燃气锅炉燃烧过程中余热回收利用研究

2022-04-26石磊

能源与环保 2022年4期

石磊

(辛集市建投燃气有限公司，河北辛集 052300)

天然气是人们日常生活和工业生产中重要的基础能源，为提高人民生活和促进工业发展作出了重要贡献。随着人们生活水平的不断提升和城市的快速发展，人们越来越关注天然气燃烧中产生的能源消耗和污染排放问题[1]。甲烷是天然气的主要成分，燃烧产物中包含有约20%的水蒸气，其中蕴含有大量的热量，通过冷凝方式可以对水蒸气中的余热进行回收[2]。但就当前的情况而言，国内外很多供热锅炉为了防止排放的烟气对锅炉装置造成腐蚀问题，通常将排烟温度设置得相对较高，达到了200 ℃以上，远远高于烟气露点温度[3]。导致水蒸气中蕴含的能量直接排放到室外空气，造成了能源浪费现象，天然气燃烧热值使用率只有80%～90%[4]。在我国大力倡导节能减排的大环境下，涌现出了很多燃气锅炉燃烧过程余热回收技术，通过余热回收可以使得天然气燃烧热值使用率接近100%[5]。本文在充分借鉴传统余热回收方案优势的基础上，设计了一种燃气锅炉燃烧过程余热回收技术方案，经过分析发现具有很好的回收效果。对于提升天然气燃烧热值利用率、促进节能减排具有重要的实践意义。

1 天然气基本特征及烟气余热回收性能影响因素

1.1 天然气基本特征分析

天然气中的主要成分为CH4，还包含有一些其他的物质，比如C2H6、C3H8、C4H10等[6]。当天然气的含湿量为3 g/m3时，其燃烧的高位发热值和低位发热值分别为38.5、35.0 MJ/m3。天然气在空气中燃烧时，其产物主要包括氮气、过剩氧气、水蒸气和二氧化碳。

1.2 烟气余热回收影响因素分析

天然气燃烧时会产生大量水蒸气，且蕴含有一定的热量，通过冷凝方式对水蒸气中包含的能量进行回收，能够提升天然气燃烧发热值的利用效率[7]。

(1)排烟温度对冷凝率的影响。对天然气燃烧余热进行回收时，烟气中的水蒸气冷凝量越多，意味着回收的热量越多。烟气在进行热交换时，水蒸气的冷凝率可以基于下述公式计算：

(1)

基于以上公式并结合相关理论，可以计算得到烟气温度对水蒸气冷凝率的影响规律，结果如图1所示。图1中，α为过量空气系数。

图1 排烟温度对水蒸气冷凝率的影响规律Fig.1 Influence of exhaust smoke temperature on condensation rate of water vapor

由图1可知，随着排烟温度的不断升高，烟气中包含的水蒸气冷凝率出现逐渐降低的趋势，且随着过量空气系数的增加，水蒸气露点温度逐渐降低。当排烟温度超过了水蒸气的露点温度后，水蒸气冷凝率降低为0。从图1中还可以看出，随着排烟温度的逐渐升高，水蒸气冷凝率的变化趋势越来越显著。说明排烟温度在接近露点温度但没有超过露点温度时，水蒸气冷凝过程释放潜热的增长速度最快，当排烟温度远低于露点温度时，水蒸气冷凝过程释放的潜热增长速度相对较小。由于冷凝率与余热回收率之间存在紧密联系，存在一个最佳的排烟温度，既保证余热回收效果又降低余热回收成本。

(2)排烟温度对锅炉热效率的影响。燃气锅炉的热效率指的是锅炉实际供热量与天然气燃烧热值之间的比例，计算公式为：

(2)

式中，η和QZ分别为燃气锅炉的供热效率和供热总量；B和H1分别为天然气的总消耗量以及低位燃烧热值。

供热总量是燃烧室中提供的热量以及余热回收的热量的总和[8]，其中余热回收得到的热量为Q1，燃烧室中提供的热量为Q2，即有QZ=Q1+Q2。基于以上公式并结合相关理论可以计算得到烟气温度对燃气锅炉热效率的影响规律，结果如图2所示。

图2 排烟温度对燃气锅炉热效率的影响规律Fig.2 Influence of exhaust smoke temperature on thermal efficiency of gas-fired boiler

由图2可知，排烟温度越高燃气锅炉的热效率越低，为了确保燃气锅炉的供热效率，应适当地降低排烟温度。在排烟温度保持不变的情况下，随着过量空气系数的增加，锅炉的热效率同样逐渐降低。主要原因是当空气过量时并不会完全燃烧，反而会将燃烧室中的热量带走。所以，燃气锅炉中并不是通入的空气越多越好，应该结合实际情况进行控制。在过量空气系数为1时，水蒸气对应的露点温度为59 ℃。当排烟温度从100 ℃降低到59 ℃时，燃气锅炉的热效率相对提升了2%，而当排烟温度从59 ℃降低到55 ℃时，相对热效率同样提升了2%。可见在露点温度附近水蒸气在冷凝时会释放大量的潜热，从而大幅度提升燃气锅炉的热效率。

(3)空气含湿量对露点温度的影响。当外部的环境温度确定时，烟气中的水蒸气露点温度与空气含湿量之间存在紧密的联系，两者之间存在正比例关系，即空气中包含的水蒸气越多，其露点温度越高[9]。前文已述，水蒸气露点温度会对余热回收过程产生比较明显的影响，空气含湿量间接地会对余热回收过程产生影响。基于EES软件模拟得到的空气含湿量对水蒸气露点温度的影响规律曲线如图3所示。

图3 空气含湿量对水蒸气露点温度的影响规律Fig.3 Influence of air humidity on dew point temperature of water vapor

由图3可以看出，随着空气含湿量的不断增加，水蒸气露点温度随之不断增加。当空气过量系数为1时，空气含湿量为3 g/m3时对应的露点温度为59 ℃左右，当空气含湿量增加到3 g/m3时对应的露点温度升高了62 ℃左右。基于以上结果认为，在对燃气锅炉余热进行回收时，适当增加空气的含湿量能在一定程度上提升水蒸气露点温度，从而提升余热回收效果。

2 余热回收整体技术方案设计

针对燃气锅炉燃烧过程的余热回收问题，目前已经有多种余热回收技术方案。本文主要是在充分借鉴冷凝式余热回收系统优势的基础上，提出一种余热回收效果更好的技术方案。设计的燃气锅炉燃烧过程中余热回收技术方案如图4所示。本技术方案即便是在一次网回水温度很高时，也可以充分吸收烟气中的冷凝水热量，从而避免热量的损失，提高热量利用效率。基本原理是通过提升空气含湿量提高了烟气中水蒸气的分压力，进而使得烟气的露点温度得以升高。

图4 燃气锅炉燃烧过程中余热回收技术方案示意Fig.4 Schematic of waste heat recovery technology scheme in combustion process of gas boiler

由图4可知，此余热回收技术方案内部包含有1个间接式换热器和2个直接接触式换热器。其中，后者能够对空气进行加湿并加热。工作过程主要如下：①燃气锅炉在燃烧过程中会产生一次网回水和烟气，其温度分别为th和tf1，烟气和回水在间接式换热器中进行热量交换；②烟气经过间接式换热器后温度变成tf2，再将其导入到直接接触式换热器Ⅰ中，换热器中通有温度相对较低的水，其温度为tw3，烟气与低温水进行热交换后温度变成tf3，直接排放到大气中；③温度为tw2的低温水从直接接触式换热器Ⅰ中排出后，喷淋到直接接触式换热器Ⅱ中，喷淋过程中低温水与室外温度为ta1的空气进行热量交换；④在直接接触式换热器Ⅱ中空气温度被加热到ta2，然后将其排放到燃烧室中，为燃烧过程提供氧气；⑤在直接接触式换热器Ⅱ中排出的循环水通过喷淋的方式进入直接接触式换热器Ⅰ中，此过程水温会降低。

3 换热器技术参数的选择

研究主要以2 t/h燃气锅炉为案例进行介绍与分析。锅炉的额定负荷和额定流量分别为1 400 kW和5.13 kg/s，供水温度tg和回水温度t1分别为120 ℃和55 ℃，排放烟气温度tf1和供热效率分别为110 ℃和92%。

3.1 间接式换热器

假设锅炉排出的烟气经过间接换热器后，温度从110 ℃降低到60 ℃，空气经过直接接触式换热器Ⅱ后，温度从-9 ℃升高到40 ℃，空气的含湿量为56 g/m3，根据图3并基于差值计算可知，当过量空气系数为1.2时对应的水蒸气露点温度为61.2 ℃。烟气经过间接式换热器后温度降低到60 ℃，低于露点温度，因此会冷凝释放潜热。结合实际情况设计的热交换面积为5.1 m2，使用的材料具有很好的腐蚀性，换热系数为0.5 kW/(m2·K)。在上述技术参数条件下，水蒸气在间接式换热器中冷凝过程向外释放的热量为45.5 kJ/s，用Qb表示，以上结果是在额定负荷工况条件下计算得到。

3.2 直接接触式换热器

设计的直接接触式换热器具有很好的绝热性能，烟气散失的热量全部被空气吸收[10]。烟气通过直接接触式换热器Ⅰ和Ⅱ释放的热量为Qf0，空气吸收的热量和喷淋水吸收的热量分别为Qa和Qw。喷淋水的初始温度为45 ℃，单位时间内喷淋水的流动质量是烟气质量的7倍，认为气体在流经直接接触式换热器时体积不会发生改变。基于此，可以得到Qf0为82.1 kJ/s。假设烟气与水发生直接接触并进行热交换时的规律与普通空气与水接触时的热交换规律相同，则可以计算得到烟气分别经过直接接触式换热器Ⅰ和Ⅱ时的全热交换效率分别为78.7%和88.3%。根据以上结果可以对直接接触式换热器的结构尺寸进行设计。

4 余热回收供热性能研究

利用EES软件对燃气锅炉燃烧过程余热回收性能进行分析和研究，以2 t/h燃气锅炉为例进行介绍。为了分析不同工况条件下余热回收技术方案性能的优劣，分别将锅炉的供热负荷设置为100%、80%、50%和30%进行模拟计算。设计的余热回收技术方案中，烟气释放的热量不仅被一次网回水吸收，还被空气吸收，认为烟气释放的热量等于空气和一次网回水吸收的热量总和。

4.1 供热负荷为100%时余热回收性能

燃气锅炉在没有使用烟气余热回收装置之前，烟气的排出温度为110 ℃。在使用了烟气余热回收系统装置以后，由于烟气进行了后续的间接和直接热交换处理，温度有所降低。由于进行了余热回收，所以，在燃气锅炉供热量同样为1 400 kJ/s的情况下，燃气锅炉中使用的天然气量有所降低，达到了节能减排的效果。在燃气锅炉的供热负荷为100%的工况条件下，模拟计算得到换热器的温度参数如图5所示。

图5 供热负荷为100%时换热器的主要温度Fig.5 Main temperature of heat exchanger when heating load is 100%

模拟计算得到的主要热量参数如下：总供热量QZ=1 400 kJ/s，燃烧室中提供的热量Q2=1 272.4 kJ/s，烟气在间接式换热器和直接接触式换热器中释放的热量Qb=45.5 kJ/s、Qf0=82.1 kJ/s。通过余热回收系统回收得到的热量Q1=Qb+Qf0=127.6 kJ/s。同等工况下可以节省燃气量0.003 6 m3/s。

4.2 供热负荷为80%时余热回收性能

前文已述，空气的含湿量会对烟气中水蒸气的露点温度产生一定程度的影响，空气的饱和含湿量与其干球温度存在紧密联系。如果直接接触式换热器Ⅱ的出口空气温度没有给出，就无法对烟气水蒸气的露点温度进行准确计算，进而无法获得余热回收量。当燃气锅炉实际工作情况为额定负荷的80%时，假设直接接触式换热器Ⅱ的出口空气温度为40 ℃，对应的空气饱和含湿量为56 g/m3，在图3的基础上结合插值方法可以获得过量空气系数为1.2时，水蒸气的露点温度为61.2 ℃。在上述数据的基础上，利用同样的方法可以模拟计算得到余热回收系统的主要温度参数，结果如图6所示。

图6 供热负荷为80%时换热器的主要温度Fig.6 Main temperature of heat exchanger when heating load is 80%

模拟计算得到的主要热量参数如下：总供热量QZ=1 120 kJ/s，燃烧室中提供的热量Q2=1 000.4 kJ/s，烟气在间接式换热器和直接接触式换热器中释放的热量Qb=45.1 kJ/s、Qf0=74.5 kJ/s。通过余热回收系统回收得到的热量Q1=Qb+Qf0=119.6 kJ/s。同等工况条件下可以节省燃气量为0.003 42 m3/s。

4.3 供热负荷为50%时余热回收性能

利用与上文同样的方法，可以计算得到燃气锅炉实际工作情况为额定负荷的50%时余热回收系统的主要温度参数，结果图7所示。模拟计算得到的主要热量参数：总供热量QZ=700 kJ/s，燃烧室中提供的热量Q2=607.5 kJ/s，烟气在间接式换热器和直接接触式换热器中释放的热量Qb=37.5 kJ/s、Qf0=55 kJ/s。通过余热回收系统回收得到的热量Q1=Qb+Qf0=92.5 kJ/s。同等工况条件下可以节省的燃气量为0.002 64 m3/s。

图7 供热负荷为50%时换热器的主要温度Fig.7 Main temperature of heat exchanger when heating load is 50%

4.4 供热负荷为30%时余热回收性能

当燃气锅炉的供热负荷为额定负荷的30%时，排烟温度相对较低，这里假设直接接触式换热器Ⅱ的出口空气温度为35 ℃，对应的空气饱和含湿量为42.1 g/m3，水蒸气的露点温度为59.8 ℃。在上述数据的基础上，利用同样的方法可以模拟计算得到余热回收系统的主要温度参数，结果如图8所示。模拟计算得到的主要热量参数：总供热量QZ=430 kJ/s，燃烧室中提供的热量Q2=381.9 kJ/s，烟气在间接式换热器和直接接触式换热器中释放的热量Qb=24.8 kJ/s、Qf0=23.3 kJ/s。通过余热回收系统回收得到的热量Q1=Qb+Qf0=48.1 kJ/s。同等工况条件下可以节省的燃气量为0.001 37 m3/s。