冷凝模块燃气热水锅炉烟气脱白的探究

张勇 卢瑞梦

摘要：介绍采用热泵及高效冷凝器对锅炉烟气进行“脱白”，探讨热回收温度的梯级利用，并举例计算其节能效果及经济效益。

关键词：冷凝模块燃气热水锅炉，热泵，烟气脱白。

引言：

随着国家对建筑节能的日益重视以及新的环保标准的实施，冷凝模块燃气热水锅炉在采暖的市场占有率越来越高。该锅炉具有节能环保、体积小、噪音小、排烟温度低等优点。但随着锅炉烟气温度的降低，烟气中水蒸气由过热状态越来越趋近饱和状态，烟气排出烟囱遇冷后立即液化成液滴，造成“白烟”现象，导致较严重的视觉污染和污染环境，降低居住环境并引起投诉。因此有必要对烟气的“脱白”进行深入研究。

一、烟气脱白系统

本文采用“烟气降温冷凝脱水”的原理来降低水蒸气含量。即：在锅炉烟道设高效烟气-水冷凝器，利用热泵装置生产冷冻水（13～18℃），将烟气温度由80℃降低至20℃以下。烟气中的水蒸气凝结为液体排掉。同时热泵将烟气中回收的热量提升温度（35～40℃）后补充至采暖循环水系统。此过程需消耗部分电能。系统原理见图 1 。

1.1 烟道设计

当烟气从冷凝器出来后，需进入一段水平烟道，烟气流速控制在4m/s以内，水平段长度大于4m，以保证烟气和凝结水充分分离。同时在烟道底部隔离出排水层，排水层设坡度通向凝结水水封，以防止凝结水二次蒸发。在设计中推荐采用地下混凝土烟道，排水层高度2-3cm。

1.2 循环水系统设计

循环泵的选型及管道管径须与设计流量、扬程相匹配，避免过大或过小造成的能源浪费或系统无法整成运行。

如果热泵冷凝侧系统阻力较大，则需设循环泵克服系统阻力，循环泵应采用变频控制，方便现场调试。同时二次网回水主管道取水处管道需加粗2号，且应采用斜三通，三通间距应大于10倍管径。

1.3 节能措施

1. 通过增加采暖换热器面积，降低一次网热媒水回温度，锅炉排烟温度随一次网回水温度降低，烟气焓值降低。可降低热泵选型及耗电量，从而达到节能目的。

2. 选用高效烟气-水冷凝器，可提升热泵冷冻水温度，从而提升热泵COP，达到节能目的。

3. 优先选用地板辐射采暖系统。采用“低温长送”的供热模式，尽量避免由于二次网回水温度过高，从而提升热泵COP，达到节能目的。

二、烟气脱白系统计算

2.1. 烟气成分分析计算

天然气主要成分是CH4，经燃烧后产生CO2和水蒸气，燃烧反应式见式（1-1）。

CH4+2O2+8N2+0.1（2O2+8N2） = CO2+2H2O+8N2+0.1（2O2+8N2） （1-1）

注：下划线部分为N2及10%过量空气，此部分不参与反应。

烟气经过冷凝器降温的过程中会放出热量，这部分热量包括气体降温的显热和水蒸气的汽化潜热两部分。

根据式（1-1）可知水蒸气约占烟气成分的2/12（约16.7%），故水蒸气分压力为0.0167MPa。查饱水蒸气性质表，可知此时烟气露点为56℃。当烟气经过冷凝器，温度降低至20℃时，此时饱和水蒸气分压力降至0.003MPa，即水蒸气含量为3%。

因此计算烟气热回收量时，应计算13.7%的水蒸气的汽化潜热，以及烟气其余各成分由80℃降至20℃的显热之和。

2.2 烟气热量的计算

以西安市某住宅小区为例，采暖面积8×104㎡，末端为地辐射，热指标40W/㎡，总热功率3200KW。天然气热值8500Kcal/Nm3。采用3台1.2MW冷凝模块燃气锅炉，排烟温度80℃，锅炉热效率97%。

锅炉耗气量及生产的烟气量计算如下：

耗气量：3200KW×3600 / （0.97×8500Kcal/Nm3×4.2KJ/kg·℃）

=332.7Nm3/h。

煙气量：332.7Nm3/h×12=3992.4Nm3/h。

1. 烟气显热热量的计算见式（1-2）。

Q——热量kJ; c——比热容KJ/（kg·℃）;

m——烟气中各成分的质量kg; 腡——温差℃;

η——各成分占锅炉烟气比例; G——烟气总体积 Nm3;

M——气体相对分子质量g/mol。

根据式（1-2）及（1-3），计算出各成分显热，如下表所示：

即烟气显热热功率为：276410.41 / 3600=76.78KW。

2. 水蒸气汽化潜热热量的计算见式（1-3）。

（1-3）——蒸汽比焓 kJ/kg。——水比焓 kJ/kg。

查饱和水蒸气性质表可得：（80℃饱和蒸汽）=2643.8 kJ/kg。

（20℃饱和水）=83.5 kJ/kg。

故：Q=439.48kg×（2643.8-83.5 ）=1125200 KJ。

即水蒸气汽化潜热热功率为：1125200 / 3600 =312.56KW。

综上所述，该小区烟气脱白系统共可回收热功率398.34KW。

提高锅炉热效率：398.34/3200=12.45%。

节省燃气332.7×12.45%=41.42Nm3/h。

2.3. 耗电量计算

1. 热泵耗电量

经调研，热泵在该工况下（蒸发器18/13℃，冷凝器35/40℃）。COP可达到5.5。

故热泵耗电量：398.34KW / 4.5 =88.5KW。

热泵制热量：398.34+88.5=486.84KW。

1.2循环泵耗电量

蒸发器循环泵：流量80m3/h，扬程14m。功率7.5KW。

冷凝器循环泵：流量100m3/h，扬程11m。功率5.5.KW。

综上所述，该小区烟气脱白系统总耗电量为101.5KW。

三、经济效益分析

经调研，西安市集中供热燃气价格2.23元/Nm3，平均电价0.62元/KW·h。锅炉满负荷系数取0.75。

每小时节省燃气费用：41.42Nm3×2.23元/Nm3=92.37元/h。

每小时增加电费：101.5KW×0.62元/KW·h=62.93元/h。

全年节省费用：（92.37-62.93）×24h×120天×0.75=6.36万元。

经调研，西安市集中供热收费为5.8元/㎡·月。供热企业年利润率约10%。该套设备一次投资约8元/㎡。以此小区为例，供热企业每年净利润为：

8×104㎡×5.8元/㎡·月×4月×10%=18.56万元。

烟气脱白系统可提升项目效益：6.36 / 18.56×100%=34.3%。

投资回收年限：80000㎡×8元/㎡ / 63600元=10.06年。

四、结论

根据以上数据，烟气脱白系统从技术方面是成熟的，也是完全可行的。同时该系统采用热泵技术，消耗少部分电能，降低大量天然气的消耗，符合国家节能减排和建筑能耗的要求。在投资方面看，该系统可有效降低运行成本，增加企业效益。

烟气脱白系统最大的优势体现在在社会效益方面，该系统可有效降低烟气中含水率，降低“白烟”视感。降低了烟气对环境的污染，提升了生活环境的舒适度，改善生态环境，提升城市生活品味。

参考文献：

[1] 陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版）[M]. 北京： 中国建筑工业出版社，2007.

[2] 张旭. 热泵技术[M]. 北京： 化学工业出版社，2007.

[3] 车得福，亢艳滨，刘卫东，方胜. 天然气锅炉极限热效率及排烟损失分析[J]. 能源研究与信息. 2001，17（4）： 217-224.

[4] 车得福，刘艳华. 烟气热能梯级利用[M]. 北京： 化学工业出版社，2006.

作者简介：

[5] 姓名：张勇 （1992.06.14） 性别：男 民族：汉族 籍贯：陜西省西安市 学历：本科 单位：陕西博天节能环保科技有限公司 职称：无 研究方向：暖通空调动力

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[7] 姓名：卢瑞梦，1990年5月22日

[8] 性别：女 民族：汉 籍贯：陕西省咸阳市

[9] 学历：本科 单位：秦华热力集团有限公司（陕西省西安市）

[10] 职称：无 研究方向：暖通空调