水气比对直接接触烟气余热回收系统性能影响

2020-03-17王逊，刘璐，胡明

煤气与热力 2020年3期

王逊，刘璐，胡明

(1.北京优奈特燃气工程技术有限公司，北京100023；2.北京市公用工程设计监理有限公司，北京100023))

1 概述

回收燃气锅炉烟气余热是提高锅炉热效率的有效手段之一，许多学者对直接接触式烟气-水换热器(以下简称烟气换热器)用于烟气余热回收进行了理论及实践研究[1-4]。文献[5]建立了烟气换热器的传热传质模型，分析了热质交换性能的影响因素。结果表明，影响烟气换热器换热效率的主要因素是水气比(烟气换热器的喷淋水与烟气质量流量之比)、换热器高度、喷水雾化粒径等。文献[6-7]对采用烟气换热器的锅炉余热回收系统进行实验研究，得到优化后的水气比用于改善烟气换热器的热效率。已有研究表明，水气比是影响热回收效果的重要参数，但相关研究主要对烟气换热器进行。本文针对采用烟气换热器、直接接触式空气-水换热器(以下简称空气换热器)的燃气锅炉(额定热功率5.6 MW)供热系统，采用Aspen Plus流程模拟软件，分析水气比对燃气锅炉进口空气温度、系统供热量、烟气换热器排烟温度(即系统排烟温度)的影响，从降低氮氧化物排放和提高系统供热能力出发，确定适宜的水气比。

2 燃气锅炉供热系统

某工程采用烟气换热器，对原有额定热功率5.6 MW燃气热水锅炉供热系统进行节能改造，并配合低氮燃烧器降低锅炉氮氧化物排放。

① 原燃气供热系统

原燃气供热系统工艺流程见图1，燃气锅炉额定耗气量为609 m3/h，额定热功率为5.6 MW。供热介质进、出水温度为50、70 ℃，设计质量流量为236 798 kg/h。

燃气锅炉出口烟气(130 ℃)经烟气冷却器冷却后温度降至80 ℃，排出系统。板式换热器一级侧出水(温度为70 ℃)分为两部分，一部分进入烟气冷却器被加热至77 ℃，另一部分与烟气冷却器出水混合后进入燃气锅炉,被加热至95 ℃。

② 改造后的燃气供热系统

改造后的燃气供热系统流程(水气比为3.0)见图2。采用直接接触烟气余热回收装置回收烟气冷却器排烟余热，直接接触烟气余热回收装置包括烟气换热器、空气换热器、循环泵等[4，8]。来自用户的回水分为两部分：一部分进入烟气冷却器，被烟气加热至60 ℃。另一部分与经烟气冷却器加热的用户回水混合，进入板式换热器加热至70 ℃。

图1 原燃气供热系统工艺流程

图2 改造后的燃气供热系统流程(水气比为3.0)

循环水经循环泵输送到烟气换热器，由上部向下喷洒，与来自下部的烟气(烟气来自烟气冷却器，温度为80 ℃)直接接触换热，烟气放热后温度降至40～45 ℃，烟气中的凝结水则进入循环水。

在空气换热器中，来自烟气换热器的循环水，与空气换热器下部的低温空气直接接触，空气被加热加湿。为了保证锅炉烟气氮氧化物排放量≤30 mg/m3，要求锅炉进口湿空气温度在60～65 ℃，相对湿度100%。由于燃气锅炉进口空气经过加湿，因此燃气锅炉出口烟气中水质量分数达到30%左右，烟气露点提高至70 ℃以上。

3 模拟方法与参数设定

① 模拟方法

采用Aspen Plus流程模拟软件，建立改造后燃气供热系统仿真流程。采用Radfrac模块对烟气换热器、空气换热器分别进行塔板设计、塔板校核。天然气、空气物性参数计算采用P-R方程，水及水蒸气物性参数计算采用STEAM-TA模块。

② 参数设定

天然气的各组分体积分数见表1。天然气的低热值为35 080 kJ/m3。

表1 天然气的各组分体积分数 %

供热系统的供热量为5 570.4 kW，用户供水温度70 ℃，用户回水温度50 ℃。燃气锅炉过剩空气系数为1.3，阻力为30 kPa。烟气冷却器、板式换热器的换热效率为98%。空气换热器的散热损失率为5%，阻力为0.3 kPa。烟气换热器的散热损失率为5%，阻力为0.5 kPa。循环泵效率为90%，送风机效率为75%。烟气换热器、空气换热器结构参数见表2。烟气换热器填充不锈钢鲍尔环，直径38 mm，高度38 mm，厚度0.4 mm。空气换热器填充塑料鲍尔环，直径25 mm，高度25 mm，厚度0.4 mm。

烟气换热器的烟气进口温度为80 ℃，流量9 200 m3/h。空气换热器的空气进口温度为20 ℃，相对湿度50%,流量为6 888 m3/h，循环水进水温度为74.8 ℃。燃气锅炉天然气进气温度20 ℃，流量为609 m3/h。

板式换热器额定换热能力为6 000 kW，烟气冷却器额定换热能力为170 kW，烟气换热器额定换热能力为1 500 kW，空气换热器额定换热能力为1 200 kW。