一种锅炉烟气余热回收系统分析

侯 轶，谢英柏，陈 天，张 猛

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

一种锅炉烟气余热回收系统分析

侯 轶，谢英柏，陈 天，张 猛

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

目前我国以燃煤锅炉为主，燃煤锅炉产生的烟气带走了大量热量。电站燃煤锅炉可以较好地回收烟气余热，但是分布更广、效率更低的工业锅炉产生的烟气利用率很低。针对工业锅炉排烟温度高、难以利用等特点，提出一种回收锅炉排烟余热的蒸汽发生系统。通过计算验证该系统可行性好、能效比高。变参数分析不同工况下系统性能参数的变化趋势，发现湿蒸汽温度改变时系统性能变化明显，系统对于热水温度和压力的变化不敏感。

烟气余热；水蒸气；工业锅炉

我国的能源消耗以煤炭为主，大量的电站锅炉和工业锅炉用煤炭作为燃料。我国能源回收比例仅为2%[1]，大型电站锅炉的热效率已经达到90%，然而数量更大的工业锅炉热效率一般为 65%左右[2-5]。锅炉热损失造成了巨大的能量浪费，而在锅炉的全部热损失中排烟热损失占比超过一半，锅炉烟气中蕴藏着巨大的余热资源。

不同用途锅炉的排烟温度不尽相同，电站锅炉的排烟温度一般在 120～130 ℃[6]；工业锅炉的排烟温度较高，水泥加工行业的排烟温度为140～178 ℃，旋转窑炉约为180 ℃，钢铁冶金和化学化工行业的排烟温度超过190 ℃。研究表明，烟气温度每降低20 ℃，锅炉效率可以提高1%[7]，相应可降低煤耗约1 g/kWh。

1 系统简述

工业锅炉效率低、烟气温度高的特点吸引了许多学者注意。本文提出一套回收锅炉烟气余热制取水蒸气的系统。烟气排放温度为70 ℃左右，能效比高，理论计算知COP>5.3,可制取120 ℃左右的水蒸气。

1.1系统流程(图1)

常温常压水作为补水被送入系统，补水和由蒸发器而来的回水混合一起经过水泵进入第1级加热器第1次吸收烟气的余热成为热水。热水分为两股：第1股通过换热器、热泵蒸发器放热，随后作为回水再次进入水泵；第2股通过减压阀降压成为湿蒸汽后依次在第1级换热器、第2级加热器、第2级换热器和热泵的冷凝器中吸热成为饱和蒸汽。热水产生的饱和蒸汽经过第1级蒸汽压缩机加压至一定压力，之后产生的过热蒸汽在第2级换热器中定压放热为饱和蒸汽，接着蒸汽进入第2级蒸汽压缩机升压，进而得到所需的水蒸气。

图1 系统流程1———调节阀A;2———水泵;3———加热器A;4———调节阀B;5———减压阀;6———换热器A;7———换热器B;8———换热器C;9———冷凝器;10———蒸汽压缩机A;11———蒸汽压缩机B;12———调节阀C;13———蒸发器;14———节流阀;15———压缩机

水经过第1级加热器成为热水后，第2股节流降压变成湿蒸汽，温度降低进而保持较大温差继续吸收热量。利用湿蒸汽区加热时温度、压力不变的特性可以减小换热温差。

由于烟气排放温度远低于露点温度，所以第1、2级加热器内部采用纳米涂层技术。加热器采用纳米涂层可以耐腐蚀、防磨损、少积灰，以延长加热器使用寿命。烟气二次加热，1、2级加热器分开布置，第1级加热器用烟气制取热水，热水节流降压后温度降低可以用第2级加热器再次加热，从而可以实现烟气最终以70 ℃左右的温度排放。

1.2理论计算

选取某厂SHW29-1.25/130/70-H型锅炉，其运行参数为：排烟温度158 ℃，耗煤量M3=9 034 kg/h，实际烟气量8.133 8 Nm3/kg。该厂在实际生产中需要将一部分100～150 ℃蒸汽用于生活。

为方便计算提出以下假设：

a.忽略管道阻力损失；

b.系统中热泵的能效比为3；

c.加热器和换热器效率等于1；

d.压缩机等熵压缩；

e.最小烟气换热温差为10 ℃；

f.补水采用20 ℃的常温常压水。

利用MATLAB编程同时调用REFPROP函数进行计算。计算表明该系统可行，相关性能参数如下：

水泵耗功：

Wwater=(m1+m2)×wwater

(1)

式中：m1为第1股热水质量，kg；m2为第2股热水质量，kg；wwater为水泵单位质量做功,kJ/kg。

压缩机耗功：

Wtur=m2×(w2+w3)

(2)

式中：w2为第1级蒸汽压缩机单位质量做功,kJ/kg；w3为第2级蒸汽压缩机单位质量做功,kJ/kg。

总输入功：

W=Wwater+m1×w1+Wtur

(3)

式中：w1为热泵压缩机单位质量做功,kJ/kg。

能效比：

(4)

式中：hz3为制取的水蒸气焓值,kJ/kg；h0为补水焓值,kJ/kg。

由计算得：COP=5.45。

通过计算可知该系统可行，同时具有一定的能效比。

1.3结果分析

通过闪蒸、热泵和复压技术相结合，实现了将烟气温度降至70 ℃。通过减压阀和第1级换热器使得最终作为水蒸气输出的第2股热水在第1级换热器、第2级加热器、第2级换热器和热泵的冷凝器中始终处于60 ℃，获得了大量能量作为潜热储存起来，可以和其他工质之间得到较大温差，保证换热效果。

计算得能效比为5.45，较好地实现了烟气余热回收，能够提高经济效益。产生的蒸汽用途广，可以用于食品、卫生、生产等。

2 运行参数分析

本文分析水泵出口压力、第1级加热器出口热水温度、加压后湿蒸汽温度的变化对系统性能的影响。

为了更好地比较系统性能，除采用COP外还采用η来进行分析，η是水蒸气的焓升与输入的总能量之比：

(5)

式中：my为烟气质量，kg；hy0为锅炉排烟焓值,kJ/kg；hy3为常温常压下烟气焓值,kJ/kg。

2.1改变湿蒸汽温度

计算湿蒸汽温度为60～70 ℃下系统的性能，对系统进行评价，选定合适的运行参数。图2直观表现出系统COP与湿蒸汽温度的关系，当湿蒸汽温度升高时COP上升，输入相同的功可以获得更多的能量。图3中η与COP变化趋势相反，即随着湿蒸汽温度升高得到的水蒸气的能量减少。由于湿蒸汽温度升高，η减小，当制取的蒸汽焓值不变时，制取的蒸汽量减少(见图4)。湿蒸汽温度变高，意味着湿蒸汽压力增大，加压阀处的节流损失减小，最后在蒸汽升压过程中两级蒸汽压缩机的单位功耗减少，同时蒸汽质量减少使得蒸汽压缩机蒸汽功耗降低(见图5)，即出现了COP和η变化趋势相反的情况，权衡不同工作环境下的电价和煤价来选取合适的湿蒸汽压力，以寻找最优工况。

图2 湿蒸汽温度变化时COP

图3 湿蒸汽温度变化时η

图4 湿蒸汽温度变化时水蒸气质量

图5 湿蒸汽温度变化时输入功

2.2改变热水温度

如果热水温度波动，会造成第1级加热器排烟温度变化，继而改变第2级加热器的换热情况。计算、比较热水为75～85 ℃时系统的性能，热水温度升高时COP变化不明显，而η下降却很快(见图6、图7)，这是因为热水温度升高，致使烟气在加热器中放热减少，从而使η下降。热水温度上升，产生的水蒸气量减少，继而造成蒸汽压缩机做功降低(见图8、图9)。

图6 热水温度变化时COP

图7 热水温度变化时η

图8 热水温度变化时水蒸气质量

图9 热水温度变化时输入功

3 结束语

针对工业锅炉排烟温度高、效率低的特点，本文提出了一种回收烟气余热制取水蒸气的系统。该系统利用现有条件，结合闪蒸和热泵技术，降低吸热温度，从而提高烟气余热的利用率，极大地降低了烟气排放温度。以SHW29-1.25/130/70-H型锅炉为例进行理论计算，得到的结果表明该系统可行、能效比较高。最后得出以下结论：当湿蒸汽温度升高，COP上升，η下降，两者成反比关系；提高热水温度时，COP提升不明显，但η下降较快。该系统拓展性好，可以广泛应用于有工业锅炉的企业。

[1] 国家统计局能源统计司．中国能源统计年鉴 2014[M]．北京：中国统计出版社，2014：98．

[2] 尚庆雨. 我国煤粉工业锅炉技术现状及发展趋势[J]. 煤炭科学技术, 2016, 44(1):201-206.

[3] 仝 营,顾新建,纪杨建,等. 基于物联网和云计算的工业锅炉在线监测[J].计算机集成制造系统, 2016, 22(1):213-219.

[4] 宋春燕, 张 鑫, 李 婷. 高效煤粉锅炉替换层燃锅炉技术改造与能效分析[J].洁净煤技术, 2015,21(3):98-102.

[5] 宋春燕.高效煤粉锅炉系统技术的工程化应用[J].洁净煤技术, 2015,20(2):89-92.

[6] 巩建华.循环流化床锅炉烟气降硝改造探讨[J].东北电力技术, 2016, 37(9):30-31.

[7] 姚振刚, 陈 曦, 白 岩,等. 燃煤电站锅炉烟气余热回收利用[J]. 东北电力技术, 2013, 34(4):32-35.

A New Boiler Flue Gas Waste Heat Recovery System

HOU Yi，XI Yingbai，CHEN Tian，ZHANG Meng

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University，Baoding,Hebei 071003，China)

At present, China’s coal-fired boilers, coal-fired boiler flue gas took away a lot of heat. The utility model has the advantages that the utility model can recover the waste heat of the flue gas, but the utilization rate of the flue gas is low. In view of the characteristics of high temperature and difficulty to use in industrial boiler, also the urgent need of water vapor in the enterprise, a steam generating system. The results show that the system is feasible and energy efficient. The variation trend of system performance parameters under different conditions is analyzed by changing parameters. It is found that the performance of the system varies with the change of wet steam temperature.

waste heat of flue gas; steam；industrial boiler

TM621.2

A

1004-7913(2017)08-0037-04

河北省自然科学基金项目(E2014502085)

侯 轶(1992)，男，硕士在读，主要研究方向为烟气回收利用与净化。

2017-05-20)