燃气锅炉烟气余热的深度回收与利用

燃气锅炉烟气余热的深度回收与利用原创 孟继安 等 悦智网 2017-07-13 15:20燃气锅炉排出的白烟温度为60～90摄氏度，属于低品位余热资

燃气锅炉烟气余热的深度回收与利用

原创 孟继安 等 悦智网 2017-07-13 15:20

燃气锅炉排出的白烟温度为60～90摄氏度，属于低品位余热资源。烟气中水蒸气的质量含量达10%以上，采用喷淋填料换热和热泵技术，可深度回收烟气显热和潜热用于供热。若排烟温度降至30摄氏度以下，锅炉热效率可提高10%以上，同时，可吸收烟气中的氮氧化物，回收冷凝水，具有节能、减排和节水的综合效益。
按人均计算，我国的石油、天然气资源十分稀缺，目前，我国已成为石油第一进口大国。为了实现全面小康，保证国民经济可持续发展和人民生活水平的不断提高，节约能源、回收并利用生产生活中排放的余热资源，是我国长期的基本国策。
在20世纪50年代初期，看到高高的烟囱冒出滚滚浓烟，是一件让人高兴的事儿，说明新的工厂投产了。然而，改革开放后的近40年，空气污染、水污染、土壤污染已经成为我国国民经济可持续发展的“拦路虎”，需要花大力气去解决。唯GDP时代已成过去，绿色经济已提上日程。以北京为例，多年来实施煤改气、煤改电的努力已初见成效。在供暖季，中心城区的家用小煤炉不见了，燃煤锅炉冒出的黑烟也难觅踪迹，取而代之的是燃烧洁净天然气的燃气锅炉冒出的滚滚白烟。那么，随风飘散的白烟是否还有利用价值呢?
1. 排出的白烟里都有什么?
与煤相比，天然气是洁净能源，其中93%以上是甲烷。北京地区使用的天然气低位发热量为34705千焦/立方米。天然气燃烧需要氧气，在燃气锅炉中，天然气燃烧的过量空气系数通常为1.2，也就是说，输入的空气为天然气完全燃烧所需空气的1.2倍。若天然气在锅炉中充分燃烧，经省煤器（在排烟之前用来加热新鲜冷空气以便节能的换热设备）降温后排入大气的白烟中含有水蒸气，其体积含量接近16%，质量含量超过10%。
水蒸气降温后凝结成小水珠，与其他排出的气体一起形成白烟。排放的白色烟雾中有13%的二氧化碳（质量含量），二氧化碳属于温室气体，大量温室气体包围地球，就像给地球盖了个玻璃暖房，使地球表面温度不断上升，从而导致一系列恶劣天气，如极度炎热、水灾、大旱等。
目前所倡导的低碳经济，指的就是减少二氧化碳的排放。在燃烧过程中，氮气和氧气会产生化学反应，生成氮氧化物（NOX)，其中主要是一氧化氮和二氧化氮。氮氧化物是污染物，是形成空气中的PM2.5的元凶之一；二氧化氮与水结合可生成酸性很强的硝酸，所以，人吸入含有氮氧化物的空气时会感觉很不舒服，过量吸入氮氧化物可严重危害身体健康。二氧化碳可使地球升温，氮氧化物污染空气、危害人类身体健康，属于排烟中的有害成分，但是，其中所含的水蒸气，却是可以回收利用的，对北方干旱缺水的地区更是如此。
除了上述有形的成分外，排放的烟气中还有无形的能量。一般说来，考虑到烟气中含有大量水蒸气，因此在省煤器中，烟气温度不能降得太低。若烟气温度降至露点以下，水蒸气会凝结成水，当冷凝水附着于省煤器的翅片表面时，因其中含有酸性成分，会腐蚀翅片，缩短省煤器的使用寿命；若水在省煤器的翅片间架桥，则会严重恶化省煤器的换热性能。通常情况下，经过省煤器后的排烟温度大约为80～90摄氏度，新建锅炉的排烟温度更低，可低至60摄氏度左右，已经接近露点。
排放的烟气中有热能可以回收利用，水蒸气未凝结时烟气温度降低所释放的热量称为显热，若烟气温度降至露点以下，水蒸气会凝结成水，同时释放汽化潜热。与显热相比，水的汽化潜热很大，所以，在可以回收的烟气余热中，潜热占比很高。所谓烟气余热的深度回收，指的就是既要回收烟气的显热，也要回收烟气的潜热。若烟气温度为60摄氏度，经深度余热回收后的排烟温度为30摄氏度，相当于提高锅炉热效率10%左右。如能将排烟温度降至30摄氏度以下，则可回收利用的热量更多。
2.如何实现烟气余热的深度回收与利用？
燃气锅炉的排烟温度较低，属于典型的低品位余热资源。对于供热锅炉或热电厂来说，此类低品位余热可回收后用于供热，这样既可提高能源利用效率，又可减少二氧化碳和氮氧化物的排放。对大型燃气锅炉来说，进行烟气余热的深度回收，换热器的设计十分重要。回收烟气余热，首先要通过换热器将烟气的余热传递给中间介质。
很显然，与间壁式换热相比，烟气和水直接接触换热的效果更好，而且烟气降温产生的冷凝水直接汇入循环水中还便于回收。目前，烟气和水直接接触换热有两种方法可供选择：

• 一种是空塔内烟气和循环水的逆流接触换热。该方法为了尽可能地回收烟气余热，需要将水雾化以增加烟气和水之间的接触面积，同时，循环水的流量还要足够大，以弥补烟气和循环水在换热塔内停留时间短的不足。
• 第二种方法是烟气和水膜接触换热，该技术中循环水以喷淋的形式自上而下落入换热塔内的多孔填料，在填料表面滴溅并铺展成水膜，烟气自下而上流经填料的蜿蜒曲折通道，与循环水进行热质交换。两种方法相比，前者烟气流阻和循环水流量大，运行成本高；后者烟气和循环水在换热塔内的停留时间长（填料的曲折通道远大于换热塔内空间的高度），换热面积大幅增加，换热性能更好，而且相同换热功率下烟气流阻小，所需循环水流量小，运行成本大幅降低。

通常情况下，为保证用户的室内温度达标，供热的出水温度较高。若烟气温度高于供热温度，可采用间壁式换热方式直接将热网水加热至所需温度用于供热。对于温度较低的烟气来说，与循环水进行热交换后循环水的温度远未达到供热温度，这就需要采用热泵技术。所谓水往低处流，指的是水总是自发地从高处流往低处。但是，水也可以从低处流往高处，只是需要外力辅助。要么需要水泵，如自来水、热网水流向楼房高层；要么需要消耗水流的动能，如汹涌的河水遇到障碍可以冲向高处。
热量的传输也是如此。通常，热量只能自发地由高温物体传向低温物体，若要使热量从低温物体传至高温物体，则需要外界对系统做功。家用空调就是一种典型的热泵，夏天工作在制冷模式，从室内吸收热量传至室外，使室温降低；冬天工作在制热模式，则从室外冷环境取热传至室内，使室内温度升高。由于供热锅炉燃烧天然气，所以，其烟气余热回收系统通常采用燃烧天然气驱动的吸收式热泵。热泵从升温后的循环水中取热（循环水所吸收的烟气余热）加热热网水，降温后的循环水则回到换热塔循环使用。
前面提到，烟气中含有氮氧化物，在烟气与循环水接触换热的过程中，氮氧化物被循环水吸收，使升温后的循环水具有一定的酸性。为了保证系统正常运行并使烟气降温生成的冷凝水安全排放，在余热利用的同时，还需要对弱酸性循环水进行处理，使其达到排放标准。最常用的方法是按需添加碱液（如氢氧化钠溶液），碱液中的碱性物质与循环水中的酸性物质发生中和反应，可使循环水的酸碱度（pH值）达到排放标准。
3.烟气余热回收利用工程实例
由北京源深节能技术有限责任公司实施的“望京蓝天燃气供热锅炉烟气余热的深度回收与氮氧化物（NOX）低温氧化脱硝示范工程”于2014—2015年供暖季调试运行，其工艺原理如图1所示。

• 来自烟道的天然气燃烧产生的低温含湿烟气进入喷淋填料换热塔前，加入适量臭氧，将NO氧化为N2O5等；
• 风机将烟气送入喷淋填料换热塔，与水在喷淋填料换热塔内进行直接接触式的逆流热质交换，烟气放出热量的同时，其中的酸性物质和粉尘颗粒物被喷淋水吸收；
• 喷淋水吸收了烟气的显热和潜热后进入热泵，热泵从循环水中取热用以加热热网水，喷淋水通过热泵换热降温后回到换热塔循环使用；
• 烟气经降温减湿、脱硝净化后输送至烟囱排入大气，而烟气冷却后产生的冷凝水经处理后通过自动排放装置自动排出；
• 同时根据喷淋水的pH值自动加入碱液，以使喷淋水保持合适的酸碱度。系统通过PID系统调节臭氧加入量和碱液加入量，以实现最优的NO氧化率和NOx的吸收率；
• 调节喷淋水流量和进口温度，可实现最佳的喷淋填料换热塔余热回收与脱硝效果；
• 调节排水量，维持系统平衡与稳态运行；调节热泵中作为高温热源的天然气流量，实现喷淋填料换热塔与热泵负荷的优化和匹配。

图1
供热锅炉烟气余热回收工程工艺原理图

图2为余热回收工程的喷淋填料换热塔。塔身采用不锈钢一体化制造工艺，包括喷淋换热层、储水层和碱液箱。在喷淋换热塔内，从上到下布置有除水器、零压自旋转喷淋器和填料，填料将换热塔分成淋雨区、填料区和喷淋区。烟气在塔内经过降温减湿后通过顶部的除水器去除携带的冷凝水后排出，经烟道排入大气。喷淋水从顶部的零压自旋转喷淋器喷出，与烟气热质交换后在底部储水层积聚，而后通过水泵将其送入热泵用于加热热网水。系统运行过程中，从底部碱液箱中自动抽取适量碱液，用于中和喷淋水所吸收的NOx等酸性物质，以维持系统的pH值。

图2
喷淋填料换热塔

为了尽可能降低氮氧化物的排放，该工程配备了一台臭氧发生器。加入适量臭氧，使排烟中的NO氧化为N2O5等，以便被循环水吸收。
图3为该工程168小时连续运行时烟气余热回收功率和供热功率的实时变化。系统运行平稳且满负荷运行；烟气余热回收功率为3 兆瓦；供热功率受用户负荷变化存在波动，但大部分时间的供热功率为7.2兆瓦。
图3
烟气余热回收量和热泵供热量随时间变化

经测算，若系统在额定工况下满负荷稳定运行，北京地区采暖季按125天计算，与常规燃气锅炉供热相比，每个采暖季以消耗19.11万千瓦小时电量的代价，可回收3.3万吉焦的余热，相当于减少天然气使用量106万立方米，按现行天然气价格计算，相当于节约286万元，投资回收期为2～3年。
同时，当臭氧加入量为8千克/小时的时候，排烟中的NOx含量小于30 毫克/立方米，满足DB11 139-2015《北京市锅炉大气污染物排放标准》。与常规锅炉供热方案相比，该工程每年减排二氧化碳1630吨，减排氮氧化物8.1吨，回收冷凝水6700吨，其经济效益和减排效果十分显著。
致谢：感谢973计划项目“工业余热高效综合利用的重大共性基础问题研究”课题 “余热输运与转换过程优化的原理、技术与应用”（课题编号：2013CB228301）的支持。
专家简介孟继安：博士，清华大学高级工程师。
朱晓磊：博士，上海发电设备成套设计研究院工程师。
钟达文：博士，华北电力大学讲师。
隋晓峰：北京源深节能技术有限责任公司总经理。
赵岩：北京源深节能技术有限责任公司教授级高级工程师。
李志信：清华大学教授，博士生导师。