集中供热燃气锅炉房烟气余热深度回收技术研究与应用

[摘 要]“双碳”目标下，深度挖掘锅炉烟气余热资源已成为集中供热领域节能降碳的重要手段。作为首都最早从事区域集中供热的企业之一，北京天岳恒房屋经营管理有限公司以自身运营管理的燃气锅炉房为试点，通过开展烟气余热深度回收技术研究与应用，研发了一套适配的装置和技术方案，成功挖掘出燃气锅炉的节能潜力，在降低天然气消耗的同时，彻底解决了冬季供热锅炉烟囱冒“白烟”的现象，极具推广价值。

[关键词]“双碳”目标；集中供热；燃气锅炉房；烟气余热回收

一、公司简介

北京天岳恒房屋经营管理有限公司（简称“天岳恒”）成立于1976年，注册资金2150万元，为北京首都开发控股（集团）有限公司旗下三级全资子公司，主营业务包括物业管理、工程施工、锅炉供暖运营服务等。

作为首都最早从事区域集中供热的企业之一，天岳恒连续多年被行业主管部门评为先进供热企业，现为北京市供热协会副理事长单位、北京物业管理行业协会副会长单位。截至2023年8月，公司在管的锅炉房/换热站有近200处，总供热面积达1300余万平方米，供热服务覆盖首都13个区14余万户居民。

近十年来，天岳恒先后实施了供热节能运行、智慧供热改造、锅炉低氮改造、热工仪表检测、工程管理、配电设备技改选型等几十项科技创新项目，并高质量完成了锅炉房煤改气、油改电、节能减排等多项大型技改提升工程，成为供暖行业安全标准化示范企业。

二、实施背景

2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话时宣布，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。这充分彰显了中国积极应对气候变化、走绿色低碳发展道路的坚定决心，也为我国能源高质量发展指明了前进方向。

随后，“碳达峰”“碳中和”工作成为2020年12月召开的中央经济工作会议重点部署的八大任务之一，并被首次写入2021年政府工作报告。

“双碳”目标下，北京市发展改革委等十一部门于2022年联合印发《北京市进一步强化节能实施方案（2023年版）》，明确提出要实现新能源供热多元有序发展，充分挖掘城市余热资源，推动余热热泵供热系统建设。

数据显示，截至2022年底，北京市供热面积已达7.2113亿平方米，天然气等能源消耗巨大。有研究表明，通过提高区域供热锅炉房能源利用率，挖掘锅炉烟气余热资源，可以有效减少一次能源消耗。

鉴于此，天岳恒选取位于丰台区的某集中供热燃气锅炉房为试点，实施烟气余热深度回收技术研究。该锅炉房装有4台29兆瓦、1台14兆瓦燃气热水锅炉，总装机容量为130兆瓦，供热面积125.45万平方米，其中居民供热面积73万平米，覆盖用户9700余户。

经调研，项目组发现该锅炉房的锅炉本体虽然安装有烟气余热回收装置，但是采用的是传统型换热方式：一次热网回水通过表面式换热器与高温烟气热交换，将锅炉排烟温度从150摄氏度降低到85摄氏度左右。这一方式虽然有一定的节能效果，但依旧存在烟气排放热损失较高的问题。

项目组认为如果针对燃气锅炉燃烧产物的特点，研究利用烟气中水蒸气汽化潜热的技术，就能充分挖掘出燃气锅炉的节能潜力。

三、目标与内涵

天岳恒实施烟气余热深度回收技术研究与应用，主要是为了进一步降低燃气锅炉烟气排放热损失，充分利用烟气中水蒸气的汽化潜热，继续挖掘燃气锅炉的节能潜力，降低天然气能源消耗，节约能源成本，减少二氧化碳排放，提高燃气锅炉热效率，彻底解决冬季供热锅炉烟囱冒“白烟”现象。

项目组计划研制一套深度烟气余热回收装置，并安装于锅炉房内，通过大幅降低锅炉排烟温度至水蒸气的露点温度，使水蒸气发生相变放热，同时回收水蒸气相变过程中的汽化潜热。

本项目符合北京市《关于印发进一步加快热泵系统应用推动清洁供暖实施意见的通知》要求，对于改善首都大气环境质量，实现供热节能减排目标，促进丰台区经济、社会、环境全面协调发展具有重要意义。

四、主要做法

（一）增设深度余热回收机组，降低排烟温度，提高锅炉效率

作为燃气锅炉的燃料，天然气是一种由多种气体组成的混合物，其中主要成分是甲烷。

项目组研究发现，在不同过量空气系数下，天然气低位热值效率会随排烟温度的变化而变化，排烟温度越低，天然气利用效率则越高；当排烟温度低于烟气中水蒸气露点温度时，水蒸气大量冷凝放出汽化潜热，天然气利用效率就会急剧升高；当排烟温度降到25摄氏度，可使天然气低位热值效率提升10%～15%。因此，回收烟气余热最重要的是回收排烟中水蒸气的汽化潜热，且排烟温度越低烟气余热回收越多。（如图1所示）

基于此，项目组研制了一套深度烟气余热回收装置，并安装于锅炉房内。

该套装置采用溴化锂吸收式热泵技术，机组设备主要有1台额定余热回收功率为6兆瓦的溴化锂吸收式热泵、2台锅炉喷淋塔（烟气直接接触式换热器）、1台热泵喷淋塔、3台45千瓦的循环泵、1套自动加药设备及配电柜等组成。

其中，溴化锂吸收式热泵作为深度余热回收装置的动力源，溴化锂为吸收剂，水为蒸发剂，在低压真空状态下利用水与溴化锂沸点不同的特性进行换热，再以烟气换热的低温热水作为系统低温热源，在蒸发器内释放热量降温完成热量转移。整套装置利用吸收式热泵及换热器提取锅炉排烟的显热和水蒸气冷凝时释放的汽化潜热。

该套装置还采用了烟气冷凝热能回收装置与吸收式热泵联合运行的方式。其中，烟气冷凝热能回收装置与热泵机组蒸发端形成闭路循环，热泵机组的冷凝端用于加热一次热网回水，实际运行中可提高一次热网回水水温10摄氏度左右，可实现热量品位的提升，极大地减少锅炉燃气耗量。

锅炉喷淋塔选择烟气直接接触式换热器（工作原理如图2所示）。换热器中的低温循环水由溴化锂吸收式热泵产生，温度远低于烟气露点温度。循环水自上而下喷淋，烟气自下而上流动，换热后烟气的温度可下降至30摄氏度左右。在烟气换热过程中，大量的水蒸气冷凝相变释放潜热，同时也消除了锅炉烟囱冒“白烟”的现象。

（二）回收利用冷凝水，节约水资源

项目组在锅炉房加装的烟气冷凝热能回收装置与热泵机组蒸发端形成闭路循环，回收冷凝水的所有环节都采用封闭的形式进行，不与大气直接接触，回收利用率极高。

此外，每个供暖季能产生约1.7万吨冷凝水，远超供热系统所需的补水量。回收冷凝水不仅可以减少锅炉软化补水量，减轻水处理系统的负荷，还能够提高锅炉进水温度。有研究表明，锅炉给水温度每提高6摄氏度，可节省1%的燃料。因此，回收冷凝水具有可观的利用价值。

另外，在进行烟气与冷凝水换热时，烟气中的可溶物质溶于水中，会导致冷凝水显酸性。

通过自动加药装置，对热源水进行中和处理，可调节热源水pH值，降低硬度，使其达到系统补水要求。然后，通过一网补二网的方式，实现冷凝水的回收利用。

在实际补水过程中，基于二次外网每个热力站点的压力不同，可以将补水泵与电动阀结合，来实现系统自动补水。同时，通过为水箱加装保温和加热设备，解决冬季水箱结冻问题。

（三）优化供热系统烟路、水路，提高系统自控能力

为更好地吸收烟气余热，项目组将4台29兆瓦的锅炉烟道汇聚至一个排放口，以便于烟气全部通过烟气余热回收机组进行回收。同时，结合锅炉房供热范围内居民用热和非居民用热的运营特点，对一次循环水路进行改造，实现了将锅炉房烟气回收的所有热量全部应用到居民侧供热系统中，进一步提高居民供热保障能力。

为便于掌控机组的运行工况，项目组在热泵原有基础上加装了系统上位机，采集、分析机组运行参数，为机组年度能效分析提供数据支持。

另外，针对运行过程中一台喷淋塔运行时，停运的喷淋塔产生散热损失，出现循环水温度降低的问题，项目组还加装了喷淋控制阀门，实现对喷淋塔的单独控制，从而减少了不必要的热损失。

五、实施成效

天岳恒研制的烟气余热回收装置投入运行以来，取得了显著的经济效益、环境效益和社会效益。

（一）经济效益

通过对装置投入运行前后的两个采暖季进行数据对比，可以发现2022- 2023采暖季比2021- 2022采暖季每平方米气单耗降低0.6 立方米、电单耗升高0.11 千瓦时，锅炉平均热效率由95%上升至109%，锅炉排烟温度由85摄氏度降低至35摄氏度。（如表1所示）

2022- 2023采暖季烟气余热深度回收机组共产生10.10万吉焦的热量，其中机组消耗燃气产生的热量为6.95万吉焦，烟气余热回收产生的热量为3.15万吉焦。另外，余热回收过程中产生冷凝水约1.7万吨，可回收利用0.47万吨用于供热系统补水。

2022- 2023采暖季节约天然气费用258.54万元，节约水费4.47万元，增加电费34.26万元，合计节约费用228.75万元。（如表2所示）

（二）环境效益

2022- 2023采暖季烟气余热回收的热量折合天然气约为89.77万立方米，折合标准煤可节约1193.94吨。这意味着减少了1943.52吨标准煤的二氧化碳排放量。

（三）社会效益

北方地区冬季集中供热耗热量巨大，通过给供热燃气锅炉房安装余热深度回收装置，可有效提高能源利用率，节约一次能源消耗，并消除了烟气中的粉尘及冒“白烟”现象，具有显著的社会效益。该套装置可在符合条件的锅炉房进行安装，具有较高的推广应用价值。

六、主要创新点

（一）技术创新点

烟气余热深度回收技术的研究与应用是区域集中供热领域的一次创新性实践。

其中，装置中的吸收式热泵采用了多级蒸发和多级吸收的结构形式，更适配于锅炉随供暖负荷、环境温度的变化波动而产生的变工况运行。

喷淋换热的烟气与冷却水之间的换热端差可达2摄氏度以内，比传统的换热温差降低了60%，能够大幅度减少换热面积，降低换热成本。在换热的同时，还可降低烟气污染排放，实现余热回收与减排一体化。

另外，该项目使用了吸收式热泵+直接接触式换热器相结合的新流程，建立了一套高效供热系统流程设计和运行控制方法，不仅彻底解决了烟气换热过程中的腐蚀问题，同时保证了在采暖季不同工况下系统设备的稳定运行。

（二）运行创新点

在装置运行中，项目组发现将4台29兆瓦的锅炉烟道汇聚至一个排放口，使烟气全部通过烟气余热回收机组进行回收，可有效提高烟气余热回收效果。

为了解决热泵冬季运行时无法单独控制喷淋塔，导致产生散热损失和循环水温度降低的问题，项目组在机组中加装喷淋控制阀门，实现对喷淋塔的单独控制，提高了机组运行效率。

结合供暖范围的运营特点，项目组还对一次循环水路进行了改造，确保锅炉房烟气回收的所有热量全部应用到居民侧供热系统中，进一步提高了锅炉热效率和居民侧供热保障能力。

此外，为了便于掌控机组的运行工况，项目组在热泵原有基础上加装系统上位机，为机组年度能效分析提供了数据支持。

七、展望与思考

随着大数据、云计算、人工智能、区块链、物联网等新一代数字技术的快速发展和广泛应用，智能供热也开始成为集中供热的重要发展方向。

本项目虽然取得了显著的经济效益、环境效益和社会效益，但是要想有新的突破和更大的提升，必须引入新理念、新技术，建立智能供热系统。例如，在源、网、站、户采用物联网技术，实现供热设备的远程监控和数据采集，提高管理效率；通过云计算技术，对供热运行中的数据进行计算，实现资源的动态管理和按需分配；运用大数据技术，对供热数据进行挖掘和分析，为供热决策提供科学支持；在平台中嵌入人工智能技术，实现故障预测的功能，可以有效地提高供热系统应变能力，提高供热品质，降低供热投诉量。

编辑/王盈 统筹/简单