胡全喜+雷鑫

摘 要：本文以天津某燃气锅炉项目为例，利用直燃式吸收式热泵产生的低温冷水与燃气锅炉尾部烟气进行直接接触式换热，将烟气温度降至30℃甚至更低再排放至环境中，起到良好的经济效益、环保效益、社会效益。

关键词：燃气锅炉；烟气余热；深度利用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.050

1 前言

利用直燃式吸收式热泵产生的低温冷水与燃气锅炉尾部烟气进行直接接触式换热，将烟气温度降至30℃甚至更低再排放至环境中，回收的热量通过直燃式吸收式热泵供出，用于加热热网回水，提高能源综合利用效率，降低能源消耗，减少了大气污染物排放，同时烟气中冷凝水的析出，起到良好的经济效益、环保效益、社会效益。

2 项目概述

天津某燃气锅炉为利用原有燃煤锅炉房进行改造，安装4台58MW燃气热水锅炉，安装直燃型烟气余热回收装置，回收4台锅炉的烟气余热，技术方案简要描述为：燃气锅炉烟气在烟气余热回收设备中放出显热和潜热，使烟气温度降至30℃或者更低温度，通过烟囱排至大气。烟气余热回收设备以天然气为驱动热源，提取燃气锅炉烟气热量，用于区域集中供热。

经过现场调研及计算分析，每台锅炉可配套建设余热回收量为6MW的余热回收机组。在锅炉排烟温度为70℃时，该套装置可以回收烟气余热约6.38万GJ，折合年减少天然气耗量约188万Nm3。

3 项目必要性

近几年天津及周边地区相继出现大规模雾霾天气，2013年9月17日环保部、發展改革委等六部门联合印发《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》。该《实施细则》分主要目标、重点任务两部分。主要目标是：经5年努力，京津冀及周边地区空气质量明显好转，重污染天气较大幅度减少。力争再用5年或更长时间，逐步消除重污染天气，空气质量全面改善。具体指标是：到2017年，北京市、天津市、河北省细颗粒物（PM2.5）浓度在2012年基础上下降25%左右，山西省、山东省下降20%，内蒙古自治区下降10%。其中，北京市细颗粒物年均浓度控制在60μg/m?左右。

锅炉房清洁节能改造项目是在煤改气项目基础上进行的，能够在节能与环保两方面做出贡献。通过进一步回收烟气废热（相比于加装普通烟气节能器）提高能源综合利用效率，降低能源消耗。同时通过低温氧化法脱硝技术，可大幅减少NOX的排放量。

4 项目现状

本项目锅炉房共安装4台锅炉，设计最大供热负荷为232MW，根据年负荷延续时间曲线，一个供暖季锅炉房设计年总共热量为191万GJ，供暖期内平均供暖热负荷180MW，最小负荷117MW。

锅炉的排烟温度为70℃，燃气锅炉供热效率94%，则年耗气量约为5439万Nm3，天然气价格按照2.36元/Nm3计算，则耗天然气费用约为12836万元。

以下计算按实际运行情况分析，1台锅炉80%负荷运行，锅炉总回水温度在38℃～48℃之间波动，平均回水温度45℃，热网水流量按830t/h进行计算。因此，其系统热力平衡图表分别如图1所示。

5 方案原理

天然气燃烧后排出的烟气中含有大量的水蒸气，烟气中水蒸气的汽化潜热占天然气低位发热值的10%左右，若能将此冷凝热回收利用，则可提高天然气的利用效率10%以上，

烟气中的余热有很大一部分存在于水蒸气潜热之中，因而在降低烟气温度，回收显热的同时，将烟气中的水蒸气潜热回收才能做到真正的烟气全热回收。燃气锅炉高温烟气的水蒸气处于未饱和的状态，因而必须通过降温使水蒸气冷凝析出。如果要将水蒸气冷凝，必须将烟气温度降低到对应的露点温度以下。对于天然气锅炉的烟气，其露点温度一般在55-60℃。通过计算，烟气的显热段排烟温度降低20℃，锅炉效率提高1%，潜热段温度降低3～5℃，锅炉效率就提高1%。常规的烟气余热回收技术是利用烟气与热网水换热或者烟气与空气换热，回收余热量的多少受制于热网的回水温度和空气的进口温度。通常热网的回水温度不会低于 40℃，导致烟气很大一部分冷凝热无法回收；而空气与烟气换热，在潜热段空气每升高4～7℃，烟气才能降1℃。因此，这要求烟气余热回收装置必须具备较强的热交换能力，将高温烟气降低到足够低的温度，将烟气中的水蒸气尽可能多地凝出，释放尽可能多的潜热。

本项目方案利用吸收式热泵产生的低温冷水与烟气进行直接接触式换热，将烟气温度降至30℃甚至更低再排放至环境中，回收的热量通过吸收式热泵供出，用于加热热网回水。通过本方案可以深度回收烟气中水蒸气的冷凝热，使天然气的利用效率提高10%以上；产生的烟气冷凝水可以回收，具有节水效果。

在燃气锅炉房内增加一套采用天然气驱动的烟气余热回收设备以及相应的烟道，用以回收锅炉烟气余热加热热网水。

烟气余热回收设备主要设备如下：

直接接触式换热器（含水处理装置）：烟气与来自直燃型吸收式热泵蒸发器的循环水在此直接接触，进行热质交换。烟气被降温，所含大量水蒸气冷凝，循环水升温，同时对烟气进行除湿脱硝，净化烟气。

直燃型吸收式热泵：以燃气作为驱动热源的吸收式热泵机组。吸收循环水中回收的烟气热量，加热热网回水，用于城市集中供热。

循环水泵：设置在循环水管路中，驱动循环水的流动。

原有燃气锅炉的烟气和直燃机排放的烟气混合，通过烟道进入到直接接触式换热器中。来自直燃型吸收式热泵蒸发器的循环水在循环水泵的推动下，也进入到直接接触式换热器中。

在直接接触式换热器里，循环水被送到上方的喷淋装置中，通过喷头均匀喷洒到换热器的容腔内。烟气逆着水喷洒的方向和循环水直接接触换热，降温除湿到30℃后接入主烟道，通过烟囱排到大气中。喷洒的循环水被加热后汇集到换热器下方的水池中，被循环水泵抽送回直燃热泵的蒸发器中。

在直燃型吸收式热泵中，燃气管道中的燃气输入到其发生器，燃烧驱动机组的运行，烟气通过烟道和燃气锅炉的烟气混合。被加热的循环水进入直燃热泵的蒸发器中，作为热泵的低温热源被降温后送入到直接接触式换热器中继续回收余热。热网水依次进入吸收器和冷凝器，被加热后再进入锅炉。

在原锅炉给水管路上安装流量调节阀，并在阀门前后安装管道，将锅炉给水引入直燃型吸收式热泵。当吸收式热泵运行时，通过调节阀门，使锅炉给水首先经过直燃型吸收式热泵加热，然后再送至锅炉；不运行余热回收机组时，关闭进入机组的锅炉给水阀门，通过调节阀门，使得全部锅炉给水进入锅炉直接加热。

冷凝水的pH值较低需要进行加碱处理，其余成分较为清洁，可以经过简单处理后排放，也可深度处理后用于锅炉补水用。

6 熱力计算

天然气选用北京天然气。

燃气锅炉工作在额定负荷，过量空气系数为1.2。

锅炉排烟温度按照70℃时，计算燃气锅炉的热效率为96%，经热力计算，在单台锅炉负荷满负荷运行的情况下，锅炉烟气流量为77961Nm3/h，烟气余热量约为7.5MW。因受到空间场地的限制，锅炉运行的实际情况（一般最大80%负荷运行），因此设计回收的锅炉烟气热量为6MW，需要烟气量为62366Nm3/h。烟气余热回收设备天然气驱动耗量为930Nm3/h。烟气降温过程可产生8t/h的冷凝水。烟气余热回收装置将烟气降至30℃。供热量为14.56MW，可将625t/h的热网水的温度由45℃提升至65℃，再由燃气锅炉加热至105℃送至用户处用于供热。

7 项目收益

在整个采暖季（按照123天计算），该套设备回收烟气余热量为6.38万GJ，直燃热泵供热量约为15.47万GJ，按照单台锅炉节约天然气进行计算，每台锅炉在加装余热回收装置后，可减少约188万标准立方天然气。同时可回收冷凝水为16000t/年，可深度处理后用于锅炉补水用，也可以经过简单处理后排。

另外本套余热回收机组需增加锅炉房电耗约150kW，则整个采暖季增加电耗约44.28万kWh。

8 环保效益

对烟气余热回收方案进行环保分析，由于烟气余热回收方案减少了年耗气量，因此减少了大气污染物排放，方案的环保性比较，经计算：烟气余热回收方案减少 CO2排量3659吨/年，减少NOx排量3.95吨/年，减少SO2排量为0.41吨/年，具有较好的环保效益。

9 结语

对常规方案和烟气余热回收方案进行能耗比较，烟气余热回收方案减少了年耗气量，但增加了少量的电耗，但是总体上是大大节能的，经济效益、环保效益明显。且将烟气温度降低至30℃以下，大幅降低PM2.5雾霾形成物的排放，社会效益突出。

参考文献：

[1]燃气热泵空调系统工程技术规程[S].（CJJ/T 216-2014）.