热泵型烟气余热回收及降氮系统性能

张群力，汪玉诗，翟洪宝，3，郭颖杰，张秋月，黄昊天

（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 北京建筑大学北京节能减排与城乡可持续发展省部共建国家协同创新中心，北京 100044；3 中国建筑科学研究院有限公司，北京 100035）

随着我国北方地区清洁供热政策大力推进，天然气消耗量逐年增加。2021 年，全国天然气表观消费量为3.69×1011m3，同比增长12.5%[1]。锅炉供暖耗气量占总体消费量的一半以上[2]。目前，大多燃气锅炉的余热回收装置只能回收烟气部分显热，未回收利用约占燃气热值10%的冷凝潜热[3]。烟气温度仍较高，直接排放会造成较大的能源浪费[4]。此外，烟气中还含有较高浓度的氮氧化物(NOx)，严重危害人体健康和生态环境[5-6]。因此，在深度回收利用烟气冷凝余热的同时，燃气锅炉还需进一步降低NOx排放浓度。

早期的烟气余热回收多采用热网回水作为冷源，利用间接式换热器进行显热回收或利用直接式换热器进行全热回收。但由于热网回水温度较高，无法实现深度回收烟气冷凝余热效果[7]，排烟温度仍较高。利用热泵制取低温冷源是一种进一步降低排烟温度的有效方式。Yang等[8]提出一种用于烟气全热回收的全开式吸收式热泵技术，在回水温度较高时仍具有较高热回收效率。Qu等[9]分析了3种驱动热源的吸收式热泵与间壁式换热器耦合系统的余热回收性能，发现锅炉排烟温度均可降至30℃，锅炉热效率可提高近16%。但吸收式热泵存在占地面积大、初始投资高的问题[10]，更适用于大型燃气锅炉。电压缩式热泵的成本较低，也可有效降低烟气温度[11-12]，更适用于中小型燃气锅炉余热深度回收。现有研究多重视余热回收技术研究，对烟气余热回收的节能问题与降氮排放的环境问题缺少统筹考虑。目前常用的烟气降氮方式主要有预混燃烧[13]、烟气再循环[14]、分级燃烧[15]和富氧燃烧[16]等，主要通过降低氧占比和燃烧温度来减少NOx的生成，会降低锅炉供热效率[17]。这些降氮技术又较少考虑锅炉烟气的余热回收与利用问题。

鉴于目前烟气冷凝余热回收与降氮排放多为独立开展研究，尤其对烟气余热、余水、降氮、消白的协同控制技术及其运行规律的研究还有待深入。本文提出一种基于热泵的烟气冷凝余热回收与降氮系统，利用压缩式热泵实现烟气的冷凝余热回收和余水回收，利用助燃空气加湿技术降低烟气的NOx排放浓度，从而实现中小型燃气锅炉的烟气冷凝余热高效回收与降氮排放的协同处理效果。本文利用试验研究了空气加湿塔液气比、助燃空气含湿量、热网回水温度与流量等因素对系统余热回收和降氮性能的影响规律，为进一步分析和优化燃气锅炉系统的余热余水回收与降氮消白排放提供研究参考。

1 系统和方法

1.1 系统介绍

热泵型烟气冷凝余热回收与降氮系统由燃气锅炉、空气加湿塔、翅片管式换热器、压缩式热泵等设备组成。试验选用58kW燃气锅炉作为烟气发生源。系统工作流程及测点分布见图1，试验台见图2。

图1 热泵型烟气冷凝余热回收与降氮系统流程图

图2 热泵型烟气冷凝余热回收与降氮系统试验台

来自燃气锅炉的高温烟气进入余热回收塔，先与翅片管式换热器内的加湿水进行一级换热，降温后流经热泵蒸发器进行二级换热，充分释放冷凝余热后被排至大气。加湿水流经翅片管式换热器，由高温烟气加热后进入空气加湿塔，以喷淋方式加热加湿助燃空气，经过充分换热后落入空气加湿塔底部储水池，最后在水泵驱动下再次回到翅片管式换热器内被加热，循环往复。产生的酸性冷凝水聚集在余热回收塔底部储水池，定期排出经软化处理后再送入锅炉作为补水，实现余水回收。被加热加湿的助燃空气进入锅炉燃烧器中参与燃烧。热泵工质在蒸发器处回收烟气余热后，经循环在冷凝器处将热量传递给热网回水。部分热网回水进入热泵冷凝器被预热，与剩余热网回水混合后回到锅炉继续被加热至一定温度，再次供向热用户，形成热网水循环。

热泵型烟气冷凝余热回收与降氮系统将助燃空气加湿与热泵结合，建立“烟气→加湿水与热泵”的余热传递途径，能同时实现烟气冷凝余热回收利用、氮氧化物减排、余水回收与脱白等目标。

试验主要测试了烟气温度、烟气NOx排放浓度、助燃空气温湿度、加湿水温度及流量、热网水温度及流量等参数。所采用的测试仪器型号及其精度如表1所示。

表1 试验用测试仪器型号及精度

1.2 系统性能评价

1.2.1 低氮排放性能

由于NO 进入空气后迅速被氧化为NO2，基于NO2的相对分子质量计算烟气的NOx质量浓度，如式(1)、式(2)所示。

式中，CmL为体积浓度，mL/m3；Cmg为质量浓度，mg/m3；M为相对分子质量；Vm为标准摩尔体积，22.4L/mol。

1.2.2 余热回收性能

高温烟气流经余热回收塔，先后与加湿水和热泵循环工质换热。余热被用于加热加湿水和热网回水。加湿水吸收的烟气余热被用于预热助燃空气，这部分热量会再次回到炉膛，不计入系统余热回收量。而由于冷凝器侧热网回水得热量来自烟气余热和热泵输入功率，系统余热回收量表示为冷凝器侧热网回水得热量与热泵输入功率之差。将系统余热回收量与燃气锅炉输入热量之比定义为系统余热回收效率，计算如式(3)～式(6)。

式中，Qh,u为冷凝器侧热网回水得热量，kW；mh为冷凝器侧热网回水流量，kg/s；cp为水的定压比热容，kJ/(kg·℃)；T2为冷凝器侧热网回水出口温度，℃；T1为冷凝器侧热网回水入口温度，℃；Qr为系统余热回收量，kW；E为热泵输入功率，kW；Qin为燃气锅炉输入热量，kW；B为天然气消耗量，m3/s（标准工况）；Qnet,ar为天然气低位热值，kJ/m3（标准工况）；ηr为系统余热回收效率，%。

锅炉热效率为锅炉供热热量与燃气锅炉输入热量之比[18]，如式(7)、式(8)。

式中，Qb为锅炉供热热量，即锅炉处热网回水得热量，kW；mb为锅炉处热网回水流量，kg/s；T4为锅炉处热网回水出口温度，℃；T3为锅炉处热网回水入口温度，℃；ηb为锅炉热效率，%；其他参数含义同前。

由于热网回水经由热泵冷凝器被预热，再进入锅炉被加热后送至热用户供热，系统供热热量表示为热泵供热量与锅炉供热热量之和，即冷凝器侧热网回水得热量与锅炉供热热量之和。同样地，将系统供热热量与燃气锅炉输入热量之比定义为系统热效率，见式(9)、式(10)。

式中，Qs为系统供热热量，kW；ηs为系统热效率，%；其他参数含义同前。

热泵性能会影响系统的余热回收量，故引入热泵性能系数以评价热泵性能，如式(11)。

式中，COP为热泵机组制热性能系数；其他参数含义同前。

1.2.3 经济效益

引入热泵预热进入锅炉前的热网回水，有效降低了锅炉的燃气消耗量，但也增加了运行成本。年运行成本通过年耗电量计算，而系统年耗电量主要包括热泵年耗电量、水泵年耗电量和烟气侧阻力增加导致的风机新增年耗电量。

燃气年节约成本计算如式(12)、式(13)。

水泵耗电量由加湿水泵耗电量和因增设冷凝器导致热网回水侧阻力增加引起的水泵新增耗电量组成。其中，加湿水泵年耗电量如式(15)。

因阻力增加引起的水泵和风机新增年耗电量计算如式(16)。

则年运行成本计算如式(17)、式(18)。

作为经济效益评价的主要指标，系统的投资回收期计算如式(19)所示。

式中，Bs为燃气年节约量，m3；Th为年供暖总时间，h；Sg为燃气年节约成本，CNY；Ag为燃气单价，CNY/m3（标准工况）；Bh为热泵年耗电量，kW·h；Bp为加湿水泵年耗电量，kW·h；P为加湿水泵功率，kW；Bpf为水泵和风机新增年耗电量，kW·h；ΔP为阻力增加导致的水泵和风机的功率增加量，kW；Vope为年运行成本，CNY；Be为年耗电量，kW·h；Ae为电价，CNY/(kW·h)；Y为投资回收期，a；I为系统初投资，CNY；其他参数含义同前。

2 结果与讨论

2.1 系统低氮排放性能影响因素分析

2.1.1 低氮排放性能影响分析

系统利用喷淋方式对助燃空气加湿以降低锅炉烟气中NOx排放浓度，实现烟气低氮排放效果。助燃空气含湿量的增加可有效降低氧气浓度及燃烧温度，抑制NOx生成，从而显著降低NOx排放浓度。在给定热网回水温度为40℃和流量为1853L/h 的工况下，通过调节加湿水流量，试验研究了助燃空气含湿量对烟气中NOx排放浓度的影响规律。

在相同锅炉负荷下，增大助燃空气含湿量可有效降低烟气的NOx排放浓度，如图3 所示。当助燃空气未加湿时，75%和90%锅炉负荷下的NOx排放浓度分别为90.3mg/m3和100.7mg/m3，远超过既有燃气锅炉改造排放标准限值。当助燃空气含湿量增加到20g/kg 时，75%和90%锅炉负荷下的排烟NOx浓度均已低于排放限值。将加湿助燃空气后的锅炉NOx排放浓度减少量与未加湿时的锅炉NOx排放浓度之比定义为减排效率。可以看出在90%锅炉负荷下，含湿量继续增大到59.5g/kg 时，NOx排放浓度可降至39.7mg/m3，减排效率为60.6%。当助燃空气含湿量相同时，75%锅炉负荷的NOx排放浓度更低。因此，在90%锅炉负荷下，需将助燃空气加湿到更高的含湿量，使NOx排放浓度降至更低。

2.1.2 助燃空气含湿量影响分析

液气比为加湿水流量与助燃空气质量流量的比值。较高的液气比以及较高的锅炉负荷有利于对助燃空气加湿，实现烟气低氮排放。通过调节加湿水量，试验测得系统在不同空气加湿塔液气比下的助燃空气含湿量如图4所示。在锅炉负荷不变时，助燃空气含湿量随液气比增大而增大，当液气比大于3后，其增幅逐渐变缓，这意味着继续增大液气比对助燃空气加湿的促进作用有限。而在液气比相同时，90%锅炉负荷下的助燃空气可被加湿至更高的含湿量。与75%锅炉负荷工况相比，燃气在90%锅炉负荷工况下燃烧更充分，排烟温度更高，能在换热器处将加湿水加热到更高温度。这使得助燃空气出空气加湿塔时的温度上升，含湿量随之上升。

图4 空气加湿塔液气比对助燃空气含湿量的影响

2.2 系统余热回收性能影响因素分析

2.2.1 助燃空气加湿对系统余热回收效率的影响

当助燃空气未加湿时，90%锅炉负荷和75%锅炉负荷下的烟气露点温度分别为55.7℃和55.8℃。加湿后的助燃空气进入锅炉，使得烟气的含水量增大，露点温度进而显著升高，且随助燃空气含湿量增加而增加，如图5所示。烟气露点温度的提高显著降低了回收潜热对低温水的需求，有利于充分利用烟气汽化潜热。因此，增大空气加湿塔液气比，即增大助燃空气含湿量，有利于余热回收塔处的烟气充分换热。

图5 助燃空气含湿量对烟气露点温度的影响

在热网回水温度和流量分别为40℃、1853L/h工况下，试验分析了空气加湿塔液气比对系统余热回收效率的影响。系统利用翅片管式换热器和热泵蒸发器实现了高温烟气梯级换热，其中翅片管式换热器中烟气与加湿水的换热量，即加湿水得热量，会影响热泵蒸发器侧的烟气换热量，即系统余热回收量。加湿水得热量随液气比增大而增加，其增加幅度逐渐变缓，如图6(a)所示。由于烟气露点温度随液气比增大而增大，使翅片管式换热器处的烟气得以充分换热，加湿水得热量随之增大。

图6 空气加湿塔液气比对加湿水得热量、余热回收量以及系统余热回收效率的影响

试验结果表明，助燃空气加湿会降低系统余热回收效率，如图6(b)所示。这是因为随空气加湿塔液气比增大，加湿水得热量增大，热泵蒸发器可回收烟气余热减少，余热回收量减小，系统余热回收效率随之降低。与75%锅炉负荷工况相比，90%锅炉负荷的降低幅度更小，液气比由2.9 增大至19.5 时，余热回收效率由7.7%降低至6.4%。这意味着在液气比相同时，高负荷工况下助燃空气加湿对系统余热回收效果的不利影响更小。

由2.1 节可知烟气NOx排放浓度随液气比增大而降低，因此助燃空气加湿在提高系统降氮效果的同时降低了系统余热回收效果。

2.2.2 热网回水温度和流量对系统余热回收效率的影响

系统通过热网水循环与热泵循环，将热泵蒸发器回收的烟气余热用于预热热网回水，以实现烟气的余热利用。故余热回收量还受冷凝器侧热网回水温度与流量的影响。以90%锅炉负荷、加湿水流量1537L/h工况为例，试验研究了热网回水温度与流量对系统余热回收效率的影响。结果表明：在相同热网回水流量下，随着热网回水温度的降低，系统余热效率逐渐升高；在相同热网回水温度下，系统余热效率随着热网回水流量的增加而升高，如图7(a)所示。当热网回水温度和流量分别为40℃和1853L/h 时，系统余热回收效率可达6.9%。因此，为实现更好的余热回收效果，需要较低的热网回水温度与较大的热网回水流量。

图7 热网回水温度和流量对系统余热回收效率和热泵COP的影响

热泵实际运行制热性能系数受冷凝器运行工况的影响。在冷凝器侧，热网回水的工况会影响冷凝器内制冷剂的温度和压力，从而影响热泵功耗和COP。试验测得各工况下的热泵COP值，见图7(b)。降低热网回水温度或增大热网回水流量均可提高热泵COP。热网回水工况为水温40℃、流量1853L/h时，热泵COP最高可达3.12，有利于高效回收烟气余热。

2.2.3 排烟温度影响分析

排烟温度可直接体现系统的余热利用情况。试验工况下，排烟温度均被降至远低于烟气露点温度，且未超过40℃，如图8所示。随着热网回水流量增大或热网回水温度降低，排烟温度逐渐降低。随着热网回水温度降低，热网回水在锅炉内换热更充分，使得烟气携带的显热减少，进入余热回收塔的烟气温度降低，排烟温度亦随之降低。而增大热网回水流量可强化锅炉处换热过程，提高热泵COP，蒸发器侧换热量增加，故排烟温度有所降低。在热网回水温度为40℃、流量为1853L/h 工况下，排烟温度降低至最低，为24.5℃，接近室温，表明烟气余热回收效果显著。

图8 热网回水温度和流量对系统排烟温度的影响

2.2.4 锅炉热效率影响分析

锅炉热效率为锅炉用于供热的热量与输入燃气热量的比值。在给定热网回水温度为40℃和流量为1853L/h 的工况下，利用正平衡法计算了试验锅炉不同负荷运行下的热效率，研究了助燃空气加湿对锅炉热效率的影响。经过大量试验，在液气比为0，即助燃空气没有加湿的工况下，试验锅炉在90%负荷和75%负荷下的平均热效率均为89.8%。增大空气加湿塔液气比会降低锅炉热效率，如图9所示。对助燃空气加湿，随着液气比增加，可燃组分占比降低，炉内燃烧温度下降，锅炉热效率继而降低。低负荷工况的降低幅度更大。在液气比变化范围为0～19.5 时，90%锅炉负荷下的锅炉热效率仅降低3.4%。但得益于热泵的应用，烟气余热被有效回收利用，系统整体供热能力提高。试验中，各工况下的系统热效率均超过未加湿时的锅炉热效率，最高可达100.9%。

图9 助燃空气加湿对锅炉热效率和系统热效率的影响

3 系统效益分析

3.1 节能效益分析

为简单直观描述热泵型烟气冷凝余热回收与降氮系统的能量流动并分析系统节能效益，根据能量守恒，以燃气低位发热量为基准，以90%锅炉负荷、1537L/h 加湿水流量、1853L/h 热网回水流量、40℃热网回水温度为例绘制了系统能流图，如图10所示。系统共输入115.2%的能量，输入能量由大到小分别为燃气所含热量、热泵功耗、助燃空气所含热量；系统输出能量由大到小分别为热网供热热量、热损失、排烟所含热量，其中有效输出热量96.7%。系统在空气加湿塔中预热加湿助燃空气，降低了锅炉烟气中的NOx排放浓度，加湿水中2.4%的热量也因此被耗散掉。热网供热热量来自燃气与助燃空气和余热回收系统两部分，其中燃气与助燃空气总热量的86.4%进入热网供水；余热回收系统中热泵消耗3.9%的电能回收烟气余热，并将10.3%的热量输送到热网回水。系统排烟热损失仅占2.7%，但是仍有13.4%的其他热损失，主要集中在烟道与余热回收塔。因此，热泵型烟气冷凝余热回收与降氮系统具备优秀的余热回收和降氮性能，并可通过优化设备选型、提高系统保温性能等措施进一步提高系统余热回收效率及热效率。

图10 热泵型燃气锅炉烟气冷凝余热回收与降氮系统的能流图分析

3.2 环保效益分析

系统利用热泵深度回收烟气余热，用于预热热网回水，系统热效率增大。供热负荷一定时，燃气锅炉所需工作负荷减小，耗气量减少，这有效降低了烟气中的NOx排放量。此外，烟气中的水蒸气会在热泵蒸发器表面冷凝并落在余热回收塔底部的储水池，有利于实现烟气脱白。且冷凝水经处理后可作为锅炉补水。通过计算空气加湿塔进出口的烟气质量之差得到系统的余水回收量。设定采暖季为4个月，锅炉每天运行24h，系统的NOx减排量和余水回收量如图11所示。NOx减排量和余水回收量均随液气比增大而增大，系统的NOx减排量为65.2～117.9kg/a，余水回收量为20.2～31.2t/a，系统环保效益显著。

图11 液气比对系统NOx减排量和余水回收量的影响

3.3 经济效益分析

系统通过加入热泵与空气加湿塔等设备，在实现锅炉烟气冷凝余热回收的同时兼具促进烟气低氮排放的能力。但这些设备会增加系统投资，投入主要包括热泵、空气加湿塔、余热回收塔、水泵、管道、阀门等设备和材料的费用，试验用系统总费用共7540CNY。收益主要包括燃气节约费和余水回收及烟气降氮带来的环保效益。以NOx排放浓度最低工况，结合燃气节约成本、运行成本以及系统总费用，按式(12)～式(19)计算试验系统的投资回收期。以北京地区为例，燃气价格按北京市2022 年冬季非居民用气价格计算，电价按2021年1月北京城区非居民销售电价计算，各阶梯时段为8h，具体参数见表2。

表2 运行成本计算参数

系统投资回收期受燃气价格和电价波动较大，具体计算结果见表3。根据计算，试验系统最短投资回收期为4年。

表3 投资回收期计算结果

试验系统在冷凝器侧热网回水温度较低、流量较大时供热效率高，运行费用较低。如果在有低氮改造环保补贴政策的地区应用该系统，投资回收期将会大大缩短。因此，热泵型烟气余热回收与降氮系统具有显著的经济效益。

4 结论

热泵型烟气冷凝余热回收与降氮协同处理系统可以同时解决燃气锅炉余热回收与低氮排放问题。搭建试验台并测试分析了不同工况下系统的运行效果，试验研究结论如下。

（1）增大助燃空气含湿量可以有效降低NOx排放浓度。在锅炉维持90%供热负荷下，助燃空气含湿量为59.5g/kg 时，NOx排放浓度可降低至39.7mg/m3，减排效率可达60.6%。可通过增大液气比实现助燃空气含湿量增加。

（2）助燃空气加湿可提高烟气露点温度，余热回收塔在热网回水温度较高时仍能保持较好的换热效果，会增大加湿水得热量，有利于提高降氮效果。但会减少余热回收量，系统余热回收效率会降低。试验工况下烟气露点温度最高可达64℃，系统余热回收效率则降至6.4%。

（3）增大热网回水流量或降低回水温度均可以提高系统余热回收效率和热泵COP，降低排烟温度。当热网回水温度为40.0℃、流量为1853.0L/h时，系统余热回收效率和热泵COP 分别为6.9%和3.1；排烟温度降至24.5℃，系统具有显著的余热回收效果。

（4）助燃空气加湿降氮会降低锅炉供热效率。利用热泵回收烟气余热可以抵消降氮运行时锅炉的供热效率下降，使得试验工况下系统的供热效率均高于未加湿时的锅炉热效率，系统整体供热能力得到提高。

（5）该系统在一个采暖季的NOx减排量为65.2～117.9kg/a，余水回收量为20.2～31.2t/a。该系统的最短投资回收期约为4年，具有较好的节能、环保与经济效益。