【案例分析】天然氣鍋爐房煙氣余熱深度回收工程案例

1燃?xì)忮仩t房煙氣余熱回收技術(shù)

天然氣的主要組分是甲烷(CH4)，燃燒后排出的煙氣中含有大量的水蒸氣，水蒸氣的氣化潛熱占天然氣低熱值的比例達(dá)到10%～11%，目前基本上都沒有利用而直接排放到環(huán)境。另外，天然氣煙氣中的水蒸氣排入大氣后冷凝，造成冒白煙現(xiàn)象，形成景觀污染，并促使PM2.5排放指數(shù)增加。因此，深度回收利用包括水蒸氣氣化潛熱在內(nèi)的煙氣余熱對節(jié)省能源和減少污染物排放量都有重要意義。

為了利用燃?xì)忮仩t的煙氣余熱，國內(nèi)外科研單位進行了研究。目前針對燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收的技術(shù)，主要集中在采用加裝冷凝換熱器和空氣預(yù)熱器來降低排煙溫度。

常規(guī)燃?xì)忮仩t加裝冷凝式換熱器，煙氣降溫過程中存在相變過程，開始發(fā)生相變的溫度即為煙氣的露點。高于露點時，鍋爐供熱效率(鍋爐供熱量與按照燃?xì)獾蜔嶂涤嬎愕玫降娜細(xì)夤崃康谋戎?的提高是靠煙氣降溫所釋放的顯熱實現(xiàn)的。當(dāng)煙氣溫度低于露點后，鍋爐供熱效率的提高主要靠水蒸氣冷凝釋放潛熱實現(xiàn)，此時煙氣溫度的降低對鍋爐供熱效率的提高，影響較為顯著。

只有當(dāng)熱網(wǎng)回水溫度低于20~30℃時，使用冷凝式換熱器才會有好的效果。對于一般的供暖系統(tǒng)，尤其是區(qū)域供熱系統(tǒng)，其熱網(wǎng)回水溫度遠(yuǎn)高于此值。因此，直接利用熱網(wǎng)回水降低煙氣溫度是非常受限的。這一原因也嚴(yán)重制約了冷凝式鍋爐在供熱領(lǐng)域的推廣使用。若采用文獻(xiàn)中提到的吸收式換熱技術(shù)，可以顯著降低熱網(wǎng)回水溫度。若熱網(wǎng)回水溫度為20℃，采用冷凝式換熱器即可將煙氣溫度降至較低水平，從而大幅提高鍋爐供熱效率。

也可采用煙氣-水換熱器和空氣預(yù)熱器組合的方式進行煙氣余熱回收，利用煙氣-水換熱器回收高溫?zé)煔舛蔚娘@熱，利用空氣預(yù)熱器回收中低溫?zé)煔舛蔚臐摕岷惋@熱。但這種方式也受熱網(wǎng)回水溫度以及空氣有限的回收余熱能力所制約，當(dāng)熱網(wǎng)回水溫度為50℃時，這種方式只可將煙氣溫度從90℃降至51℃。

針對上述情況，清華大學(xué)提出了將吸收式熱泵用于燃?xì)忮仩t的煙氣余熱回收技術(shù)，并用直接接觸式換熱代替常規(guī)的間壁式換熱。吸收式熱泵在天然氣等高溫?zé)嵩吹尿?qū)動下制取低溫冷水，鍋爐的煙氣作為吸收式熱泵的低溫?zé)嵩赐蜏乩渌M行直接接觸式換熱，由于冷水的溫度較低，因此，煙氣的溫度可以降至25℃甚至更低。該技術(shù)突破了熱網(wǎng)回水溫度的限制，可應(yīng)用于回水溫度較高的供熱系統(tǒng)中。另外，該技術(shù)采用了直接接觸式換熱器，相對于表面式換熱方式，其優(yōu)勢在于：極大地增加了氣-液兩相接觸面積，瞬間完成傳熱和傳質(zhì)，達(dá)到強化換熱、提高換熱效率的目的。采用接觸換熱技術(shù)后，煙氣和水在很小溫差下即可實現(xiàn)穩(wěn)定接觸換熱，無需金屬換熱面，減小了換熱器的體積，大幅度降低了換熱器成本。煙氣中的酸性蒸氣直接在水中溶解，只要對溶液加堿性物質(zhì)如NaCO3、NaOH等進行中和，并對換熱器關(guān)鍵部位的制造材料進行防腐蝕處理，即可避免降低排煙溫度后遇到的材料腐蝕問題。

圖1為典型的煙氣余熱回收系統(tǒng)的基本原理。在常規(guī)的燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)中增設(shè)了直燃型煙氣余熱回收裝置(以下簡稱余熱回收裝置)，該裝置主要包括燃?xì)怛?qū)動的吸收式熱泵(以下簡稱直燃型熱泵)、直接接觸式換熱器(以下簡稱接觸式換熱器)及水泵、閥門等其他附屬設(shè)施，同時增設(shè)了兩條煙管將余熱回收裝置與鍋爐煙囪相連，煙氣閥1、2及風(fēng)機均設(shè)置在這兩條煙管上。當(dāng)煙氣余熱回收系統(tǒng)投入運行時，煙氣閥1、2及風(fēng)機均開啟，經(jīng)過測試，煙氣量在運行時可以滿足設(shè)計要求。鍋爐煙氣和直燃型熱泵的煙氣混合后進入接觸式換熱器，同直燃型熱泵制取的用于噴淋煙氣的冷水(以下簡稱噴淋水)進行接觸式換熱，煙氣可被噴淋水冷卻，溫度降至25℃甚至更低，然后由風(fēng)機抽送排入大氣。在噴淋水路中，噴淋水在接觸式換熱器中同煙氣換熱后溫度升高，被噴淋水泵送入直燃型熱泵進行降溫，然后返回接觸式換熱器繼續(xù)冷卻煙氣。在熱網(wǎng)回水管道中，水閥1關(guān)閉，水閥2、3開啟，熱網(wǎng)回水首先進入直燃型熱泵進行加熱，然后進入燃?xì)忮仩t加熱，送至用戶處供熱。

圖1煙氣余熱回收系統(tǒng)基本原理