吸收式热泵技术在燃气供热余热回收系统的应用

陈芳

（悉地（苏州）勘察设计顾问有限公司  江苏省苏州市  215000）

摘  要：通过分析燃气锅炉烟气特性，得出燃气锅炉余热回收的潜力，将吸收式热泵技术与烟气节能器应用于燃气供暖余热回收系统，其中烟气节能器分为间壁式节能器和直接接触式节能器，直接接触式节能器可将烟气温度降低至25℃以下，吸收式热泵与直接接触式烟气节能器相结合的余热回收系统，可回收燃气锅炉排烟中83.2%以上的冷凝水，天然气的热利用效率提高10%以上，同时还可减少SO2和NOx的排放。

关键词：燃气锅炉；吸收式热泵；烟气余热回收      

目前，国内天然气锅炉主要用于供热采暖，与煤炭、石油资源相比，天然气具有热值高、清洁环保的优势[1]。尤其近几年国家加大力度治理雾霾天气，2016年环保部发布《京津冀大气污染防止强化措施（2016~2017年）》中明确指出限时完成散煤清洁化替代，煤改气进入全面推进时代，将有更多的燃气锅炉替代传统的小容量燃煤锅炉，因此，提高燃气锅炉能源综合利用效率，具有显著的经济和环保效益，符合国家节能环保的相关政策[2][3]。

1烟气特性及余热回收潜力

表1 天然气燃烧后烟气成分

组分名称	CO2	H2O	N2	O2	其它
组分体积百分比（%）	8.0	16.1	72.6	3.2	—

天然气的主要成分是甲烷（CH4），含氢量高，实际燃烧产物中含有15~17%的水蒸气[4]，表1所示为过量空气系数1.2时天然气燃烧后烟气组分及其体积百分比。表2所列为不同的过量空气系数下对应排放烟气的露点温度表。天然气燃烧过程中过量空气系数越大，烟气中水蒸气的相对体积减小，其露点温度也随之降低，通常烟气的露点温度在55℃左右[5] [6]。

表2 烟气露点温度表

过量空气系数	1	1.1	1.2	1.3
水蒸气体积百分比（%）	19.0	17.4	16.1	14.9
烟气露点温度（℃）	59.2	57.4	55.7	54.2

早期燃气锅炉的排烟温度在140~230℃之间，在锅炉内部安装省煤器后，利用锅炉回水降低排烟温度，出口烟温达90~130℃，此时燃气锅炉热效率达90%以上（按低位发热量计）[1][7]。为更有效的利用烟气的热量，在燃气锅炉外部增加节能器，如图1所示。其中节能器为间壁式换热器，用来预热空气或加热锅炉给水，节能器可将烟气温度进一步降低至60~90℃[8]。但由于节能器的空气预热量少、锅炉回水温度高，导致锅炉排烟温度无法降到很低；即使可以降低到露点以下，考虑到烟气换热器防腐、运行安全等因素，锅炉的排烟温度至少要控制在60℃以上，以避免局部冷凝对换热壁面产生腐蚀，此时烟气中的水蒸气仍未发生凝结，仍有大量的余热未被利用[1][7]。

图1燃气锅炉常规降低排烟温度方式

天然气燃烧产生的热量中，有10%~13%的热量通过排烟散失到环境中，造成能源浪费和烟囱冒“白烟”的视觉污染。表3所列为天然气燃烧后烟气特性（过量空气系数1.2），烟气的露点温度是55.7℃，随着排烟温度的降低，水蒸气发生凝结，水蒸气体积百分比减小，烟气含水量大幅度下降。

表3燃气锅炉烟气特性数据表

排烟温度 ℃	水蒸气体积百分比	烟气含水量kg/Nm3	水蒸气 冷凝率
90	16.1%	0.172	0
80	16.1%	0.167	0
70	16.1%	0.162	0
60	16.1%	0.156	0
55.7	16.1%	0.156	0
50	12.2%	0.116	27.6%
45	9.5%	0.089	45.5%
40	7.3%	0.067	59.0%
35	5.6%	0.050	69.3%
30	4.2%	0.037	77.2%
25	3.1%	0.027	83.2%
20	2.3%	0.020	87.7%
15	1.7%	0.014	91.1%

表4为在不同的烟气温度区间内余热回收的潜力，即燃气锅炉热效率提升值。从表中可以看出，当烟气中的水蒸气未发生冷凝时，排烟温度降低20℃，锅炉热效率提升0.7%左右；当烟气温度低于露点温度，在55℃~45℃区间段，大量水蒸气发生冷凝，温降5℃可提高锅炉热效率2.83%、2.18%，而随着烟气进一步降低，锅炉热效率提升幅度明显减小，烟气温度30℃以下时，温度降低5℃，可回收的烟气余热量仅可提高锅炉效率1%以下。

表3不同排烟温度区间烟气余热回收潜力

烟气温度区间℃	温降值℃	效率提升
130~110	20	0.70%
110~90	20	0.71%
90~70	20	0.72%
70~60	10	0.36%
60~55	5	0.62%
55~50	5	2.83%
50~45	5	2.18%
45~40	5	1.71%
40~35	5	1.35%
35~30	5	1.07%
30~25	5	0.86%
25~20	5	0.70%
20~15	5	0.58%

2吸收式热泵烟气余热回收技术

图2燃气锅炉吸收式热泵余热回收系统流程图

图2为采用吸收式热泵技术的燃气锅炉烟气余热回收系统，与图1系统相比，主要增加了烟气余热回收换热器和直燃型吸收式热泵。温度较高的锅炉排烟进入烟气余热回收换热器中，烟气温度降低，热量被中介水带走，中介水进入直燃型吸收式热泵，热量被提取后加热热网回水，中介水继续回到烟气余热回收换热器中吸热。直燃型吸收式热泵采用天然气燃烧驱动，吸收式热泵机组自身的排烟也进入烟气余热回收换热器中加热中介水。吸收式热泵机组从中介水中提取热量，中介水水温可降至较低，从而中介水可将烟气温度冷却至最低，最大程度的回收烟气的热量。图2中热网水在热泵机组中获得的热量等于热泵消耗燃气提供的热量与烟气余热回收量之和。

烟气余热回收换热器通常有两种形式，间壁式烟气换热器和直接接触式换热器，分别见图3和图4。

图3间壁式烟气换热器示意图

图4直接接触式烟气换热器示意图

图3所示的间壁式烟气换热器，烟气和中介水分别在换热器的两侧，中介水走换热管内，烟气走管外，两种流体互相不混合，不干扰。图4所示的直接接触式烟气换热器为喷淋式换热，在换热器内部设置有喷嘴，通过选择合适的喷嘴材质，优化喷嘴几何尺寸，合理布置喷嘴位置，从而控制中介水的喷淋效果，保证喷淋水经喷嘴雾化后与从换热器底部进入的烟气能够进行充分的换热，喷淋水与烟气完全逆流换热[7]。直接接触式换热器作为烟气余热回收换热器，比间壁式换热器有更大的优势，其特性对比见表4。

表4烟气余热回收换热器性能对比

	间壁式烟气换热器	直接接触式 烟气换热器
1	易发生酸腐蚀，防腐性能差，设备用材要求高，使用寿命短，3~5年需更换，成本高	可对循环中间水进行中和，设备易防腐、用材要求低，使用寿命长，可达20年，成本低
2	烟气侧传热系数小，气-水间接换热，换热效果差，换热器端差大，至少5℃以上，所需换热面积大	传热系数大，换热效 果好，换热器端差小， 2℃以下，喷淋水经喷嘴雾化后，换热面积大、换热充分
3	烟气出口温度高，大量水蒸气未发生冷凝，余热回收量少	烟气出口温度低至20℃，80%以上水蒸气发生冷凝，余热回收量大，燃气锅炉热效率提升幅度大，可达10%以上
4	烟气流动阻力大	烟气流动阻力小，小于300Pa
5	消白烟效果一般，减少烟气中NOx的排放量效果差	消白烟效果好，能减少烟气中SO2、NOx的排放量，环保效益显著

3节能效果分析

天津某燃气供暖热力站，供暖面积25.94万m2，整个采暖季实际最大供热热负荷12.2MW，锅炉出口设置烟气节能器回收烟气余热，烟气节能器出口烟气温度55℃~65℃，高于烟气的露点温度。

图5天津某热力站供暖系统改造工艺流程图

热力站原供暖系统中仅采用烟气节能器对烟气显热进行回收，烟气中水蒸气携带大量的汽化潜热未能被回收，因此，采用图5的工艺流程对供热系统进行改造。燃气锅炉产生的烟气在烟气节能器中温度降低至冷凝温度以上，再进入锅炉直接接触式烟气换热器中释放水蒸气的潜热。整个供热系统配备燃气直接驱动吸收式热泵，同时热泵产生的烟气进入专设的热泵直接接触式烟气换热器。系统的中介水分别在锅炉和热泵对应的直接接触式烟气换热器中吸热升温后进入热泵作为低温热源，完成不断的吸热-放热循环过程。热网回水一部分进入锅炉烟气节能器，一部分进入吸收式热泵，然后汇合再回到锅炉。

其中直燃型吸收式热泵的设计参数见表5，由于采暖季供热负荷随着环境温度变化而发生大幅度变化，热泵负荷随全部烟气可回收余热量成比例减小，表5中的吸收式热泵按照该供热站整个供暖季的全工况进行设计，75%供暖期处于全负荷运行，剩余时期平均热负荷为额定工况的87.5%，在整个供暖季吸收式热泵都处于高效运行状态。

热力站供热系统实际运行参数见表6，表6以燃气热值8500kcal/Nm3、锅炉热效率0.96进行计算分析。

表5直燃型吸收式热泵设计参数

1	热泵余热回收量	800	kW
2	热泵额度燃气消耗量	129.1	Nm3/h
3	热泵额度供热量	1982	kW
4	设计烟气出口温度	25	℃
5	热泵燃烧热效率	0.90	/

表6热力站供热系统实际运行参数及节能效益分析

序号	名称	单位	工况一	工况二	工况三
1	锅炉燃气消耗量	Nm3/d	13610	16290	16010
2	热泵燃气消耗量	Nm3/d	2502	3021	2962
3	平均供水温度	℃	60.6	64.34	63.75
4	平均回水温度	℃	36.95	38.85	38.70
5	热泵计量供热量	GJ/d	141	165	166
6	实际排烟温度	℃	24.1	25.0	23.3
7	热泵机组能效值	/	1.76	1.71	1.75
8	热泵实际余热回收量	kW	709.4	809.5	828.0
9	供热热效率平均提升值	%	11.3	10.7	11.2
10	节约燃气量	Nm3/d	1723	1966	2011

表6中工况一、二、三分别对应吸收式热泵机组的89%、101%、104%运行工况，工况二和工况三的余热回收量均达到了机组的额定值，工况一的余热回收量少于额定值，这是由于整个系统供热热负荷减小，可回收的烟气热量减少。工况一、二、三吸收式热泵机组的能效值均较高，高于1.7，机组性能良好，余热回收效果显著。根据在整个供暖季吸收式热泵机组的运行情况，经测算，整个采暖季节能效果显著。

以上三个工况下的排烟温度均不高于25℃，烟气中83.2%以上的水蒸气发生了凝结，完全消除了目视“白烟”污染现象，收集的凝结水处理后可作锅炉补水。

4结论

对燃气锅炉出口烟气进行回收是提高燃气热利用效率的有效途径，采用直接接触式烟气换热器与吸收式热泵相结合的余热回收方式，可以将排烟温度降低至25℃以下，回收了烟气携带的显热和水蒸气携带的大量的潜热，供热热效率平均提高10%以上，同时消除燃气锅炉烟囱的冒“白烟”现象，减少烟气中SO2和NOx的排放，具有显著的经济效益和环保效益。

参考文献：

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[3]石书强,王随林,吴佳蕾,吴亚东,寿德,张玉平,张彤,王守金,孟广亮.大型燃气锅炉排烟余热深度利用改造工程实测分析[J].暖通空调,2016,46(02):74-77+11.

[4]杨石,顾中煊,罗淑湘,钟衍.我国燃气锅炉烟气余热回收技术[J].建筑技术,2014,45(11):976-980.

[5]祝侃,夏建军,谢晓云,江亿.吸收式热泵及直接接触换热在燃气锅炉全热回收中的应用[J].暖通空调,2013,43(09):111-115.

[6]赵玺灵,付林,江亿.天然气供热中烟气余热利用的潜力及途径[J].区域供热,2013(03):41-45.

[7]王政伟,韩三飞,张争光.过量空气系数对燃气锅炉余热回收效率的影响分析[J].节能技术,2013,31(02):123-126+132.

[8]田贯三,付林,江亿.用天然气烟气废热作低温热源热泵循环的分析[J].太阳能学报,2003(04):472-476.

作者简介：陈芳（1988.4），女，江苏苏州，汉，本科，工程师，研究方向：建筑及市政专业暖通空调设计。