燃气锅炉烟气余热深度回收利用的分析研究

文_曹亮 窦蕾 杨钦海 远大能源利用管理有限公司

2013年9月，国务院正式公布《大气污染防治行动计划》，并提出实现目标的十项措施。其中，最关键的一条就是实施燃煤锅炉改造，加快推进集中供热、“煤改气”“煤改电”工程建设。在供热供气管网不能覆盖的地区，改用电、新能源或洁净煤，推广应用高效节能环保型锅炉。京津冀、长三角、珠三角等区域于2015年底前基本完成燃煤电厂、燃煤锅炉和工业窑炉的污染治理设施建设与改造。之后，随着“煤改气”工程的建设，大量的天然气成为供热的主要能源之一。燃气锅炉供热过程中会产生大量余热，这些余热如能合理地被回收利用，将会带来显著的节能减排效果。

在燃气锅炉供热中，大型燃气锅炉的排烟温度一般为100℃及以上，即使采用常规烟冷器余热回收方法只能回收少部分显热（烟气温度降至约60℃），大部分热量以水蒸气汽化潜热的形式排至环境中，并产生烟囱“白烟”效应对环境造成热污染。吸收式热泵的使用能将烟气的温度进一步降低至30℃以下，通过烟气冷凝余热回收利用技术，不仅可以将排烟温度降到露点以下，回收利用排烟显热和排烟中水蒸气凝结潜热，还可将烟气冷凝水资源化再利用，烟气冷凝水还可吸收净化烟气中SO2和NOX及颗粒物等污染物起到净化烟气的效果，并实现烟囱“消白烟”美化环境。燃气锅炉的烟气余热深度回收利用的节能、节水、减排潜力更大，意义重大。大规模“煤改气”为吸收式直燃热泵应用于烟气余热深度回收利用领域提供了广泛的平台。

1 烟气余热回收利用的分析研究

天然气燃烧后排出的烟气中的水蒸气冷凝析出时，可释放出大量冷凝热。例如，对燃气直燃机或燃气锅炉，其排烟温度一般在145℃左右，可见烟气露点温度为60～57℃，如果可将排烟温度降低至30℃，则可使燃气锅炉的效率提高10%以上。目前，国内外大中型锅炉等主要是利用中高温排烟余热，对于低温排烟余热，特别是烟气露点温度以下的余热利用很少,主要原因是烟气冷凝水呈酸性，易对设备造成腐蚀，同时低温烟气传热温差小、换热系数小，使得换热设备体积大、耗材多、投资大，流动阻力大。

1.1 烟气余热回收利用的计算

通过烟气余热量的计算可知，将烟气温度从145℃下降到高于露点温度时可提高烟气利用率4%～6%；若将烟气温度从145℃下降到低于露点温度时可提高烟气利用率10%以上。

1.2 烟气余热回收利用的方式

烟气余热回收利用有多种功能，如加热采暖系统回水、加热生活用水、地板式低温热水供暖，热泵利用来加热热网水、加热补给水、预热空气以及热风利用等等。虽然余热回收利用的功能多样，但回收形式上可以分为两种，一是直接利用烟气板式换热器；二是利用烟气板式换热器和吸收式热泵机组的联合系统，此类方式主要利用燃气锅炉的烟气、天然气分布式能源系统的发电机组和直燃机组的烟气余热与吸收式热泵机组配套使用，发挥吸收式热泵机组可提供低温水的优势，提高天然气的能源综合利用率。

2 吸收式热泵技术

2.1 吸收式热泵机组的原理

吸收式热泵机组是以溴化锂吸收式技术为基础，以热能为驱动热源，通过回收低温热源的热量，来制取满足工艺或采暖用中、高温热水或蒸汽，实现余热回收利用、从低温向高温输送热能的供热设备，其最大优势在于余热回收利用，在节能降耗和余热供热领域中将发挥越来越重要的作用。

2.2 吸收式热泵机组的应用

2.2.1 低温热源

低温热源可分为天然热源和工艺生产热两部分。天然热源主要是指海水、河水、温泉水以及地下水等，其中河水和地下水是使用最普遍的低温热源。另一大类是工艺生产过程中排出的热。这部分热大量存在于工业生产过程中。如电厂发电过程中产生的冷却水、化工生产过程中的冷却水等。

2.2.2 驱动热源

驱动热源方面热泵机组的要求包括蒸汽压力、热水、烟气以及燃气等，参数要求与常规吸收式制冷机组一样。

2.2.3 需热场所

需热时间长，需热量变化比较小；热泵系统接近满负荷运转的时间越长，则经济性比较高；需热侧所需的热量及时间与余热源的排热量及时间应该保持平衡；需热侧距离余热侧应比较近，而且尽量不要分散，过于分散的话，输送热量的费用高。

2.3 烟气板式换热器与吸收式热泵机组联合应用模式

烟气板式换热器与吸收式热泵机组联合应用模式是烟气经烟气板式换热器与热泵机组提供的低温水换热，将热量传递给低温水，排烟温度降至水蒸气露点温度以下，同时被加热的低温水作为低温热源再进入吸收式热泵机组，通过驱动热源（可采用天然气、蒸汽、高温热水等作为驱动热源）将低温热源和驱动热源热量转移产生中温水热源满足建筑物采暖需求，同时低温热源水温度降低，然后再进入烟气板式换热器吸收烟气热量，如此循环不已。该联合系统运行时可将烟气温度下降到露点温度以下，既提高了烟气利用率，又增大了供热能力，同时排烟温度低于露点温度，大量水蒸汽被冷凝，既对烟气起到净化效果，又在冬季运行时进行“消白烟”处理。

3 烟气余热深度回收利用的案例分析

3.1 项目概况介绍

北京丰台某小区锅炉房为“煤改气”项目，将原燃煤锅炉改为燃气锅炉进行集中供热。该锅炉房主要负责156万m2建筑采暖供热，计划安装4台以天然气为燃料、供热能力为29MW的燃气热水锅炉，总供热能力为116MW。项目中采用一台型号为BZ300XD-60/45-12/20-600-R1直燃热泵回收燃气锅炉和直燃热泵机组自身的排烟余热量。

3.2 系统流程说明及系统流程

系统流程说明及系统流程示意图如图1所示。

图1 系统流程说明及系统流程示意图

3.2.1 热水（红色）流程

热网45℃回水分成两部分，一部分进入直燃热泵升温，温度由45℃提高至60℃后，与另一部分热网回水混合再进入燃气锅炉；另一部分回水进入锅炉烟道上的一级烟气板交回收少部分烟气热量，烟气温度由100℃降温至50～60℃。升温后的热水再与另一部分热网回水混合进入燃气锅炉加热至供热温度送入热网。

3.2.2 低温水（绿色）流程

12℃低温水出热泵后分为两分支，一部分进入燃气锅炉的二级烟气板交回收大部分烟气热量，烟气温度降温至30℃以下；另一部分进入热泵烟道的烟气板交回收大部分烟气热量，烟气温度直接由160℃降至30℃以下，同时低温水被加热至20℃后经循环泵送回直燃热泵提供低温余热量。

3.2.3 烟气（黑色）流程

燃气锅炉的烟气温度经一级烟气板交后由100℃降至50～60℃，再经二级烟气板交后烟气温度降至30℃以下；直燃热泵机组自身的烟气温度经烟气板交后由160℃降至30℃以下。

3.3 经济效益及效果分析

2014年冬季开始运行后，对锅炉房运行数据进行采集分析如表1所示。

表1

热泵启动前后锅炉的排烟情况如图2所示。按本项目的基础热负荷30MW的烟气余热量来选配直燃热泵机组，锅炉总制热量为30MW，满负荷时燃气耗量为3378.7m3/h（燃气锅炉效率92%），烟气量约为36895.8m3/h；直燃热泵满负荷时燃气耗量516m3/h，烟气量约为9288m3/h。直燃热泵机组最大可回收烟气余热量为3489kW，相当于每小时可节约349m3（按8600kcal/m3）天然气。如按采暖季120d，天然气价格3.09元/m3计算，年节省天然气约100.5万m3，节省运行费用约310.6万元。整个工程的投资回收期小于3a。

图2 热泵启动前后锅炉的排烟情况

3.4 案例总结

本项目在冬季采暖实际运行后，烟气余热回收热泵系统对烟气余热回收的效果基本达到了设计测算值，经济效益可观，系统投资回收期短。

对实际数据分析可知，经过一级烟冷器后烟气温度（100～50℃）时，余热回收量主要以显热为主，占比例较小约4%；当烟气排放温度降至30℃以下时，余热回收量占燃料热量的比例可达10%以上。

当锅炉排烟温度降至30℃以下时，烟气中大部分水蒸气被回收利用，同时实现了烟囱“消白烟”，消除了环境热污染，美化景观效果。

4 结语

将天然气烟气余热通过回收利用，若将烟气温度降至露点温度以上时，可提高烟气利用率约4%左右；若将烟气温度降低至露点温度以下进行深度回收利用时，可提高烟气利用率达到10%以上，又可实现烟囱冬季“消白烟”效果，节能减排潜力巨大。

随着全国实行大规模的“煤改气”工程，通过吸收式热泵技术的运用，采用烟气板式换热器和吸收式热泵联合应用模式，既深度回收了大量烟气余热量，又发挥了吸收式热泵机组制热效率高的优势，大大提高了系统的供热能力，可满足更大建筑面积的采暖需求。

目前全国性的能源结构调整，天然气的使用比例将快速增大，则天然气烟气余热的深度回收利用和吸收式热泵技术利用的市场潜力巨大，在供热领域、热电联产领域、天然气分布式能源领域、工业烟气余热回收领域具有广泛的运用前景。