冷凝模塊燃?xì)鉄崴仩t煙氣脫白的探究

張勇 盧瑞夢(mèng)

摘要：介紹采用熱泵及高效冷凝器對(duì)鍋爐煙氣進(jìn)行“脫白”，探討熱回收溫度的梯級(jí)利用，并舉例計(jì)算其節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：冷凝模塊燃?xì)鉄崴仩t，熱泵，煙氣脫白。

引言：

隨著國(guó)家對(duì)建筑節(jié)能的日益重視以及新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，冷凝模塊燃?xì)鉄崴仩t在采暖的市場(chǎng)占有率越來(lái)越高。該鍋爐具有節(jié)能環(huán)保、體積小、噪音小、排煙溫度低等優(yōu)點(diǎn)。但隨著鍋爐煙氣溫度的降低，煙氣中水蒸氣由過(guò)熱狀態(tài)越來(lái)越趨近飽和狀態(tài)，煙氣排出煙囪遇冷后立即液化成液滴，造成“白煙”現(xiàn)象，導(dǎo)致較嚴(yán)重的視覺(jué)污染和污染環(huán)境，降低居住環(huán)境并引起投訴。因此有必要對(duì)煙氣的“脫白”進(jìn)行深入研究。

一、煙氣脫白系統(tǒng)

本文采用“煙氣降溫冷凝脫水”的原理來(lái)降低水蒸氣含量。即：在鍋爐煙道設(shè)高效煙氣-水冷凝器，利用熱泵裝置生產(chǎn)冷凍水（13～18℃），將煙氣溫度由80℃降低至20℃以下。煙氣中的水蒸氣凝結(jié)為液體排掉。同時(shí)熱泵將煙氣中回收的熱量提升溫度（35～40℃）后補(bǔ)充至采暖循環(huán)水系統(tǒng)。此過(guò)程需消耗部分電能。系統(tǒng)原理見(jiàn)圖 1 。

1.1 煙道設(shè)計(jì)

當(dāng)煙氣從冷凝器出來(lái)后，需進(jìn)入一段水平煙道，煙氣流速控制在4m/s以內(nèi)，水平段長(zhǎng)度大于4m，以保證煙氣和凝結(jié)水充分分離。同時(shí)在煙道底部隔離出排水層，排水層設(shè)坡度通向凝結(jié)水水封，以防止凝結(jié)水二次蒸發(fā)。在設(shè)計(jì)中推薦采用地下混凝土煙道，排水層高度2-3cm。

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

循環(huán)泵的選型及管道管徑須與設(shè)計(jì)流量、揚(yáng)程相匹配，避免過(guò)大或過(guò)小造成的能源浪費(fèi)或系統(tǒng)無(wú)法整成運(yùn)行。

如果熱泵冷凝側(cè)系統(tǒng)阻力較大，則需設(shè)循環(huán)泵克服系統(tǒng)阻力，循環(huán)泵應(yīng)采用變頻控制，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。同時(shí)二次網(wǎng)回水主管道取水處管道需加粗2號(hào)，且應(yīng)采用斜三通，三通間距應(yīng)大于10倍管徑。

1.3 節(jié)能措施

1. 通過(guò)增加采暖換熱器面積，降低一次網(wǎng)熱媒水回溫度，鍋爐排煙溫度隨一次網(wǎng)回水溫度降低，煙氣焓值降低?？山档蜔岜眠x型及耗電量，從而達(dá)到節(jié)能目的。

2. 選用高效煙氣-水冷凝器，可提升熱泵冷凍水溫度，從而提升熱泵COP，達(dá)到節(jié)能目的。

3. 優(yōu)先選用地板輻射采暖系統(tǒng)。采用“低溫長(zhǎng)送”的供熱模式，盡量避免由于二次網(wǎng)回水溫度過(guò)高，從而提升熱泵COP，達(dá)到節(jié)能目的。

二、煙氣脫白系統(tǒng)計(jì)算

2.1. 煙氣成分分析計(jì)算

天然氣主要成分是CH4，經(jīng)燃燒后產(chǎn)生CO2和水蒸氣，燃燒反應(yīng)式見(jiàn)式（1-1）。

CH4+2O2+8N2+0.1（2O2+8N2） = CO2+2H2O+8N2+0.1（2O2+8N2） （1-1）

注：下劃線部分為N2及10%過(guò)量空氣，此部分不參與反應(yīng)。

煙氣經(jīng)過(guò)冷凝器降溫的過(guò)程中會(huì)放出熱量，這部分熱量包括氣體降溫的顯熱和水蒸氣的汽化潛熱兩部分。

根據(jù)式（1-1）可知水蒸氣約占煙氣成分的2/12（約16.7%），故水蒸氣分壓力為0.0167MPa。查飽水蒸氣性質(zhì)表，可知此時(shí)煙氣露點(diǎn)為56℃。當(dāng)煙氣經(jīng)過(guò)冷凝器，溫度降低至20℃時(shí)，此時(shí)飽和水蒸氣分壓力降至0.003MPa，即水蒸氣含量為3%。

因此計(jì)算煙氣熱回收量時(shí)，應(yīng)計(jì)算13.7%的水蒸氣的汽化潛熱，以及煙氣其余各成分由80℃降至20℃的顯熱之和。

2.2 煙氣熱量的計(jì)算

以西安市某住宅小區(qū)為例，采暖面積8×104㎡，末端為地輻射，熱指標(biāo)40W/㎡，總熱功率3200KW。天然氣熱值8500Kcal/Nm3。采用3臺(tái)1.2MW冷凝模塊燃?xì)忮仩t，排煙溫度80℃，鍋爐熱效率97%。

鍋爐耗氣量及生產(chǎn)的煙氣量計(jì)算如下：

耗氣量：3200KW×3600 / （0.97×8500Kcal/Nm3×4.2KJ/kg·℃）

=332.7Nm3/h。

煙氣量：332.7Nm3/h×12=3992.4Nm3/h。

1. 煙氣顯熱熱量的計(jì)算見(jiàn)式（1-2）。

Q——熱量kJ; c——比熱容KJ/（kg·℃）;

m——煙氣中各成分的質(zhì)量kg; 腡——溫差℃;

η——各成分占鍋爐煙氣比例; G——煙氣總體積 Nm3;

M——?dú)怏w相對(duì)分子質(zhì)量g/mol。

根據(jù)式（1-2）及（1-3），計(jì)算出各成分顯熱，如下表所示：

即煙氣顯熱熱功率為：276410.41 / 3600=76.78KW。

2. 水蒸氣汽化潛熱熱量的計(jì)算見(jiàn)式（1-3）。

（1-3）——蒸汽比焓 kJ/kg?！褥?kJ/kg。

查飽和水蒸氣性質(zhì)表可得：（80℃飽和蒸汽）=2643.8 kJ/kg。

（20℃飽和水）=83.5 kJ/kg。

故：Q=439.48kg×（2643.8-83.5 ）=1125200 KJ。

即水蒸氣汽化潛熱熱功率為：1125200 / 3600 =312.56KW。

綜上所述，該小區(qū)煙氣脫白系統(tǒng)共可回收熱功率398.34KW。

提高鍋爐熱效率：398.34/3200=12.45%。

節(jié)省燃?xì)?32.7×12.45%=41.42Nm3/h。

2.3. 耗電量計(jì)算

1. 熱泵耗電量

經(jīng)調(diào)研，熱泵在該工況下（蒸發(fā)器18/13℃，冷凝器35/40℃）。COP可達(dá)到5.5。

故熱泵耗電量：398.34KW / 4.5 =88.5KW。

熱泵制熱量：398.34+88.5=486.84KW。

1.2循環(huán)泵耗電量

蒸發(fā)器循環(huán)泵：流量80m3/h，揚(yáng)程14m。功率7.5KW。

冷凝器循環(huán)泵：流量100m3/h，揚(yáng)程11m。功率5.5.KW。

綜上所述，該小區(qū)煙氣脫白系統(tǒng)總耗電量為101.5KW。

三、經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)調(diào)研，西安市集中供熱燃?xì)鈨r(jià)格2.23元/Nm3，平均電價(jià)0.62元/KW·h。鍋爐滿負(fù)荷系數(shù)取0.75。

每小時(shí)節(jié)省燃?xì)赓M(fèi)用：41.42Nm3×2.23元/Nm3=92.37元/h。

每小時(shí)增加電費(fèi)：101.5KW×0.62元/KW·h=62.93元/h。

全年節(jié)省費(fèi)用：（92.37-62.93）×24h×120天×0.75=6.36萬(wàn)元。

經(jīng)調(diào)研，西安市集中供熱收費(fèi)為5.8元/㎡·月。供熱企業(yè)年利潤(rùn)率約10%。該套設(shè)備一次投資約8元/㎡。以此小區(qū)為例，供熱企業(yè)每年凈利潤(rùn)為：

8×104㎡×5.8元/㎡·月×4月×10%=18.56萬(wàn)元。

煙氣脫白系統(tǒng)可提升項(xiàng)目效益：6.36 / 18.56×100%=34.3%。

投資回收年限：80000㎡×8元/㎡ / 63600元=10.06年。

四、結(jié)論

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，煙氣脫白系統(tǒng)從技術(shù)方面是成熟的，也是完全可行的。同時(shí)該系統(tǒng)采用熱泵技術(shù)，消耗少部分電能，降低大量天然氣的消耗，符合國(guó)家節(jié)能減排和建筑能耗的要求。在投資方面看，該系統(tǒng)可有效降低運(yùn)行成本，增加企業(yè)效益。

煙氣脫白系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在在社會(huì)效益方面，該系統(tǒng)可有效降低煙氣中含水率，降低“白煙”視感。降低了煙氣對(duì)環(huán)境的污染，提升了生活環(huán)境的舒適度，改善生態(tài)環(huán)境，提升城市生活品味。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）[M]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] 張旭. 熱泵技術(shù)[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[3] 車得福，亢艷濱，劉衛(wèi)東，方勝. 天然氣鍋爐極限熱效率及排煙損失分析[J]. 能源研究與信息. 2001，17（4）： 217-224.

[4] 車得福，劉艷華. 煙氣熱能梯級(jí)利用[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：

[5] 姓名：張勇 （1992.06.14） 性別：男 民族：漢族 籍貫：陜西省西安市 學(xué)歷：本科 單位：陜西博天節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?職稱：無(wú) 研究方向：暖通空調(diào)動(dòng)力

[6]

[7] 姓名：盧瑞夢(mèng)，1990年5月22日

[8] 性別：女 民族：漢 籍貫：陜西省咸陽(yáng)市

[9] 學(xué)歷：本科 單位：秦華熱力集團(tuán)有限公司（陜西省西安市）

[10] 職稱：無(wú) 研究方向：暖通空調(diào)