燃氣鍋爐煙氣余熱的深度回收與利用原創 孟繼安 等 悅智網 2017-07-13 15:20燃氣鍋爐排出的白煙溫度為60～90攝氏度，屬于低品位余熱資

燃氣鍋爐煙氣余熱的深度回收與利用

原創 孟繼安 等 悅智網 2017-07-13 15:20

燃氣鍋爐排出的白煙溫度為60～90攝氏度，屬于低品位余熱資源。煙氣中水蒸氣的質量含量達10%以上，采用噴淋填料換熱和熱泵技術，可深度回收煙氣顯熱和潛熱用于供熱。若排煙溫度降至30攝氏度以下，鍋爐熱效率可提高10%以上，同時，可吸收煙氣中的氮氧化物，回收冷凝水，具有節能、減排和節水的綜合效益。
按人均計算，我國的石油、天然氣資源十分稀缺，目前，我國已成為石油第一進口大國。為了實現全面小康，保證國民經濟可持續發展和人民生活水平的不斷提高，節約能源、回收并利用生產生活中排放的余熱資源，是我國長期的基本國策。
在20世紀50年代初期，看到高高的煙囪冒出滾滾濃煙，是一件讓人高興的事兒，說明新的工廠投產了。然而，改革開放后的近40年，空氣污染、水污染、土壤污染已經成為我國國民經濟可持續發展的“攔路虎”，需要花大力氣去解決。唯GDP時代已成過去，綠色經濟已提上日程。以北京為例，多年來實施煤改氣、煤改電的努力已初見成效。在供暖季，中心城區的家用小煤爐不見了，燃煤鍋爐冒出的黑煙也難覓蹤跡，取而代之的是燃燒潔凈天然氣的燃氣鍋爐冒出的滾滾白煙。那么，隨風飄散的白煙是否還有利用價值呢?
1. 排出的白煙里都有什么?
與煤相比，天然氣是潔凈能源，其中93%以上是甲烷。北京地區使用的天然氣低位發熱量為34705千焦/立方米。天然氣燃燒需要氧氣，在燃氣鍋爐中，天然氣燃燒的過量空氣系數通常為1.2，也就是說，輸入的空氣為天然氣完全燃燒所需空氣的1.2倍。若天然氣在鍋爐中充分燃燒，經省煤器（在排煙之前用來加熱新鮮冷空氣以便節能的換熱設備）降溫后排入大氣的白煙中含有水蒸氣，其體積含量接近16%，質量含量超過10%。
水蒸氣降溫后凝結成小水珠，與其他排出的氣體一起形成白煙。排放的白色煙霧中有13%的二氧化碳（質量含量），二氧化碳屬于溫室氣體，大量溫室氣體包圍地球，就像給地球蓋了個玻璃暖房，使地球表面溫度不斷上升，從而導致一系列惡劣天氣，如極度炎熱、水災、大旱等。
目前所倡導的低碳經濟，指的就是減少二氧化碳的排放。在燃燒過程中，氮氣和氧氣會產生化學反應，生成氮氧化物（NOX)，其中主要是一氧化氮和二氧化氮。氮氧化物是污染物，是形成空氣中的PM2.5的元兇之一；二氧化氮與水結合可生成酸性很強的硝酸，所以，人吸入含有氮氧化物的空氣時會感覺很不舒服，過量吸入氮氧化物可嚴重危害身體健康。二氧化碳可使地球升溫，氮氧化物污染空氣、危害人類身體健康，屬于排煙中的有害成分，但是，其中所含的水蒸氣，卻是可以回收利用的，對北方干旱缺水的地區更是如此。
除了上述有形的成分外，排放的煙氣中還有無形的能量。一般說來，考慮到煙氣中含有大量水蒸氣，因此在省煤器中，煙氣溫度不能降得太低。若煙氣溫度降至露點以下，水蒸氣會凝結成水，當冷凝水附著于省煤器的翅片表面時，因其中含有酸性成分，會腐蝕翅片，縮短省煤器的使用壽命；若水在省煤器的翅片間架橋，則會嚴重惡化省煤器的換熱性能。通常情況下，經過省煤器后的排煙溫度大約為80～90攝氏度，新建鍋爐的排煙溫度更低，可低至60攝氏度左右，已經接近露點。
排放的煙氣中有熱能可以回收利用，水蒸氣未凝結時煙氣溫度降低所釋放的熱量稱為顯熱，若煙氣溫度降至露點以下，水蒸氣會凝結成水，同時釋放汽化潛熱。與顯熱相比，水的汽化潛熱很大，所以，在可以回收的煙氣余熱中，潛熱占比很高。所謂煙氣余熱的深度回收，指的就是既要回收煙氣的顯熱，也要回收煙氣的潛熱。若煙氣溫度為60攝氏度，經深度余熱回收后的排煙溫度為30攝氏度，相當于提高鍋爐熱效率10%左右。如能將排煙溫度降至30攝氏度以下，則可回收利用的熱量更多。
2.如何實現煙氣余熱的深度回收與利用？
燃氣鍋爐的排煙溫度較低，屬于典型的低品位余熱資源。對于供熱鍋爐或熱電廠來說，此類低品位余熱可回收后用于供熱，這樣既可提高能源利用效率，又可減少二氧化碳和氮氧化物的排放。對大型燃氣鍋爐來說，進行煙氣余熱的深度回收，換熱器的設計十分重要?；厥諢煔庥酂幔紫纫ㄟ^換熱器將煙氣的余熱傳遞給中間介質。
很顯然，與間壁式換熱相比，煙氣和水直接接觸換熱的效果更好，而且煙氣降溫產生的冷凝水直接匯入循環水中還便于回收。目前，煙氣和水直接接觸換熱有兩種方法可供選擇：

• 一種是空塔內煙氣和循環水的逆流接觸換熱。該方法為了盡可能地回收煙氣余熱，需要將水霧化以增加煙氣和水之間的接觸面積，同時，循環水的流量還要足夠大，以彌補煙氣和循環水在換熱塔內停留時間短的不足。
• 第二種方法是煙氣和水膜接觸換熱，該技術中循環水以噴淋的形式自上而下落入換熱塔內的多孔填料，在填料表面滴濺并鋪展成水膜，煙氣自下而上流經填料的蜿蜒曲折通道，與循環水進行熱質交換。兩種方法相比，前者煙氣流阻和循環水流量大，運行成本高；后者煙氣和循環水在換熱塔內的停留時間長（填料的曲折通道遠大于換熱塔內空間的高度），換熱面積大幅增加，換熱性能更好，而且相同換熱功率下煙氣流阻小，所需循環水流量小，運行成本大幅降低。

通常情況下，為保證用戶的室內溫度達標，供熱的出水溫度較高。若煙氣溫度高于供熱溫度，可采用間壁式換熱方式直接將熱網水加熱至所需溫度用于供熱。對于溫度較低的煙氣來說，與循環水進行熱交換后循環水的溫度遠未達到供熱溫度，這就需要采用熱泵技術。所謂水往低處流，指的是水總是自發地從高處流往低處。但是，水也可以從低處流往高處，只是需要外力輔助。要么需要水泵，如自來水、熱網水流向樓房高層；要么需要消耗水流的動能，如洶涌的河水遇到障礙可以沖向高處。
熱量的傳輸也是如此。通常，熱量只能自發地由高溫物體傳向低溫物體，若要使熱量從低溫物體傳至高溫物體，則需要外界對系統做功。家用空調就是一種典型的熱泵，夏天工作在制冷模式，從室內吸收熱量傳至室外，使室溫降低；冬天工作在制熱模式，則從室外冷環境取熱傳至室內，使室內溫度升高。由于供熱鍋爐燃燒天然氣，所以，其煙氣余熱回收系統通常采用燃燒天然氣驅動的吸收式熱泵。熱泵從升溫后的循環水中取熱（循環水所吸收的煙氣余熱）加熱熱網水，降溫后的循環水則回到換熱塔循環使用。
前面提到，煙氣中含有氮氧化物，在煙氣與循環水接觸換熱的過程中，氮氧化物被循環水吸收，使升溫后的循環水具有一定的酸性。為了保證系統正常運行并使煙氣降溫生成的冷凝水安全排放，在余熱利用的同時，還需要對弱酸性循環水進行處理，使其達到排放標準。最常用的方法是按需添加堿液（如氫氧化鈉溶液），堿液中的堿性物質與循環水中的酸性物質發生中和反應，可使循環水的酸堿度（pH值）達到排放標準。
3.煙氣余熱回收利用工程實例
由北京源深節能技術有限責任公司實施的“望京藍天燃氣供熱鍋爐煙氣余熱的深度回收與氮氧化物（NOX）低溫氧化脫硝示范工程”于2014—2015年供暖季調試運行，其工藝原理如圖1所示。

• 來自煙道的天然氣燃燒產生的低溫含濕煙氣進入噴淋填料換熱塔前，加入適量臭氧，將NO氧化為N2O5等；
• 風機將煙氣送入噴淋填料換熱塔，與水在噴淋填料換熱塔內進行直接接觸式的逆流熱質交換，煙氣放出熱量的同時，其中的酸性物質和粉塵顆粒物被噴淋水吸收；
• 噴淋水吸收了煙氣的顯熱和潛熱后進入熱泵，熱泵從循環水中取熱用以加熱熱網水，噴淋水通過熱泵換熱降溫后回到換熱塔循環使用；
• 煙氣經降溫減濕、脫硝凈化后輸送至煙囪排入大氣，而煙氣冷卻后產生的冷凝水經處理后通過自動排放裝置自動排出；
• 同時根據噴淋水的pH值自動加入堿液，以使噴淋水保持合適的酸堿度。系統通過PID系統調節臭氧加入量和堿液加入量，以實現最優的NO氧化率和NOx的吸收率；
• 調節噴淋水流量和進口溫度，可實現最佳的噴淋填料換熱塔余熱回收與脫硝效果；
• 調節排水量，維持系統平衡與穩態運行；調節熱泵中作為高溫熱源的天然氣流量，實現噴淋填料換熱塔與熱泵負荷的優化和匹配。

圖1
供熱鍋爐煙氣余熱回收工程工藝原理圖

圖2為余熱回收工程的噴淋填料換熱塔。塔身采用不銹鋼一體化制造工藝，包括噴淋換熱層、儲水層和堿液箱。在噴淋換熱塔內，從上到下布置有除水器、零壓自旋轉噴淋器和填料，填料將換熱塔分成淋雨區、填料區和噴淋區。煙氣在塔內經過降溫減濕后通過頂部的除水器去除攜帶的冷凝水后排出，經煙道排入大氣。噴淋水從頂部的零壓自旋轉噴淋器噴出，與煙氣熱質交換后在底部儲水層積聚，而后通過水泵將其送入熱泵用于加熱熱網水。系統運行過程中，從底部堿液箱中自動抽取適量堿液，用于中和噴淋水所吸收的NOx等酸性物質，以維持系統的pH值。

圖2
噴淋填料換熱塔

為了盡可能降低氮氧化物的排放，該工程配備了一臺臭氧發生器。加入適量臭氧，使排煙中的NO氧化為N2O5等，以便被循環水吸收。
圖3為該工程168小時連續運行時煙氣余熱回收功率和供熱功率的實時變化。系統運行平穩且滿負荷運行；煙氣余熱回收功率為3 兆瓦；供熱功率受用戶負荷變化存在波動，但大部分時間的供熱功率為7.2兆瓦。
圖3
煙氣余熱回收量和熱泵供熱量隨時間變化

經測算，若系統在額定工況下滿負荷穩定運行，北京地區采暖季按125天計算，與常規燃氣鍋爐供熱相比，每個采暖季以消耗19.11萬千瓦小時電量的代價，可回收3.3萬吉焦的余熱，相當于減少天然氣使用量106萬立方米，按現行天然氣價格計算，相當于節約286萬元，投資回收期為2～3年。
同時，當臭氧加入量為8千克/小時的時候，排煙中的NOx含量小于30 毫克/立方米，滿足DB11 139-2015《北京市鍋爐大氣污染物排放標準》。與常規鍋爐供熱方案相比，該工程每年減排二氧化碳1630噸，減排氮氧化物8.1噸，回收冷凝水6700噸，其經濟效益和減排效果十分顯著。
致謝：感謝973計劃項目“工業余熱高效綜合利用的重大共性基礎問題研究”課題 “余熱輸運與轉換過程優化的原理、技術與應用”（課題編號：2013CB228301）的支持。
專家簡介孟繼安：博士，清華大學高級工程師。
朱曉磊：博士，上海發電設備成套設計研究院工程師。
鐘達文：博士，華北電力大學講師。
隋曉峰：北京源深節能技術有限責任公司總經理。
趙巖：北京源深節能技術有限責任公司教授級高級工程師。
李志信：清華大學教授，博士生導師。