凝为水。

2 烟气组分计算

2.1 天然气参数

天然气参数表如表1所示。

表1 天然气参数表

2.2 烟气组分

天然气燃烧后的产物就是烟气，当只供给理论空气量时，燃烧产生的CO2、SO2、N2和H2O的总量称为理论烟气量。为保证燃烧，过剩空气系数一般取1.1～1.2，烟气中除这些组分外还有过剩空气，这时的烟气量称为实际烟气量。根据表1天然气参数，计算1 m3天然气产生的各烟气组分含量。

(1)理论空气量：

(1)

式中V0——理论空气需要量， m3/m3；VCmHn——天然气中各种可燃组分的体积分数，%。

根据式(1)，计算可得理论空气量为9.746 m3/m3。

(2)理论氮气量：

(2)

根据式(2)，计算可得理论氮气量为7.719 m3/m3。

(3)二氧化碳量：

VCO2=0.01(VCO2+∑mVCmHn)

(3)

式中VCO2——二氧化碳的体积，m3/m3。

根据式(3)，计算可得二氧化碳量为1.043 m3/m3。

(4)蒸气体积：

(4)

根据式(4)，计算可得理论烟气中水蒸气量为2.103 m3/m3。

(5)理论烟气量：

(5)

根据式(5)，计算可得理论烟气量为10.865 m3/m3。

(6)实际氮气量：

V〗N2=0.79αV0+0.01VN2

(6)

式中VN2——实际烟气中氮气的体积，m3/m3；α——过剩空气系数，取1.2。

根据式(6)，计算可得实际氮气量为9.259 m3/m3。

(7)实际水蒸气体积：

(7)

式中VH2O——实际烟气中水蒸气的体积，m3/m3。

根据式(7)，计算可得实际烟气中水蒸气量为2.118 m3/m3。

(8)过剩氧气体积：

VO2=0.21(α-1)V0

(8)

式中VO2——实际烟气中过剩氧气的体积，m3/m3。

根据式(8)，计算可得实际烟气中过剩氧气量为0.409 m3/m3。

(9)实际烟气量：

Vy=VN2+VH2O+VCO2+VO2

(9)

式中Vy——实际烟气量，m3/m3。

根据式(9)，计算可得实际烟气量为12.829 m3/m3。

2.3 烟气露点温度

由于天然气中不含硫，因此烟气的露点温度即为烟气水露点温度。根据天然气燃烧后烟气组分中水蒸气占烟气的份额，可求得烟气水露点温度。不同水蒸气分压力下烟气露点温度见表2。

表2 不同水蒸气分压力下烟气露点温度表

通过对咸阳某热力公司91 MW燃气热水锅炉烟气各组分的计算可知，实际烟气中水蒸气量为2.118 m3/m3，实际烟气量为12.829 m3/m3，烟气中水蒸气的体积分数为0.165，从而得出烟气的露点温度为55.5℃。

2.4 烟气冷凝水量

当烟气温度低于露点温度时，烟气中水蒸气发生冷凝，烟气冷凝水析出。烟气中水蒸气的冷凝率和冷凝水量与排烟温度的关系见表3。

表3 不同排烟温度下烟气冷凝率及冷凝水量表

目前咸阳某热力公司91 MW燃气热水锅炉安装烟气余热回收装置提高锅炉效率，使排烟温度由180℃降至30℃，锅炉燃气耗量为9 737 m3/h。根据分析可知，稳定运行工况下冷凝水产生量为1.364×9 737×0.001=13.28(t/h)。

3 冷凝水处理工艺流程

经过对咸阳某热力公司烟气冷凝水水质进行分析，从水质报告中发现，水的pH值偏低，全铁含量及硬度偏高。为保证烟气冷凝水能够作为锅炉补水进行再利用，烟气冷凝水水质需满足GB/T1576—2008《工业锅炉水质》中采用锅外水处理的热水锅炉的水质标准要求。

根据燃气锅炉烟气冷凝水水质情况，推荐采用pH调节系统+除铁过滤器的方案对水质的pH值及全铁含量进行纠正，纠正后的烟气冷凝水进入锅炉房原有软水器、除氧器及后续水处理设备。

pH调节系统通过向水中加入氢氧化钠，将水的pH调节至7.0～11.0，满足GB/T1576—2008《工业锅炉水质》对补水pH值的要求。

除铁过滤器的除铁原理：水中铁质主要为溶解性的二价铁，含铁的水经曝气后，流经滤层过滤时，覆盖在滤料表面的活性生物滤膜开始对水中的二价铁离子进行吸附，然后在生物滤膜催化作用下被溶解氧所氧化并吸附在滤料上，氧化生成的三价铁的氧化物作为新的滤膜参与新的催化反应，活性生物滤膜接触氧化二价铁是一个自动催化过程。烟气冷凝水经新增除铁器处理后，水质满足GB/T1576—2008《工业锅炉水质》对补水全铁含量值的要求。

全自动软水器是一种运行和再生操作过程全自动控制的离子交换软水器，利用钠型阳离子交换树脂去除水中钙镁离子，降低原水硬度，以达到软化硬水的目的，从而避免碳酸盐在管道、容器、锅炉产生结垢现象，大大节省投资成本的同时又能保证生产顺利进行。烟气冷凝水经锅炉房原有全自动软水器处理后，水质满足GB/T1576—2008《工业锅炉水质》对补水硬度值的要求。

除氧器的主要作用是除去给水中的氧气,水中溶解了氧气,就会使与水接触的金属腐蚀，会妨碍传热过程的进行,降低设备的传热效果，水中溶解有氧气会直接威胁设备的安全运行。烟气冷凝水经锅炉房原有除氧器处理后，水质满足GB/T1576—2008《工业锅炉水质》对补水氧含量值的要求。烟气冷凝水经过上述处理工艺流程后，完全满足锅炉补水水质的标准，可以作为锅炉补水的一部分进行循环再利用。

4 节约能源

对烟气冷凝水经过pH调节、除铁和软化后完全可满足锅炉补水的要求，91 MW热水锅炉的补水量为26.08 t/h(按照循环水量的2%计算)，锅炉烟气冷凝水量为13.28 t/h，烟气冷凝水量可满足锅炉50%的补水量，减少自来水耗量达50%。pH调节、除铁和软化工艺主要运行成本为电耗及氢氧化钠药剂消耗量。

对该热源厂进行烟气冷凝水回水节能及经济性分析，咸阳地区一个采暖季采暖天数为120天，采暖平均负荷率为0.75，一个采暖季可回收烟气冷凝水量为13.28×24×0.75×120=28 684.8 (t/a)，自来水价格按照工业用水价格5.25元/t,则一个采暖季节约水费15.06万元。根据市场调研，pH调节和除铁工艺设备投资约30万，一个采暖季节运行成本约3万。在不考虑人工、设备折旧等情况下，烟气冷凝水回收项目的投资回收期约为2.5年。按照全寿命周期运行20年计算，91MW热水锅炉烟气凝结水回收利用可节约自来水57.4万t，节约费用约263.6万元，在未考虑提升锅炉效率的情况下，烟气冷凝水回收系统节水及节能效果显著。