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【案例分析】天然气锅炉房烟气余热深度回收工

作者:pokerking官网 发布时间:2020-05-30 02:32 点击数:

  天然气的主要组分是甲烷(CH4),燃烧后排出的烟气中含有大量的水蒸气,水蒸气的气化潜热占天然气低热值的比例达到10%~11%,目前基本上都没有利用而直接排放到环境。另外,天然气烟气中的水蒸气排入大气后冷凝,造成冒白烟现象,形成景观污染,并促使PM2.5排放指数增加。因此,深度回收利用包括水蒸气气化潜热在内的烟气余热对节省能源和减少污染物排放量都有重要意义。

  为了利用燃气锅炉的烟气余热,国内外科研单位进行了研究。目前针对燃气锅炉烟气余热回收的技术,主要集中在采用加装冷凝换热器和空气预热器来降低排烟温度。

  常规燃气锅炉加装冷凝式换热器,烟气降温过程中存在相变过程,开始发生相变的温度即为烟气的露点。高于露点时,锅炉供热效率(锅炉供热量与按照燃气低热值计算得到的燃气供热量的比值)的提高是靠烟气降温所释放的显热实现的。当烟气温度低于露点后,锅炉供热效率的提高主要靠水蒸气冷凝释放潜热实现,此时烟气温度的降低对锅炉供热效率的提高,影响较为显著。

  只有当热网回水温度低于20~30℃时,使用冷凝式换热器才会有好的效果。对于一般的供暖系统,尤其是区域供热系统,其热网回水温度远高于此值。因此,直接利用热网回水降低烟气温度是非常受限的。这一原因也严重制约了冷凝式锅炉在供热领域的推广使用。若采用文献中提到的吸收式换热技术,可以显著降低热网回水温度。若热网回水温度为20℃,采用冷凝式换热器即可将烟气温度降至较低水平,从而大幅提高锅炉供热效率。

  也可采用烟气-水换热器和空气预热器组合的方式进行烟气余热回收,利用烟气-水换热器回收高温烟气段的显热,利用空气预热器回收中低温烟气段的潜热和显热。但这种方式也受热网回水温度以及空气有限的回收余热能力所制约,当热网回水温度为50℃时,这种方式只可将烟气温度从90℃降至51℃。

  针对上述情况,清华大学提出了将吸收式热泵用于燃气锅炉的烟气余热回收技术,并用直接接触式换热代替常规的间壁式换热。吸收式热泵在天然气等高温热源的驱动下制取低温冷水,锅炉的烟气作为吸收式热泵的低温热源同低温冷水进行直接接触式换热,由于冷水的温度较低,因此,烟气的温度可以降至25℃甚至更低。该技术突破了热网回水温度的限制,可应用于回水温度较高的供热系统中。另外,该技术采用了直接接触式换热器,相对于表面式换热方式,其优势在于:极大地增加了气-液两相接触面积,瞬间完成传热和传质,达到强化换热、提高换热效率的目的。采用接触换热技术后,烟气和水在很小温差下即可实现稳定接触换热,无需金属换热面,减小了换热器的体积,大幅度降低了换热器成本。烟气中的酸性蒸气直接在水中溶解,只要对溶液加碱性物质如NaCO3、NaOH等进行中和,并对换热器关键部位的制造材料进行防腐蚀处理,即可避免降低排烟温度后遇到的材料腐蚀问题。

  图1为典型的烟气余热回收系统的基本原理。在常规的燃气锅炉供热系统中增设了直燃型烟气余热回收装置(以下简称余热回收装置),该装置主要包括燃气驱动的吸收式热泵(以下简称直燃型热泵)、直接接触式换热器(以下简称接触式换热器)及水泵、阀门等其他附属设施,同时增设了两条烟管将余热回收装置与锅炉烟囱相连,烟气阀1、2及风机均设置在这两条烟管上。当烟气余热回收系统投入运行时,烟气阀1、2及风机均开启,经过测试,烟气量在运行时可以满足设计要求。锅炉烟气和直燃型热泵的烟气混合后进入接触式换热器,同直燃型热泵制取的用于喷淋烟气的冷水(以下简称喷淋水)进行接触式换热,烟气可被喷淋水冷却,温度降至25℃甚至更低,然后由风机抽送排入大气。在喷淋水路中,喷淋水在接触式换热器中同烟气换热后温度升高,被喷淋水泵送入直燃型热泵进行降温,然后返回接触式换热器继续冷却烟气。在热网回水管道中,水阀1关闭,水阀2、3开启,热网回水首先进入直燃型热泵进行加热,然后进入燃气锅炉加热,送至用户处供热。

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