喷淋塔式烟气冷凝余热回收与低氮排放协同处理系统实验研究

张群力， 牛 宇， 孙东晗， 肖 鑫， 沈 祺， 刘 芳

(1.北京建筑大学， 供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室, 北京 100044； 2.北京建筑大学, 北京未来城市设计高精尖创新中心, 北京 100044)

随着北方地区清洁供暖政策推广,燃气锅炉得到了推广和应用。2018年，中国天然气表观消费量达2 803亿m3,同比增长17.5%[1]。燃气锅炉燃烧产生的高温烟气中含有大量水蒸气,因此有大量余热有待回收[2-4],尤其水蒸气冷凝潜热占有较大比重[5-7]。高温高湿的烟气直接排放到大气中,大量余热被浪费,如果能够有效回收和利用烟气余热,燃气锅炉的热效率将得到显著提高[8-9]。同时燃气锅炉的推广应用也导致了氮氧化物(nitrogen oxide，NOx)排放量增加,氮氧化物及其转化的硝酸盐颗粒是雾霾的主要成分,氮氧化物排放还可能导致酸雨、光化学烟雾和颗粒物质,对环境造成严重污染[10]。据统计2017年中国氮氧化物排放总量约为1 259万t[11]。自2017年4月1日起,北京市环保局规定北京地区既有锅炉低氮改造的氮氧化物排放浓度不得超过80 mg/m3[12]。提高燃气锅炉供热效率和降低氮氧化物排放浓度对当下高效清洁供暖工作具有重要价值。

在余热回收技术方向,间壁式或直接接触式换热技术均可以使锅炉效率得到不同程度的提高,但这些技术[13-14]未能实现烟气余热回收和低氮排放的协同处理；在低氮排放技术方向,较常使用的技术包括预混燃烧[15]、烟气再循环[16-17]、分级燃烧[18]和富氧燃烧[19]等,但这些技术较少考虑锅炉的高效余热利用,其中烟气再循环甚至会对锅炉效率产生影响。

研究提出一种集成了喷淋式烟气冷凝余热回收和助燃空气加湿的新型烟气全热回收系统[20],证明了助燃空气加湿方式可以提高燃气锅炉效率和降低烟气排放的氮氧化物浓度。为进一步提升燃气锅炉烟气余热回收和氮氧化物减排效果,优化设计了喷淋塔式烟气冷凝余热回收与低氮排放协同处理系统[21-22],在此基础上研究了该系统多因素变工况条件下的烟气余热回收和低氮排放性能,揭示了该系统节能与降氮的协同强化规律,并从节能、环保和经济效益方面分析了该系统的可行性。

1 实验系统介绍

以58 kW燃气锅炉作为高温烟气源和氮氧化物发生源搭建实验系统，重点研究热网回水温度、液气比和助燃空气含湿量工况等因素对该系统的烟气余热回收及低氮排放性能的影响规律。

1.1 系统工作流程及测试方法

喷淋塔式烟气冷凝余热回收与低氮排放协同处理系统由燃气锅炉、水箱、喷淋塔、板式换热器、水泵、混水组件等部分组成。其中喷淋塔为 1 860 mm×280 mm×280 mm的长方体塔,为更好观察喷淋塔中喷淋水的热质交换效果,两换热段正面均安装透明观察窗。

燃气锅炉产生的高温烟气在喷淋塔烟气换热段以逆流换热方式与喷淋水直接接触换热,充分换热后经烟气除雾段排入大气；助燃空气在喷淋塔空气加湿段与喷淋水进行热湿交换,经过充分加热加湿后通入燃气锅炉燃烧器入口。喷淋水将回收的烟气冷凝余热部分用于预热热网回水,部分用于加热加湿助燃空气。加湿后的助燃空气可以提高烟气的露点温度,既有利提高烟气冷凝余热回收性能，又可以达到燃气锅炉烟气低氮排放的效果。

实验测试了喷淋水温度、喷淋水流量、烟气温度和烟气氮氧化物排放浓度等参数。测试仪器包括电磁流量计、烟气分析仪、温湿度记录仪、热电偶及安捷伦数据采集模块等。喷淋塔式烟气冷凝余热回收与低氮排放协同处理系统的工作流程及测点分布情况如图1所示,实验台如图2所示。测试系统中各仪器的型号及精度如表1所示。

图1 喷淋塔式烟气冷凝余热回收与低氮排放协同处理系统Fig.1 Spray tower type flue gas condensation waste heat recovery synergistic low nitrogen emission system

图2 喷淋塔式烟气冷凝余热回收与低氮排放协同处理实验台Fig.2 Spray tower type flue gas condensation waste heat recovery synergistic low nitrogen emission experimental bench

表1 测试仪器型号及精度Table 1 Test instrument model and accuracy

1.2 系统性能评价模型

为评价喷淋塔式烟气冷凝余热回收与低氮排放协同处理系统的节能、环保和经济性能,现建立系统的各项性能评价模型。

1.2.1 余热回收评价模型

Qr=mwcp(tfw,out-tfw,in)

(1)

(2)

(3)

Qh,u=mwcp(tfw,out-taw,in)

(4)

(5)

(6)

Qa,u=Qr-Qh,u

(7)

式中：Qr为烟气余热回收量,kW；mw为喷淋水质量流量,kg/s；tfw,out为烟气喷淋段出水温度,℃；tfw,in为烟气喷淋段进水温度,℃；Qin为燃气锅炉输入热量,kW；B为天然气消耗量, Nm3/h；Qnet,ar为天然气低位热值，kJ/Nm3；ηr为烟气余热回收效率；Qh,u为热网余热利用量,kW；taw,in为空气加湿段进水温度,℃；ηh,u为热网余热利用效率；ζh,u为热网余热利用比例；Qa,u为加湿空气余热利用量,kW。

1.2.2 低氮排放评价模型

(8)

CPPM,NOx=CPPM,NO+CPPM,NO2

(9)

式中：Cm,NOx为氮氧化物的质量浓度,mg/m3；M为相对分子质量；Cppm为ppm浓度；Vm标准摩尔体积,L/mol。

1.2.3 经济效益

(10)

Sg,s=BcAg

(11)

式中：Bc为天然气节约量,Nm3；Th为供暖季总时间,s；Sg,s为天然气成本节约,元；Ag为天然气单价,元/Nm3。

2 实验结果分析

为研究喷淋塔式烟气冷凝余热回收与低氮排放协同处理系统的性能,实验分析了热网回水温度、液气比和助燃空气含湿量等因素对该系统余热回收性能和降低氮氧化物效果的影响规律。

实验热网回水选取45.0、50.0、55.0 ℃3个温度工况,液气比的变化范围为3.6～12.8。燃气锅炉的运行参数如表2所示。

表2 燃气锅炉运行参数Table 2 Operating parameters of the gas boiler

2.1 系统余热回收性能影响因素分析

烟气在降温过程中会释放出较大的冷凝潜热。加强对烟气冷凝余热的回收比例,会显著提高燃气锅炉余热回收效率。

在不同的热网回水温度下,本实验通过控制喷淋水流量,可以实现不同的空气加湿段液气比,随着喷淋水流量的增加,液气比随之增加,如图3所示。在相同的热网回水温度下,助燃空气含湿量亦随液气比的增加而增加；在定液气比下,较高热网回水温度工况下助燃空气的含湿量也更高,如图4所示。

图3 不同热网回水温度下喷淋水流量对液气比的影响Fig.3 Effect of spray water flow on liquid-gas ratio at different heating network return water temperatures

图4 热网回水温度和液气比对助燃空气含湿量的影响Fig.4 Effect of heating network return water temperature and liquid-gas ratio on moisture content of combustion air

经过理论计算可知,助燃空气未加湿时对应的烟气露点温度为55.8 ℃。随着助燃空气含湿量的增加,烟气露点温度会逐渐上升,要比未加湿工况下的烟气露点温度显著升高,如图5所示。提高烟气露点温度可为直接利用高温热网回水回收烟气冷凝余热提供技术可行性。在相同热网回水温度工况下,随着烟气露点温度升高,热网回水温度与烟气露点温度之间的温差增大,将有利于高效回收烟气冷凝余热；随着助燃空气含湿量的增加,烟气中氮氧化物排放浓度逐渐降低。因此,增加助燃空气含湿量,有利于同时提高烟气余热回收效果和降氮效果,可以实现烟气余热回收与低氮排放的协同强化处理。

图5 助燃空气含湿量对烟气露点温度的影响Fig.5 Effect of moisture content of combustion air on flue gas dew point temperature

实验研究了热网回水温度、喷淋水流量对烟气余热回收性能和热网余热利用性能的影响。实验结果表明,在相同热网回水温度下,烟气余热回收效率随喷淋水流量的增加而增加；当保持喷淋水流量不变时,烟气余热回收效率随着热网回水温度的增加而降低,如图6所示。为研究系统的余热回收性能,实验首先研究了烟气余热回收量中热网余热利用量和加湿空气余热利用量的比例关系,在相同热网回水温度下,随着喷淋水流量的增加,烟气余热回收量逐渐增加,热网余热利用比例呈现先下降后平稳的趋势；在相同喷淋水流量下,热网余热利用比例随着热网回水温度的增加而降低,如要实现更好的余热回收及热网余热利用效果,则需要较大的喷淋水流量和较低的热网回水温度,如图7和图8 所示。需要说明的是,为遵循控制变量的实验方法,实验旨在控制不同热网回水温度下的流量对应相等,但在流量调节过程中存在较小的误差,为更全面地表示不同热网回水温度下烟气余热回收量的组分,图7显示的是不同热网回水温度下的平均水流量。当保持热网回水温度不变时,随着喷淋水流量的增加,热网余热利用效率逐渐上升；当喷淋水流量不变时,随着热网回水温度的增加,热网余热利用效率降低,如图9所示。

图6 热网回水温度和喷淋水流量对烟气余热回收效率的影响Fig.6 Effect of heating network return water temperature and spray water flow rate on heating recovery efficiency of the flue gas

图7 不同热网回水温度下的烟气余热回收量组分Fig.7 Proportion of flue gas heat recovery at different heating network return water temperatures

图8 不同热网回水温度下的热网余热利用比例Fig.8 Waste heat utilization ratio of heating network at different heating network return water temperatures

图9 热网回水温度和喷淋水流量对热网余热利用效率的影响Fig.9 Effect of heating network return water temperature and spray water flow rate on waste heat utilization efficiency of heating network

实验结果表明,在定热网回水温度工况下,提高喷淋水流量有利于增加空气加湿段液气比,液气比的增加亦有利于增加助燃空气含湿量,从而提升烟气露点温度并提高烟气余热回收效率,热网余热利用效率也随之提高；在保持相同喷淋水流量工况下,降低喷淋水温度可以提高系统的烟气余热回收效率及热网余热利用效率。

该喷淋塔式烟气冷凝余热回收系统可以显著提高烟气露点温度,实现烟气冷凝余热高效回收,具有较好的节能效益。

2.2 系统低氮排放性能影响因素分析

利用助燃空气加湿方式实现降低燃气锅炉烟气中氮氧化物排放浓度的效果,实验研究了热网回水温度、空气加湿段液气比等因素对烟气中氮氧化物排放浓度的影响规律。当助燃空气处于未加湿工况时,燃气锅炉排放烟气的氮氧化物浓度为129.5 mg/m3。需要说明的是,NO在空气中会被氧化为NO2,因此，烟气中氮氧化物排放的质量浓度是根据NO2的相对分子质量计算的。

在相同热网回水温度下,提高液气比可以降低排放烟气中的氮氧化物浓度。在相同液气比下,提高热网回水温度亦可以降低排放烟气中的氮氧化物浓度。增大液气比或提高热网回水温度,均可以实现降低烟气中氮氧化物排放浓度的效果。在高液气比或高热网回水温度工况下,助燃空气得到充分地升温加湿,更有利于实现排放烟气降氮效果,如图10所示。在热网回水温度为45 ℃、液气比为12.8工况下,该喷淋塔式烟气冷凝余热回收与低氮排放协同处理系统可以将燃气锅炉排放烟气的氮氧化物浓度降至50.0 mg/m3,氮氧化物减排效率为61.4%；在热网回水温度为55 ℃、液气比为12.8工况下,该系统可以将燃气锅炉排放烟气的氮氧化物浓度降至39.9 mg/m3,氮氧化物减排效率为69.2%,可以看出各工况下的平均氮氧化物排放浓度均低于北京市地方标准《锅炉大气污染物排放标准》(DB11/139—2015)[12]中的在用燃气锅炉烟气的氮氧化物排放限值。该项协同处理技术在获得很好的节能效益的同时还能取得显著的环保效益。

图10 热网回水温度和液气比对NOx排放浓度的影响Fig.10 Effect of heating network return water temperature and the liquid-gas ratio on the concentration of NOx

2.3 烟气余热回收与低氮排放协同强化规律

上述研究表明,该系统具有较好的节能和环保效益。为深入分析该系统的节能降氮协同强化规律,现给出烟气余热回收与低氮排放系统协同强化原理图,如图11所示。其中,随着喷淋水流量的增加,液气比逐渐增加,助燃空气含湿量随液气比的增加而升高,烟气露点温度也逐渐升高,烟气余热回收效率逐渐增加,热网余热利用效率随之增加。同时,助燃空气含湿量的提高也有利于降低排烟中的氮氧化物浓度,从而提高了系统的氮氧化物减排效率。

图11 烟气余热回收与低氮排放系统协同强化原理图Fig.11 Synergistic enhancement mechanism diagram of flue gas waste heat recovery and low nitrogen emission system

实验结果反映了不同热网回水温度下的热网余热利用效率提高与氮氧化物排放浓度降低的协同强化关系。随着助燃空气含湿量的增加,热网利用效率逐渐增加,烟气排放的氮氧化物浓度逐渐降低。助燃空气加湿有利于同时提高系统烟气冷凝余热回收和氮氧化物减排效果,具有较好的协同强化性能,如图12所示。

图12 助燃空气含湿量对热网余热利用效率和NOx排放浓度的影响Fig.12 Effect of combustion air moisture content on waste heat utilization efficiency of heating network and concentration of NOx

2.4 系统经济可行性分析

系统余热回收性能分析表明热网余热利用量是影响系统经济性的关键因素,研究根据系统不同实验工况下的热网余热利用量计算了一个供暖季(120 d)的燃气节约量,如图13所示。研究结果表明,在相同热网回水温度下,系统燃气节约量随喷淋水流量的增加而增加；在相同喷淋水流量下,降低热网回水温度可以增加系统燃气节约量。

图13 不同热网回水温度下的采暖季燃气节约量Fig.13 Gas savings in heating seasons at different heating network return water temperatures

参考北京市燃气价格[23],以非居民用气类型下的供暖用气场景为例,在热网回水温度为45 ℃,喷淋水流量为0.83 m3/h实验工况下,系统一个采暖季的费用节约为2 808.8元。研究所提出喷淋塔式烟气冷凝余热回收与低氮排放协同处理系统的最低初投资为2 331.2元,如果考虑低氮改造环保补贴政策,参照北京市环境保护局印发的《北京市燃气(油)锅炉低氮改造以奖代补资金管理办法》[24],按照补贴额度计算,本系统可获得低氮改造补贴为1.5万元,低氮改造环保补贴资金可弥补系统的初投资,因此该喷淋塔式烟气冷凝余热回收与低氮排放协同处理系统具有较好的经济效益。

3 结论

研究提出了喷淋塔式烟气冷凝余热回收与低氮排放协同处理技术方式,并搭建了实验台,在此基础上研究了热网回水温度、喷淋水流量、空气加湿段液气比和助燃空气含湿量等参数对系统余热回收性能及低氮排放效果的影响,研究结论如下:

(1)利用助燃空气加湿方式可以提高烟气露点温度,为利用较高温度热网回水直接回收烟气冷凝余热提供了可行性。助燃空气加湿方式可以降低排放烟气中的氮氧化物浓度。

(2)在热网回水温度为45 ℃,喷淋水流量为0.83 m3/h工况下,该系统的余热回收效率可达12.2%,热网余热利用效率为6.9%，燃气锅炉烟气的氮氧化物排放浓度可降至50.0 mg/m3,氮氧化物减排效率为61.4%。

(3)该系统能够将烟气冷凝余热回收和降氮排放问题协同处理。同时具备很好的节能效益和环保效益,并且具有初投资低的优势,有较好的推广应用前景。