供热燃气锅炉烟气余热深度利用技术的应用研究与分析
第 1 章 绪 论
1.1研究的背景和意义
能源作为经济社会发展最重要的基础保障性资源之一，其重要性我们无须赘述。现阶段我们人类使用的能源中最主要是化石能源，新能源的开发利用势头强劲，但是在日后很长的一段发展时间内，化石能源的消耗依然将占据主要地位，而化石能源的全球储量是十分有限的，目前正在不断高速开发利用，并必将走向枯竭。因此，我们全人类必须要合理地开发和最大程度地节约能源利用，同时大力开发新能源和探寻其他替代能源。节能减排是我国经济社会健康可持续发展必须要面对的重要挑战。随着联合国气候大会在哥本哈根落下帷幕，加强气候变化国际合作，共同应对挑战;成为国际社会的强烈政治愿景。我国作为发展中国家，在全球气候变暖的大背景下，我国政府承诺了到2021 年单位 GDP 碳排放比 2005 年要减少百分之四十到四十五左右，主动承担起了节能减排的国际责任。世界范围的能源危机发生以后，大家都强烈地意识到了今后世界经济的发展越来越会受到能源短缺的巨大威胁。经过核实统计，人们也发现到了由于现有的能源消耗设备与能源消耗方式竟然浪费掉了占世界能源总量的 50-70%左右。节能减排工作若要向更高的目标迈进，需要管理的创新突破以及科技技术的创新做为支撑。当今世界气候变化，环境恶化，资源紧缺，各国在发展经济的同时，如何节约和充分利用能源成为首先加以考虑的问题。作为能源消耗量较大的企业，能源的成本几乎占到了企业总成本的 80%以上，如何降低能源消耗及费用，做到开源节流，也已经成为了企业积极探索节能降耗的主要问题之一。
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1.2国内外技术发展及研究现状
国内外针对燃气锅炉的烟气余热回收利用技术的研究已经有很多，但是对于回收烟气中的汽化潜热，实现排烟中热量的全热回收，是目前技术研究的主要课题。目前利用排烟余热的方式有多种，但比较成熟稳重和有效的是加装烟气节能器。天然气作为一种高效清洁能源，在供热行业中的应用越来越广泛，随之而来的是天然气需求量的巨大增加和烟囱冒白烟;的环境问题。随着我国城镇化进程的加快，北方供热能耗日益增加，因此，提高天然气利用效率，降低燃气锅炉冒白烟;现象，成为一项迫切的工作。自从上世纪 60、70 年代以来，世界各国对余热利用技术研究的发展很快，目前我国对余热利用技术的研究开发也取得了较大的进展。目前主要采用的烟气余热回收技术为烟气冷凝换热器技术和吸收式热泵机组技术。传统的烟气余热回收技术包括节能器;和空气预热器;，以一次热网回水为冷源，回收烟气中的余热，可将烟气排烟温度降低至 70-90℃左右。北京市集中供热的一次管网回水温度可达 55℃，而冷凝热是集中在 30~55℃区间范围内，通过传统的方式冷凝热是无法回收的。烟气余热深度回收技术，利用吸收式热泵产生的低温冷水与烟气进行直接接触或间接式换热，将烟气温度降低至 30℃再排放至环境中，回收的热量通过热泵提升，加热热网回水。利用该技术，可以回收烟气中水蒸气的冷凝热，使天燃气利用效率提高 10%左右，整体利用效率甚至超过 100%；同时，该技术还可回收烟气冷凝水，减少供热系统耗水量。吸收式热泵设备起源于吸收式制冷机，而吸收式制冷机是美国发明的。20 世纪 60年代开始在日本广泛发展使用，在中国该项技术经历了 20 多年的发展至今，目前该技术十分成熟稳重、可靠。此类产品最关键的技术是应保证真空度，应为该机组内部是依靠负压而工作的，因而要求加工的工艺十分高，保障机组运行过程中不凝性气体的有效排出。吸收式热泵与吸收式制冷机相比，在结构上相对简易，部件也更少，因此目前吸收式热泵技术十分成熟稳重、可靠[5] -[9]。
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第 2 章 烟气冷凝换热器技术的应用研究与分析
2.1 引言
热交换技术是工业余热回收利用最直接、效率较高的经济方法。北京市某供热厂现有6台燃天然气的热水锅炉，每台热水锅炉的供热能力为116MW，总供热能力为696MW。通过对 4 台 116MW 燃气热水锅炉进行了烟气余热利用改造，安装了烟气余热回收装置及相关附属设施，对烟气余热进行回收利用，通过项目的实施，达到了降低供热能耗，回收热能的效果。此次的改造是利用一次热网回水来冷却烟气，使排烟温度降低到 80℃左右，来实现烟气中显热的回收利用，可以在一定程度上提高锅炉的热效率。
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2.2 项目的设计及影响因素的考虑
降低排烟温度就会有冷凝水产生，如果烟气通过节能器后温度由 120℃左右降低到 80℃左右。是远远高于烟气的露点温度 50℃，所以烟气只会产生少量的冷凝水。水蒸气出烟囱后就随空气扩散开，不会影响周围环境。虽然通过控制烟道中没有大量的凝结水析出，但是还应该考虑到锅炉运行工况突发变化时可能会有产生凝结水的情况而出现腐蚀问题，所以应该对烟气节能器、烟道及烟囱采取防腐的措施。应考虑采用耐高温、耐腐蚀的防腐涂料来对烟气节能器及烟道进行喷涂处理，以提高烟气节能器及烟道的防腐能力；为了提高烟囱的防腐能力可采用环氧有机硅并耐高于 200℃温度的漆进行喷涂处理。排烟温度降低时产生的凝结水一般情况下为弱酸性，水中含有大量的铁离子，不能直接再利用或排放掉。在锅炉正常运行时，凝结水产生量不多，回收利用价值也不高，只要考虑通过加减处理后达到排放标准即可。因此在设计时应考虑在锅炉房内安装凝结水处理的装置。节能器的结构类似省煤器，进水来自热网循环泵后，由节能器下集箱的端部进入，出水从上集箱的另一端出，整体上成 Z 字型流动，过水流量设计为 150t/h。为了控制节能器的水流量，在进水管道上装了一个调节阀，受排烟温度控制调节过水流量。原理图如图 2-1 所示。
第 3 章 吸收式热泵机组技术的应用研究.... 18
3.1 引言......... 18
3.2 吸收式热泵技术原理及特性...... 18
3.3 利用吸收式热泵机组回收烟气余热技术的关键点....... 20
3.4 吸收式热泵机组在烟气余热利用.... 22
3.5 初步结论 ....... 31
3.6 本章小结 ....... 31
第 4 章 燃气锅炉烟气余热利用..... 32
4.1 引言 ......... 32
4.2 项目现状系统描述 .... 32
4.3 主要设计参数...... 33
4.4 烟气余热利用-脱硝项目系统设计......... 34
4.5 项目实施情况及运行数据分析 ........ 41
4.6 经济性分析.... 44
4.7 投资回收期的敏感性分析 .... 44
4.8 节能环保效益...... 45
4.9 初步结论 ....... 45
4.10 本章小结...... 46
第 4 章 燃气锅炉烟气余热利用与脱硝一体技术的应用研究与分析
4.1 引言
由于天然气一直以清洁能源的形象出现在公众面前，燃气锅炉氮氧化物的排放问题目前还没有引起人们充分的重视，北京市现有的大量中、小型燃气锅炉几乎都没有采取任何污染物排放控制措施。冬季供暖对冬季的环境质量有着重要的影响，而供热对大气环境的影响是由于热源向大气排放污染物。燃气锅炉的主要污染物是 NOx，所以控制 NOx 的排放是改善空气质量最切实可行的措施。为防治大气污染及配合北京市清洁空气行动计划，北京市环保局于 2021 年 4 月底发布了北京市地方标准《锅炉大气污染物排放标准》（征求意见稿），相关排放标准限值更加严格：要求 NOx 排放浓度截止 2021 年 4 月 1 日，新建锅炉低于 30mg/Nm3，在用锅炉低于 80 mg/Nm3。目前国内外针对中、小型燃气锅炉的氮氧化物排放控制主要依靠低氮燃烧技术：在燃烧过程中控制 NOx 的产生，如：低氮燃烧器技术、空气分级燃烧技术、燃料分段燃烧技术等。由于现有低氮燃烧技术的局限性，燃气锅炉氮氧化物排放值一般控制在100mg/Nm3左右，如需进一步降低 NOx 的排放，必须进行烟气脱氮处理。目前通行的烟气脱氮技术工艺大体可分为干法和湿法二类；其中干法包括选择性非催化还原法(SNCR)、选择性催化还原法(SCR)、电子束联合脱硫脱硝法；湿法有碱液吸收法、酸液吸收法和臭氧氧化吸收法等。但存在工艺复杂，成本较高、催化剂氨或尿素逃逸等问题。
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结论
本文通过对供热燃气锅炉在烟气冷凝换热器技术、吸收式热泵机组技术及烟气余热利用与脱硝一体技术在烟气余热回收利用实例的应用研究与分析，得出了以下结论：
（1）在排烟烟道上增加与一次热网水换热的余热回收装置，将排烟温度降低到约60-70℃左右，使得锅炉效率提高约 3%左右。但为了保证锅炉安全运行，在设计时必须复核其燃烧器对尾部受热面增加的烟气阻力的适应性、考虑到低温腐蚀，排烟温度应高出烟气露点温度 5～10℃左右。
（2）采用了烟气余热深度利用技术，可将锅炉排烟温度降低至 30℃以下或者更低，则锅炉效率提高约 10%以上。
（3）采用烟气余热深度利用-脱硝一体化技术，可将锅炉排烟温度降低至 30℃以下或者更低，锅炉效率提高约 10%以上；同时可将烟气中的 NOx 浓度大幅度降低，环保效益明显。
（4）锅炉排放烟气温度降至 30℃以下或者更低，可产生大量的冷凝水，可以有效地减少冒白烟;现象，冷凝水经过处理后可作为中水使用或者系统补水之用。
（5）本课题涉及的几种技术方案，各具特点，均有一定的示范作用。改造技术方案的确定，需要根据各个供热厂及锅炉房的现状设备运行状况、场地限制、供热负荷以及投资等实际情况来确定。
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参考文献（略）