多级回收的天然气烟气余热深度利用系统模拟分析_中国暖通空调网 - 技术交流
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模拟·论文

多级回收的天然气烟气余热深度利用系统模拟分析
2018-02-28 | 中国暖通空调网 |【
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孙 涛3,付 林1,2,赵玺灵1,张 伟4,张世钢3,侯曰泽4,张宏宇5
1. 清华大学建筑技术科学系;2. 室内空气质量评价与控制北京市重点实验室;3. 北京清华同衡规划设计研究院有限公司能源规划设计研究所;4. 北京华源泰盟节能设备有限公司

[摘 要]针对燃气锅炉烟气余热回收方式中常规换热器余热利用不彻底,吸收式热泵回收烟气余热投资大的问题,提出了多级回收的天然气余热深度利用系统,在输入燃气量不变、耗费少量循环水泵电耗的前提下,将燃气锅炉供热效率提升约16%。以一台65t/h 燃气锅炉为例,通过建立燃气锅炉、分段烟气换热器以及吸收式热泵模型,进而构成了余热深度利用系统模型,并分析系统关键参数随着热网温度变化时的变工况特性,能够与实际工程项目实测数据相符,系统可以实现良好的节能、环保和经济效益。

[关键词]燃气锅炉;烟气余热;深度利用

随着环保形势日趋紧张,天然气作为一种高效清洁能源,近年来得到越来越广泛的应用。2015 年我国天然气消耗量达1932 亿m3[1],是2005 年全年耗量的3.13 倍。而在我国北方地区,天然气大量应用于在城市集中供暖中,以北京市为例,2015 年采暖用气量达116 亿m3,占全年总用气量的80% 以上,城镇供暖已经成为北京市天然气主要应用的对象。然而天然气资源有限,冬季严寒期供气短缺问题影响了供热的安全可靠性;同时天然气价格昂贵,政府每年不得不为天然气供热负担高额的财政补贴。为解决上述问题,从技术角度来出发,提高天然气利用效率是缓解天然气紧张和降低城镇供热成本的主要途径。

天然气燃烧后产生的烟气中都含有大量的水蒸气,其冷凝潜热是非常可观的。以排烟温度在70120℃之间的常规燃气锅炉为例,在该温度下烟气中的冷凝潜热无法释放,这导致了大量的余热未被回收,经计算该余热量占燃烧释放热量的15%以上。若有效利用上述余热,则能够大幅提升天然气利用效率。传统的烟气余热回收技术主要分为以下三类。

1)利用热网回水或低温空气作为冷媒来回收烟气余热[2,3]。对于省煤器而言,热网回水温度是影响其回收余热量的关键因素,而在严寒期,我国北方集中供热系统热网回水温度通常高于50℃,考虑10℃的传热端差条件下,烟气温度最低降至60℃,冷凝潜热无法全部释放;对于空气预热器而言,当烟气温度处于潜热段时,烟气的比热容为空气的56 倍,这使得即使空气升温幅度很大,烟气降温效果也并不明显。目前也有些燃气锅炉将上述两种方式组合应用,烟气余热回收效果提升有限,同时换热器占地面积大、易腐蚀也是普遍存在的问题。

2)利用热泵技术回收烟气余热。热泵可分为电热泵和吸收式热泵。对于电热泵,回收低品位的烟气余热需要额外增加大量的电力消耗,同时电力增容成本也较大,这制约了电热泵回收烟气余热的推广应用。而吸收式热泵可采用高温烟气作为驱动热源,除少量循环泵外不需要其他能源投入,其节能性和经济性均优于电热泵,同时采用直接接触式换热塔配合热泵使用,有效解决了腐蚀问题,能够将烟气温度降低至20℃甚至更低,深度回收烟气余热,提升天然气利用效率十个百分点以上[4-6]

3)提升露点温度回收烟气余热。通过将空气加湿提高烟气的露点温度,使得在同样的热网水温度条件下,能够回收更多的烟气冷凝潜热。这种技术目前正处于研究阶段尚未实际应用。

本文将前两类烟气余热回收技术相结合,沿烟气温度降低的方向进行梯级余热回收,充分发挥高温烟气直接换热的优势和吸收式热泵深度回收烟气余热的优势,形成了多级回收的天然气烟气余热深度利用系统。本文以该系统为研究对象,通过建立理论分析模型,对系统关键参数进行变工况分析,并与实际项目中的测试数据进行比对,验证模型的正确性,进行能效和经济性评价,为系统设计和运行提供指导。

1 多级回收的天然气烟气余热深度利用系统介绍

1.1 烟气余热回收潜力分析

将烟气温度降低释放的热量回收利用,可以得到天然气利用效率随烟气温度的变化如图1 所示,其中天然气利用效率是以天然气低位热值进行计算得到的[7]

燃气锅炉排烟温度与天然气利用效率的关系
1 燃气锅炉排烟温度与天然气利用效率的关系

由图3 可知,当排烟温度从100℃降至露点温度时,天然气利用效率随之线性增加,因为此时仅有烟气显热段热量释放,烟气每降1℃所释放的热量是相等的。而当烟气温度降至露点温度以下后,烟气中潜热和显热同时释放,此时天然气利用效率增长迅速,其斜率呈现突然增加后慢慢变缓的趋势。若将烟气露点以下温度段的余热全部回收,则能够提高天然气利用效率10% 以上,产生巨大的节能和经济效益。

1.2 多级回收的天然气烟气余热深度利用系统

本文提出多级回收的天然气烟气余热深度利用系统,系统流程如图2 所示。系统的“多级”指烟气回收余热的过程是分级完成的。烟气系统流程:锅炉燃烧所产生的温度为ty1 烟气首先进入一级烟气换热器,与一次网水进行间壁式换热,将烟气显热段热量用于预热一次网水,烟气降温至ty2 后进入二级烟气换热器;二级烟气换热器内与烟气进行换热的是燃气锅炉房就近热力站的二次网水,由于二次网水温度偏低,因此将烟气温度降低至更低温度ty3,甚至略低于烟气露点温度,烟气降温后再进入喷淋换热器;来自二级烟气换热器的烟气与来自吸收式热泵的烟气混合后送入喷淋换热器,与吸收式热泵的产生低温中介循环水直接接触换热,中介水升温后再返回吸收式热泵蒸发器释放热量,吸收式热泵采用燃气驱动回收中介水的低温余热后用于加热一次网回水,烟气降低至较低温度ty4 后排放至大气。

多级回收的天然气烟气余热深度利用系统流程
2 多级回收的天然气烟气余热深度利用系统流程

热网水系统流程:温度为t1h1 的一次网回水到达燃气锅炉房后,先进入吸收式热泵被加热至t1h2,之后送入一级烟气换热器与锅炉出口烟气进行间壁式换热,温度升至t1h3;再送入燃气锅炉,加热至供水温度t1g1 送至末端热力站。同时从锅炉房就近的热力站引出一股温度为t2h2 的二次网回水,送入二级烟气换热器,加热至二次网供水温度t2g2 后送回该热力站。

多级烟气余热深度回收利用系统保留了常规烟气与热网水换热的方式,利用一次网回水和二次网回水分别与烟气换热回收烟气高温段余热;进而在烟气低温段,利用中介循环水回收该段烟气余热作为吸收式热泵的低位热源,利用原供热方式中的较大传热温差回收上述热量用于加热热网水。系统按照最冷天热网工况进行设计,而在初末寒期室外温度提升时,热网回水温度相应降低,此时系统内锅炉、各换热器及热泵机组出力如何变化,系统排烟温度是否产生变化,热泵机组性能是否有所增强?为解决上述问题,需要对该系统建立模型,分析热网工况条件变化时对系统关键参数的影响。

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