燃气锅炉余热回收节能技术及应用实例

曾辉，张芮，安龙，武晓燕

（1.天津环科环境咨询有限公司，天津300191；2.中华全国供销合作总社天津再生资源研究所，天津300191）

天然气作为一种清洁能源，其主要成分是甲烷，具有热值高、燃烧充分、排污小的特点。我国西北地区储藏大量的天然气，但由于开发条件有限，并未大规模开发利用。随着“西气东输”工程进一步发展，以及东部对天然气的需求进一步提高，天然气将得到广泛使用。

为贯彻落实《大气污染防治行动计划》（国发［2013］37号）、《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》，结合天津市的实际情况，天津市委、市政府制定了“美丽天津·一号工程”计划，即“四清一绿”：清新空气、清水河道、清洁村庄、清洁社会、绿化美好行动。其中清新空气行动中开展包括扬尘污染、削减燃煤总量、控制机动车污染等，而煤改燃工程是重中之重。

燃气锅炉使用天然气作为能源，可以减少环境污染，但是燃气锅炉的燃烧效率仍存在着可以提高的空间，尤其是以余热回收利用的研究，将进一步提高燃气锅炉的热效率。

1 燃气锅炉余热回收的主要原理

通过对燃气锅炉的能量传递分析可知，当天然气燃烧后，将其本身的化学能转化为热能，进一步转化为锅炉载体的热值、锅炉本体挥发的热值、天然气不完全燃烧带走的热值以及燃烧后烟气带走的热量。因此，若要提高燃气锅炉的效率，就必须减少锅炉本体挥发的热量、不完全燃烧带走的热量以及烟气带走的热量。

天然气燃烧过程中，甲烷与空气中的氧气发生反应，燃烧后会产生大量的水蒸气，水蒸气中蕴含大量的热值，通常可占到燃气热值的10%[1]。根据经验，通入的空气量一般为过量空气，过量系数可以取1.1左右，而目前通过检测可知，大部分的燃气锅炉的排烟温度在150~200℃，因此随着烟气的排出，水蒸气挥发过程中会带走大量潜藏的热能。

工业中常用锅炉烟气余热回收途径一般采用以下两种方法：第一种是用来预热工件，这种方法余热利用率低，工件加温慢；第二种是对空气进行预热助燃，预热空气助燃是一种较常用也较实际的方法，一般配置在加热炉尾部上，也可强化燃烧，加快炉子的升温速度，提高炉子热工性能。这种燃烧方式既能满足生产工艺要求，也可获得显著的综合节能效果[2]。

2 冷凝式锅炉对烟气回收利用的改造

冷凝式锅炉是将烟气中的水蒸气冷凝成水，回收其汽化潜热用于锅炉，使热效率达到或超过100%的锅炉。加设冷凝式换热器可以实现对传统锅炉的升级，使其变为冷凝式锅炉。可以说，将传统锅炉改造为冷凝式锅炉是实现锅炉热效率大幅提高，实现资源高效利用的最佳途径。在锅炉排烟热损失中，水蒸气所携带的热损失占排烟热损失的55%～75%[3]。如果将排烟温度降到烟气冷凝温度以下，通过回收利用水蒸气潜热，可以很有效地降低排烟热损失，提高锅炉热效率。冷凝式锅炉排烟温度可降至40～50℃以下，可以冷凝烟气中部分水蒸气，回收水蒸气的汽化潜热，同时回收一定的水，还可以除去烟气中的有害物质。热效率随着水蒸气的冷凝量的增加而增大。

冷凝式锅炉回收的热能包括高温烟气的显热和水蒸气的汽化潜热。回收的显热随着烟气温度的降低变化不是很大；而回收的水蒸气的汽化潜热则随着温度降低有很大的变化，当排烟温度较高时，回收的潜热很少，随着排烟温度的降低，回收的潜热迅速增大，随后又趋于稳定，从冷凝的角度来讲，烟气冷凝的难度随烟气温度的降低而越来越大[4]。

3 实际应用情况

天津滨海旅游热电发展有限公司投资1 000万元，在海博道以南、安正路以东王公路北侧建设南部2#燃气锅炉供热站工程，该工程安装2台7 MW燃气热水锅炉及相关的附属配套设施。项目建设完成后，年供热天数150 d，年总产热量145 935.05 GJ。供热面积为26.2万m2，供热范围为滨海新区旅游区南部的碧桂园小区、白领公寓、东方文化广场、海魔方4个用热户。

根据设计，该工程的运行参数见表1。

表1 锅炉运行参数

供热总建筑面积26.2万m2。依据《天津滨海旅游区供热专项规划（2012—2020年）》，民用采暖热指标确定为38 W/m2，公用建筑热指标确定为55 W/m2。表2为供热范围26.2万m2建筑热负荷估算表。

表2 供热范围26.2万m2建筑热负荷估算表

由表2可看出，当规划居住建筑和公建规划建筑面积26.2万m2，热负荷11.214 MW。供热系统运输热损失率按92%计，供热工程的供热能力不能低于12.18 MW。因此两台2×7 MW的供热锅炉可满足要求。

根据《天津滨海旅游区管理委员会文件》（津滨旅发［2013］18号）中“关于天津滨海旅游区供热管理办法第五十六条”可知，滨海旅游区供热时间为“每年11月1日—次年3月31号”。

依据天津市气象资料，采用无因次综合公式法绘制供暖年热负荷延续曲线。

采暖年热负荷延续曲线计算公式为：

t0=t0' N≤5

t0=t0'+（5－t0'）Rh×b 5＜N≤N'

Q=Q' N≤5

Q=（1－β0×Rh×b）Q' 5＜N≤N'

式中：t0—某室外温度，℃；

t0'—采暖室外计算温度，℃；

tav—采暖期室外平均温度，℃；

ti—室内采暖计算温度，℃；

Q'—采暖设计热负荷，GJ/h；

Q —某一室外温度下的采暖热负荷，GJ/h；

Rt—无因次室外温度系数；

Rh—无因次延续天（小时）数系数；

b—Rh的指数值；

N'—采暖期天数，d；

N—延续天数，d；

βO—温度修正系数；

μ—延续天（小时）修正系数；

τ'—采暖小时数，h；

τ—延续小时数，h；

采暖室外计算温度t0'=-6.8℃，采暖期室外平均温度tav=-0.47℃。

室内采暖计算温度ti=18℃，采暖期天数N'=150 d（3 600 h）。

全年采暖热负荷统计见表3。

表3 全年采暖热负荷表

本工程采暖室外计算温度为-6.8℃，起始采暖室外平均温度5℃，室内计算温度为18℃。采暖天数为150 d，采暖小时数为3 600 h。年最大负荷利用小时数为2 629 h。年采暖供热量为13.03万GJ（含管网损失热量）。

天然气的热值按照35.544 MJ/Nm3计，则消耗天然气366.64万Nm3。

采用的锅炉的额定效率92%考虑，则天然气最终消耗量为398.52万Nm3。

公司通过采用节能器冷凝锅炉技术、烟气余热深度回收技术等措施，将锅炉的热效率提高至94%，满足《工业锅炉能效限定值及能效等级》GB24500—2009中规定的一级能效，则消耗天然气390.04万Nm3。

综上，可知安装前后节气量可达8.48万Nm3。

4 燃气锅炉节能措施

燃气锅炉除了从烟气回收利用角度可以提高锅炉热效率外，仍有其他的节能措施可以采取，为整个锅炉房的能源效率提高打下基础。

（1）热补偿方式：直埋管道热补偿[5]尽量采用自然补偿，在三通、分支和弯头等应力集中处若不能满足应力条件时选用补偿器，补偿器采用直埋型轴向波纹管补偿器，要求波纹管补偿器具有双向补偿及自稳定能力和可靠的抗失稳结构。补偿器许用疲劳寿命不低于1 000次。

（2）采用专用的燃烧器，特点是燃气与空气在涡旋型的蜗壳腔内已充分混合，可使燃料都在受控制的比率下与空气完全混合。喷出后形成一个较大的扩散角，形成一个心形类的火焰图形。心形火焰中心[6]内部就是一个回流区，将锅炉内的高温烟气重新压折回燃料混合物出口，加速点火和燃烧程序，这样火焰不会很长，炉膛的设计比较自由，可以完全适应火焰的形状，充满度好，从而使得炉膛内部温度很高，火焰较为集中，所有的火焰都聚在炉膛内，使充入炉膛内的燃料全部燃尽，火焰紧凑，内部平均温度高。

（3）根据热力网循环水供水流量与温度、回水流量与温度、补水量，以及锅炉房进水的流量、炉温、压力、氧量等仪表检测信号，实现鼓引风机的无极变频调速，从而实现燃烧系统的自动调节。

（4）依据现行《天津市民用建筑能耗监测系统设计标准》DB29—216—2013中的规定，设定能源供应站的能源监测系统。

5 结语

随着天津产业结构调整和能源供应模式变化，燃气锅炉将具有广阔的前景。为节约资源与能源，在大力推广、发展和改造燃气锅炉的同时，要注意在选用高效率的燃气锅炉的同时，将烟气余热回收利用作为节能的重点进行考虑，并对整个锅炉的运行采取相应的节能措施。

[1]王瑞娟.燃气锅炉余热回收理论及其应用分析[J].资源节约与环保，2014(6):17.

[2]向琴琴，李煜照.绿色工业建筑设计思路探索[J].工业建筑，2011(41):68-72.

[3]王建国，宋玉梅.燃气供热锅炉房节能措施分析[J].北京.区域供热，2008(1):41-42.

[4]陈蓉，徐长虹，李军.冷凝锅炉热效率分析[J].山东机械，2005(4):52-54.

[5]白灵.直埋热力管道的热补偿和方形补偿器[J].中州煤炭，1998(6):18-19.

[6]刘复田.对克雷登锅炉安全与节能的分析[J].中国锅炉压力容器安全，2004(4):3-7.