燃气锅炉烟气余热回收与低氮排放协同处理技术研究

2023-12-04冯琳峰秦成符瑞斌

中国设备工程 2023年22期

冯琳峰，秦成，符瑞斌

（海南省锅炉压力容器与特种设备检验所，海南海口 570203）

燃气锅炉的工作原理并不复杂，燃烧器将燃气充分燃烧后，通过辐射以及对流导热，将热能传递给水，当水受热后就会产生蒸汽，从而满足工厂对生产的需求。为提升能源的综合利用效益，减少氮氧化物的排放，需要基于燃气锅炉的运行原理，对各个运行系统实行科学合理的优化，在不影响燃气锅炉正常稳定运行的前提下，达成节能减排的目的，延长锅炉的运行年限。

1 燃气锅炉烟气余热回收技术研究

1.1 换热器式烟气余热回收技术

近年来，社会对节能减排的重视程度与日俱增，在这种背景下，我国对各种烟气回收技术进行了研究。其中对换热器式烟气余热回收技术加以探析后，可得出以下结论。

（1）将壁式与废水换热器有机结合后，形成的非接触式全热交换系统。将该系统切实应用到燃气锅炉中，相较传统的燃气锅炉，该系统下的锅炉整体运行效率可提升12%左右。

（2）烟气中间加湿温差发电系统，这种系统有效应用了高温烟气，在温度较低的情况，热电机组的功率可升高。

（3）预干燥系统，利用这种系统回收湿法烟气脱硫后的余热，相较传统的系统，该系统的烟气净化效率可达44%左右。

（4）深层次挖掘热电联产机组的节能效益后，采取排汽深度优化技术。这种系统在运行过程中，会将废气利用与空气加热、冷凝水加热紧密结合，在一定程度上，保障了余热的回收效率，有利于增强热电联产机组的性能。

1.2 热泵式烟气余热回收技术

为进一步强化燃气锅炉的余热回收能力，有研究提出借助热泵回收烟气余热。其中包括空气热泵烟气余热制冰系统、开放式热泵系统、吸收式热泵系统以及吸收式热泵与燃气锅炉相结合的系统等。此外，还有燃气锅炉烟气冷凝余热回收系统，这种系统将压缩热泵与烟气喷淋塔结合到一起后，热泵自身的性能，化解了低温冷源的问题。为验证该系统的回收性能，展开了验证实验，将58kW 的燃气锅炉作为烟气源，当锅炉负荷处于90%，且过量空气系数是1.2 时，该系统余热回收率的平均值为12.5%，其不仅可以将烟气中的水蒸气含量减少65%以上，还能够将排烟温度控制在30 ～35℃。

1.3 多种方式结合的烟气余热回收技术

多种烟气余热回收系统指的是将不同的余热回收技术联系到一起，如多极化气工艺与钢热处理炉的集成系统，这种系统可以将炉膛中的烟气加以回收，同时，还可以有效增强气化炉系统的能效，最高可提升至13%；还有将蒸汽压缩制冷与液体除湿结合到一起的混合热回收系统，该系统可将锅炉当量热效率从90%升至100%以上。

2 烟气余热回收与低氮排放协同处理系统性能分析

相较原始的燃气锅炉，烟气余热回收与低氮排放系统所产生的环境效益要更高，将该系统应用到燃气锅炉中，可大幅度减少氮氧化物的排放总量，原因在于两方面：一方面，是当助燃空气含湿量增多以后，锅炉氮氧化物排放浓度会明显降低；另一方面，是系统中的节能热网会加强对余热的利用，当天然气的消耗量始终小于原始锅炉，氮氧化物排放总量就会下降。因此，在改良和优化原始燃气锅炉的过程中，要科学应用燃气余热回收与低氮排放系统，确保其能够发挥出应有的作用和价值，为燃气锅炉的长效稳定运行奠定良好的基础。

2.1 氮氧化物实验

在氮氧化物的排放实验中，本实验采用烟气分析仪，对原始的燃气锅炉（未加装任何系统）的氮氧化物排放量以及具体的排放浓度，展开系统的检测，经过科学的检测后，得出以下结果：在烟气分析仪的支持下，分别检测了45℃、50℃、55℃的热网回水温度的氮氧化物排放浓度，而氮氧化物排放浓度的平均值为129.5mg/m3。根据该结果，继续对氮氧化物排放稳定性以及减排效率，实行全面的分析，获得以下结论：

（1）氮氧化物排放稳定性。在高、中、低助燃空气含湿量运行条件下，助燃空气的含湿量与氮氧化物的排放浓度呈反比例关系，即含湿量增加，氮氧化物的排放浓度会降低，当助燃空气的温度为47.41℃且空气含湿量为73.86g/kg干空气时，燃气锅炉所排放的烟气氮氧化物浓度为29.61mg/m3，该数据明显低于锅炉氮氧化物排放标准。

（2）减排效率。如图1 所示，各个工况下氮氧化物的排放规律。经过对图1 的分析可知，若助燃空气含湿量的条件相同，即便热网回水的温度不同，锅炉排放烟气中的氮氧化物浓度也十分接近，由此可知，热网回水温度对氮氧化物排放效率的影响较小。

根据图2 中的内容可知，助燃空气含湿量与烟气氮氧化物的减排效率呈正比例关系，即含湿量升高，减排效率也随之升高，但助燃空气的含湿量由热水网回水温度决定。因此，在改良燃气锅炉的过程中，要将重点放在助燃空气的含湿量以及热水网回收系统上，采取行之有效的手段，将燃气锅炉中的热水网回收温度提高，从而强化氮氧化物的减排效果。

2.2 氮氧化物排放

通过该实验分析了燃气锅炉氮氧化物的排放浓度后，基于烟气余热回收与低氮排放协同处理系统，所产生的热网余热利用效果，对该系统中氮氧化物的减排质量和效率，展开了全方位的研究。

（1）从能量的角度分析，热网余热回水效率与燃气节约量的变化趋势具有一致性，若二者同处于温度条件一致的热网回水温度下，燃气节约量与喷淋水流量呈正比例关系，即水流量增加，节约量也会随之上升，若二者同处于相同的喷淋水流量下，则燃气节约量随着热网水温度的变化而变化，当温度上升节约量会下降。根据上述分析可知，热网回水温度不同，助燃空气含湿量也会有所不同，但高温度的热网回水，会降低热网余热的整体利用效率，但该系统可通过两种方式，达成氮氧化物减排的目的，一种是热网余热回收，另一种是降低氮氧化物排放浓度。由于热网余热利用效率增加，喷淋水流量会增多，助燃空气含湿量增加，锅炉氮氧化物排放浓度会降低，要想促使助燃空气含湿量更高，就要让空气加湿段液气比也升高。就该燃气锅炉的整体情况而言，其需要增多喷淋水流量。以55℃热网回水温度、0.82m3/h 喷淋水流量为例，燃气锅炉在这种运行条件下，氮氧化物的排放浓度为39.9mg/m3，而助燃空气含湿量、锅炉的燃气消耗量以及热网余热利用效率分别为：73.9g/kg干空气、5.13m3/h、1.37kW。

（2）在计算上述燃气节约量时，是利用燃气低位的发生量以及热网余热利用量，但就实际情况而言，燃气锅炉在运行过程中，燃气消耗量应以相同的热网供热量为基础，若将原始燃气锅炉的90%作为对比工况，则锅炉的运行效率以及燃气消耗量分别为88%、5.13Nm3/h。

（3）原始燃气锅炉的实验数据为：助燃空气含湿量平均值与氮氧化物排放浓度分别为3.2g/kg干空气、129.5mg/m3，其中烟气体积是12.57Nm3，经计算可知，燃气锅炉排放的烟气总量：1.86×105Nm3、氮氧化物排放总量有23.1kg。由此可知。在工况条件为55℃的热网回水、0.82m3/h 的喷淋水流量时，锅炉所排氮氧化物总量为7.65kg，减排效率高达64.7%。基于此，燃气锅炉利用热网余热以及控制氮氧化物排放量以及浓度这两种方式。可强化减排效果，产生巨大的环境效益和社会效益。

2.3 系统协同效益

协同处理系统在燃气锅炉的烟气余热回收以及低氮排放方面，发挥出了显著的作用和价值，为使该系统的节能减排效益最大化，本研究对该系统的协同效益实行了精准的评估。如图3 所示。

图3 烟气余热回收与低氮排放协同处理系统效益评估图

结合图3 可知，燃气锅炉的加湿段单元液气比的变化与喷淋水流量有关，当水量增多时，液气比也会随之增加，同时助燃空气含湿量也会逐步升高。从节能减排的角度出发，该协同处理系统在节能方面的效益显著，在助燃空气含湿量上升的情况下，烟气露点温度也会变高，进而提升了烟气余热回收效率，并且助燃空气含湿量的增加，也是氮氧化物浓度降低的重要原因之一。由此，烟气余热回收与低氮排放处理技术，具有较强的经济效益以及节能环保效益，适用于燃气锅炉中。本文所研究的烟气余热回收以及低氮排放协同处理系统，在燃气锅炉的节能和低氮排放方面，产生了显著的协同增强功能。

3 烟气余热回收与低氮排放协同处理系统优化方案

3.1 系统优化经济性分析

在实验初期，主要目的是验证协同处理系统的性能，因此未能对管件与水泵实行优化配置。结合以上实验数据可知，该协同处理系统的喷淋水流量在0.23 ～0.83m3/h，为增强燃气锅炉的经济效益，还需要优化改良水泵以及喷嘴等管件，本研究使用的水泵为370W，其可用扬程以及最大流量分别为22m、3.4m3/h，喷嘴的型号为SMP-218，在扬程为7m 的情况下，该喷嘴的喷淋流量可达1.0m3/h，能满足任何实验条件。为减少沿程损失，选择的水管为PPR-DN40,通过对各个管件的优化配置后，该协同处理系统的总功率可达740W,最大的运行功率可达2×370W。

在多功率的燃气锅炉下，该系统所产生的经济效益为：当燃气锅炉的运行条件为45℃热网回水、0.83m3/h喷淋水流量时，余热回收与低氮排放协同处理系统在不同功率的燃气锅炉下的燃气节约量，当锅炉的运行功率上升时，燃气节约量以及燃气节约费用也会随之升高。

3.2 系统余热利用优化方案

烟气余热回收与低氮排放协同处理技术的节能环保效益较强，但在该系统实际运行过程中，排烟损失未能得到有效降低，因此要采取相应的优化手段，对协同处理系统展开优化设计。

针对热网余热利用率低的问题，要将优化重点放在系统的运行流程上，在热交换过程中，喷淋水会与烟气交换，完成交换后，温度较高的喷淋水会流进水热交换器，与热网换热完毕后，一部分喷淋水会流进空气加湿段，喷淋加湿助燃空气后再次进入烟气换热段，展开二次循环，剩余的喷淋水会直接返回烟气换热段进行二次循环。通过这种方式，将加湿空气段中的余热降低，热网余热效率会自动升高。