近年来,随着城市建筑面积的增加,用热需求逐年增加。2017年北方城镇供暖能耗折合标准煤为2.01亿t,占建筑能耗的21% ^[1]。北京市供热与城市建设同步,呈现出快速发展的局面。截至2018年底,北京市总供热面积达8.7亿m²,比2017年增加3 000万m²,需要更多的热源为建筑物供暖。然而一方面由于锅炉扩容需要有足够的场地,会受到现实条件的限制;另一方面排放标准日益严苛,一定程度上也限制了热源的新建和扩建 ^[2,3]。

　　 随着首都能源结构调整的推进,清洁能源供热比例升高,2017年天然气供热占比超过97%,大大改善了首都大气环境的质量。但现有燃气锅炉排烟温度相对偏高,造成能源浪费和环境污染。目前市场上应用最多的燃气锅炉能量回收方法是在锅炉尾部加装烟气余热回收装置,受被加热介质温度和设备防腐能力的限制,经烟气余热回收装置后排烟温度仍高达60～80 ℃,甚至更高,烟气中还有近一半的余热未被回收利用。

　　 自2011年以来,北京市和全国大部分地区雾霾多发,节能环保与大气污染治理迫在眉睫,迫切需要提高能耗大户和污染源的能源利用与环境保护水平,节能降耗减排。目前国内外很多专家和学者对燃气锅炉烟气余热回收理论和应用技术做了大量的研究 ^[4,5,6,7,8],其中包括将吸收式热泵技术推广应用到燃气锅炉烟气余热回收领域,取得了显著的节能效果。

　　 目前烟气冷凝热能回收装置换热器主体包括间壁式烟气冷凝换热器和直接接触式换热器2类。考虑到烟气冷凝热能回收装置可利用外部冷源切换运行,本文采用笔者所在团队自主研发的间壁式防腐高效烟气冷凝热能回收装置与吸收式热泵联合运行回收某工程的燃气锅炉烟气余热,以充分挖掘热能动力设备的节能潜力,提高燃气锅炉燃气利用效率和能源利用水平,并对燃气锅炉烟气冷凝余热深度回收系统的运行效果进行节能检测,为防腐高效烟气冷凝热能回收装置与吸收式热泵联合运行系统的推广应用提供技术支持和实践参考。

　　 北京某供热厂2座供热锅炉房内共有10台容量为29 MW/台的燃气锅炉,分东、西两侧布置,东侧锅炉房6台,西侧锅炉房4台,通过供热管网为40座热力站供热(首站设在东侧锅炉房内),最终由热力站向建筑供热。该供热厂总供热面积357万m²,其中住宅面积274万m²。节能改造前燃气锅炉排烟温度虽已降到70℃左右,但排烟热损失仍较大,排烟中水蒸气含量高,排烟潜热未被回收利用,且排烟雾气大,对周围居民室外空气环境造成不良影响。

　　 2016年该供热厂完成烟气冷凝深度余热回收利用技术改造,10台燃气锅炉尾部设置了节能器,但排烟温度仍高达60～80 ℃,大量潜热未被利用。一次网回水平均温度约47 ℃,换热首站二次网回水平均温度约41 ℃。在前期调研燃气锅炉房现状和供热运营特点的基础上,对1#、2#、3#燃气锅炉加装防腐高效烟气冷凝热能回收装置与吸收式热泵相结合的烟气深度回收利用系统,将排烟温度由70 ℃降至30 ℃以下,6#燃气锅炉仅加装防腐高效烟气冷凝热能回收装置用以预热换热首站二次网回水。该项目通过采用烟气冷凝余热深度回收利用技术,提升了燃气锅炉能源效率,将烟气热量“吃干榨净”,实现了高效能与友好排放,具有非常显著的节能减排意义。

　　 本文结合项目供热现状和锅炉运行特点,对1#、2#、3#和6#燃气锅炉烟气余热回收系统进行节能潜力分析,并提供适合的技术改造方案。

　　 该供热厂共10台燃气锅炉,严寒期一般运行5～6台,初末寒期一般运行2～3台。2016年对东侧锅炉房内的1#、2#、3#和6#燃气锅炉进行了烟气冷凝余热深度回收技术改造,以最大限度地挖掘节能潜力,提高整个锅炉房的燃气利用水平,其主要改造技术方案见表1。

　　 1#、2#、3#和6#燃气锅炉烟气冷凝余热深度回收系统布置原理如图1所示。

　　 从图1可以看出:1#、2#、3#燃气锅炉采用烟气冷凝热能回收装置与吸收式热泵联合运行的方式,其中烟气冷凝热能回收装置与吸收式热泵机组蒸发端形成闭路水循环,吸收式热泵冷凝端用于加热一次网回水,实现热量品位的提升;6#燃气锅炉仅加装烟气冷凝热能回收装置,利用换热首站二次网回水温度低的特点,可对全部二次网回水进行预热,以减少一次网用热能耗,进而降低燃气锅炉房的气耗。

　　 根据燃气锅炉实际运行现状,燃气锅炉平均运行负荷为70%。考虑节能设备选型的性价比,以锅炉实际运行平均负荷为70%作为设备(烟气冷凝热能回收装置和吸收式热泵机组)选型依据。锅炉燃气量取2 176 m³/h,吸收式热泵燃气耗量约462 m³/h,过量空气系数约1.15,排烟温度为70～80 ℃。经节能潜力计算分析,1#、2#和3#燃气锅炉排烟温度可由80 ℃降至30 ℃,回收烟气余热2 955 kW,综合节能率为11.6%,且单台吸收式热泵机组供热量达到7.0 MW,相当于1台10 t锅炉,同时每天可产生冷凝水79 t/d,除雾率达到78%,达到“消白”效果;6#燃气锅炉排烟温度可由80 ℃降至46 ℃左右,可回收烟气余热1 296 kW,提高锅炉热效率6.2%,每天可产生冷凝水33 t/d,除雾率达到43%以上。节能改造后,燃气锅炉70%负荷运行,2套燃气锅炉(1#、2#或3#)吸收式热泵联合运行系统和6#燃气锅炉排烟合计可回收烟气余热7 206 kW,即节省燃气747 m³/h,每个供暖季(121 d)共节省燃气216.9万m³,节能潜力巨大。

　　 通过对1#、2#、3#和6#燃气锅炉实施烟气冷凝余热深度回收利用节能改造后,回收烟气余热约7 206 kW,若供暖热负荷按35 W/m²计,则可增加供热面积20.6万m²,基本可满足换热首站的用热需求(换热首站实际供热面积为22.8万m²)。另外,增加的2台吸收式热泵机组使锅炉房供热能力提高15.3 MW,可为近44万m²的建筑供热。

　　 $Q{}_{\text{r}}=\frac{B{\rm H}{}_{\text{r}}}{3.6}(1)$

　　 式中 B为燃气耗量,m³/h;H_r为燃气低热值,MJ/m³。

　　 采用反平衡算法,以锅炉排烟经烟气冷凝热能回收装置放出的热量计算:

　　 $Q{}_{\text{h}}=(h{}_{\text{i}}-h{}_{\text{o}}){\rm M}{}_{\text{a}}-h{}_{\text{w}}m{}_{\text{w}}(2)$

　　 式中 h_i、h_o分别为进、出口烟气比焓,kJ/kg;M_a为干烟气质量流量,kg/s;h_w为冷凝水比焓,kJ/kg;m_w为冷凝水量,kg/s。

　　 采用正平衡算法,以循环水经烟气冷凝热能回收装置吸收的热量计算:

　　 $Q{}_{\text{h}}=Q{}_{\text{s}}=(h{}_{\text{w}\text{o}}-h{}_{\text{w}\text{i}})m{}_{\text{x}}(3)$

　　 式中 Q_s为水被加热吸收的热量,kW;h_wi、h_wo分别为烟气冷凝热能回收装置进、出口循环水比焓,kJ/kg;m_x为循环水量,kg/s。

　　 $\eta {}_{\text{g}\text{l}}=\frac{Q{}_{\text{g}\text{l}}}{Q{}_{\text{g}\text{r}}}(4)$

　　 式中 Q_gl为锅炉输出热量,kW;Q_gr为锅炉燃气输入热量,kW。

　　 $\eta =\frac{Q{}_{\text{h}}}{Q{}_{\text{g}\text{r}}}(5)$

　　 $\eta {}_{\text{z}}=\frac{Q{}_{\text{z}\text{h}}}{Q{}_{\text{g}\text{r}}+Q{}_{\text{b}\text{r}}}(6)$

　　 式中 Q_zh为燃气锅炉和吸收式热泵机组的排烟全部经烟气冷凝热能回收装置后实际回收烟气余热量,kW;Q_br为吸收式热泵的燃气输入热量,kW。

　　 $Q{}_{\text{r}\text{b}}=(h{}_{\text{b}\text{o}}-h{}_{\text{b}\text{i}})m{}_{\text{b}\text{r}}(7)$

　　 式中 h_bi、h_bo分别为吸收式热泵机组制热水侧进、出口循环水比焓,kJ/kg;m_br为热泵制热水侧循环水量,kg/s。

　　 $C{\rm O}{\rm P}=\frac{Q{}_{\text{r}\text{b}}}{Q{}_{\text{b}\text{r}}}(8)$

　　 本章重点介绍2017—2018年供暖季1#燃气锅炉节能改造后的防腐高效烟气冷凝热能回收装置与吸收式热泵联合运行系统的节能检测,并对检测数据进行分析。

　　 燃气锅炉烟气冷凝余热深度回收系统检测过程参照GB/T 10180—2017《工业锅炉热工性能试验规程》和GB/T 13234—2009《企业节能量计算方法》。燃气锅炉烟气冷凝余热深度回收系统原理和测点布置如图2所示。

　　 从图2可以看出,烟气冷凝余热深度回收系统主要由燃气锅炉、直燃型吸收式热泵和防腐高效烟气冷凝热能回收装置三部分组成。其中,烟气冷凝热能回收装置与吸收式热泵联合运行,吸收式热泵为烟气冷凝热能回收装置提供低温冷水,用于吸收燃气锅炉和吸收式热泵的全部排烟余热,同时将吸收的烟气余热通过热泵提高一次网回水温度(或锅炉进水温度),以达到锅炉节能运行之目的。

　　 2017—2018年供暖季,笔者对1#燃气锅炉烟气冷凝余热深度回收系统进行了6次测试,每次测试时间为2 h,测试期间锅炉负荷相对平稳,锅炉运行负荷为46%～76%,平均负荷为62%。吸收式热泵和烟气冷凝热能回收装置的进、出口水温及烟气温度的检测结果见图3。

　　 从图3可知,直燃型吸收式热泵排烟温度约为140～155 ℃(平均温度为148 ℃),与燃气锅炉排烟混合至60～70 ℃(平均温度为65 ℃)后进入烟气冷凝热能回收装置,烟气余热将冷水平均温度由21.76 ℃升至25.83 ℃,并将最终排烟温度降至23.8～34.0 ℃(平均温度为27.9 ℃),同时吸收式热泵机组通过燃气驱动,吸收被加热后的冷水带来的烟气余热,进而将一次网平均水温由48.5 ℃升至62.7 ℃,提升锅炉进水温度约14.2 ℃,大大降低了锅炉房的燃气耗量。

　　 通过检测发现,烟气冷凝热能回收装置的最终排烟温度主要取决于冷水温度,进水温度越低,最终排烟温度也越低,两者的端差(即最终排烟温度与进水温度之差)一般保持在4.7～7.2 ℃之间。

　　 在不同运行工况下,燃气锅炉本体热效率、锅炉节能率及综合节能率见图4。

　　 由图4可看出:锅炉本体热效率为87.0%～95.7%;烟气冷凝热能回收装置节能率为12.1%～16.5%;锅炉系统总效率为101%～109%;烟气余热回收系统综合节能率为10.2%～12.9%;平均综合节能率达到11.42%。

　　 2018年1月,国家检测机构对1#燃气锅炉烟气冷凝余热深度回收系统进行了节能检测,检测结果显示,燃气锅炉运行在70%负荷时,过量空气系数为1.16,烟气冷凝热能回收装置将排烟温度由69.1 ℃降至30.0 ℃,回收烟气余热2 914.5 kW,系统综合节能率为11.01%。

　　 直燃型吸收式热泵机组的性能可采用热泵循环的性能系数COP来衡量。吸收式热泵机组性能系数及水温变化见图5。

　　 从图5可看出,吸收式热泵性能系数COP为1.43～1.71,平均值为1.54。在吸收式热泵冷凝器的进水温度基本稳定条件下,随蒸发器侧冷水进水温度的升高,吸收式热泵性能系数COP也会提高,但最终排烟温度也相应升高。

　　 烟气在降温冷凝过程中会析出大量冷凝水,仅1#燃气锅炉每天可产生冷凝水55～78 t/d,该烟气冷凝水pH值和部分离子浓度的检测结果见表2。

　　 根据GB/T 1576—2018《工业锅炉水质》中锅炉给水指标,烟气冷凝水除显酸性外,其他指标均满足锅炉给水要求。因此,烟气冷凝水经酸碱中和等简单工艺处理后可直接回收利用,可用作锅炉系统或二次网的补水。

　　 值得一提的是,烟气冷凝水之所以显酸性,主要是由于烟气冷凝水在析出过程中,不仅会放出汽化潜热,同时还吸收了烟气中的NO_x和SO₂等有害气体,起到了净化烟气的作用。可见,回收烟气冷凝热在实现节能的同时,还具有显著的节水和环保效益。

　　 需要注意的是,烟气冷凝水具有一定的腐蚀性,必须要对烟气冷凝热能回收装置进行防腐处理,以延长设备的使用寿命,并做好设备的后续维护和保养。

　　 依据上述1#燃气锅炉的实测数据,从节能收益来看,当燃气锅炉运行在70%负荷时,1套烟气冷凝余热深度回收系统回收烟气余热2 914.5 kW。系统综合节能率按11%计,节省燃气量304 m³/h。若每个供暖季按121 d、燃气单价按2.72元/m³计,则单套系统每个供暖季可节省燃气882 816 m³,节省燃气费240万元,初投资回收期仅1～2个供暖季。经过测算,该示范项目每个供暖季合计可节省燃气229.4万m³,节省燃气费624万元,节能、经济效益显著。

　　 从节能减排的角度看,该工程每个供暖季以节省燃气量229.4万m³计,可节省标准煤2 785.6 t,降低CO₂排放量4 722.5 t、SO₂排放量191.5 kg和NO_x排放量2 332 kg,同时减少水蒸气排放3 761 t。考虑烟气中析出的冷凝水和节能减少的水蒸气排放,合计可减少24 452 t水蒸气向大气排放,有效降低了空气湿度,减少了PM2.5的形成媒介,降低了雾霾发生概率,改善了大气环境。

　　 1) 对烟气冷凝余热深度回收系统跟踪检测结果表明,烟气温度可由60.0～70.0 ℃降至23.8～34.0 ℃(平均为27.9 ℃),烟气冷凝余热深度回收系统综合节能率为10.2%～12.9%。

　　 2) 吸收式热泵可提升锅炉进水温度14.2 ℃,其性能系数COP为1.43～1.71(平均为1.54),且在其他条件基本稳定时,吸收式热泵性能系数随蒸发器侧冷水进水温度升高而升高。

　　 3) 烟气冷凝水对烟气具有净化作用,冷凝水显酸性,单套系统烟气中每天可产生冷凝水55～78 t/d,宜进行资源化再利用,经处理后可达到锅炉给水标准。

　　 4) 项目实施后,每个供暖季可节省燃气229.4万m³,节省标准煤2 785.6 t,节省燃气费624万元,减少排放CO₂4 722.5 t、SO₂191.5 kg和NO_x 2 332 kg,社会经济和环境效益巨大。