煙氣冷凝除煙囪水霧技術(shù)在燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)中的應(yīng)用

和彬彬，徐靜靜，李和平，宋洪濤

(華電分布式能源工程技術(shù)有限公司，北京 100070)

0 引言

考慮冷熱用戶的經(jīng)濟(jì)承受能力，樓宇式燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)較適合金融中心、辦公樓、商業(yè)中心等高檔建筑。由于城市用地日益緊張，作為建筑的供能中心，分布式能源站往往需要與建筑物進(jìn)行一體化建設(shè)，所以美觀成為分布式能源設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一。而影響建筑美觀的突出問(wèn)題就是能源站的煙囪。煙囪本體可用建筑加以掩飾，但由于天然氣燃燒后產(chǎn)生的煙氣含水量較大，冬季存在冒水霧問(wèn)題，水霧會(huì)暴露煙囪的存在，且會(huì)影響建筑物的美觀。本文以華電產(chǎn)業(yè)園能源站項(xiàng)目為例，研究了深度利用余熱降低排煙含水量的技術(shù)，以解決冬季煙囪冒白煙問(wèn)題。

華電產(chǎn)業(yè)園能源站項(xiàng)目燃?xì)庠O(shè)備共計(jì)4臺(tái)，其中燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組2臺(tái)(2×3.3 MW級(jí))，直燃型溴化鋰機(jī)2臺(tái)(2×3.489 MW)。共設(shè)置3座燃?xì)庠O(shè)備煙囪：其中2臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組分別設(shè)置1座煙囪，出口內(nèi)徑為900 mm；2臺(tái)直燃機(jī)共設(shè)置1座煙囪，出口內(nèi)徑為1 000 mm。3座煙囪從園區(qū)東側(cè)的C，D座樓煙道豎井爬至樓頂，該樓高50 m，煙囪高約55 m。園區(qū)整體呈合圍型布局，為南北遞進(jìn)的兩進(jìn)院落，南側(cè)的樓高達(dá)80 m。煙囪位于園區(qū)的中部東側(cè)，如果冬季冒白煙嚴(yán)重，勢(shì)必影響園區(qū)的景觀，所以除煙囪水霧成為需要考慮的重要問(wèn)題。

1 除水霧技術(shù)原理及方案

1.1 除水霧原理

該項(xiàng)目采取在煙道加煙氣冷凝換熱器的方式來(lái)解決冬季煙囪冒白煙問(wèn)題。不同壓力下煙氣水露點(diǎn)不同，將煙氣溫度降至煙氣水露點(diǎn)以下，使煙氣中的水蒸氣凝結(jié)，從而被分離出來(lái)。煙氣溫度下降越多，則煙氣中的水蒸氣分壓力越低，水蒸氣含量越少，煙氣排放到大氣后產(chǎn)生的白霧現(xiàn)象將弱化，達(dá)到減弱白煙的效果。采用該技術(shù)后，煙氣冷卻后釋放的熱量也可以同時(shí)被回收，提高能源的利用效率。

1.2 煙氣條件及煙氣冷凝計(jì)算

華電產(chǎn)業(yè)園能源站項(xiàng)目?jī)?nèi)燃機(jī)及直燃機(jī)的煙氣條件見(jiàn)表1。

表1 內(nèi)燃機(jī)及直燃機(jī)的煙氣條件

煙氣冷凝后，煙氣溫度與煙氣含水率的理論計(jì)算結(jié)果如圖1所示。內(nèi)燃機(jī)煙氣出口溫度為100 ℃，露點(diǎn)溫度為46.10 ℃，煙氣溫度降至30 ℃，除水率可達(dá)到59.39%；直燃機(jī)煙氣出口溫度為145 ℃，露點(diǎn)溫度為55.52 ℃，煙氣溫度降至40 ℃，除水率可達(dá)到54.83%。

煙氣冷凝溫度確定為：內(nèi)燃機(jī)煙氣冷卻至30 ℃，直燃機(jī)煙氣冷卻至40 ℃。理論計(jì)算結(jié)果顯示：?jiǎn)闻_(tái)內(nèi)燃機(jī)組的余熱回收量為858 kW，凝水潛熱為474 kW，其中捕獲凝水量為713 kg/h；單臺(tái)直燃機(jī)余熱回收量為320 kW，凝水潛熱為176 kW，其中捕獲凝水量為267 kg/h。

圖2 煙囪加冷凝換熱器除白煙系統(tǒng)流程

圖1 煙氣含水率與煙氣溫度的關(guān)系

1.3 煙囪除白煙系統(tǒng)流程

煙囪加冷凝器除白煙系統(tǒng)流程如圖2所示。系統(tǒng)的核心為煙氣冷凝換熱器，冷凝換熱器的冷源為冷卻水，冷卻水進(jìn)口溫度為20 ℃，出口溫度為50 ℃。冷卻煙氣后得到的熱水可作為園區(qū)部分建筑物的地暖熱源，地暖作為空調(diào)的值班負(fù)荷，基本可保證此部分熱量持續(xù)被消耗掉，同時(shí)并聯(lián)空冷散熱塔，進(jìn)一步保證冷卻水的進(jìn)口溫度。

為保證排煙順暢且不影響內(nèi)燃機(jī)與直燃機(jī)的燃燒狀態(tài)，每臺(tái)換熱器后面的煙氣管道上需設(shè)置1臺(tái)引風(fēng)機(jī)及配套風(fēng)閥。引風(fēng)機(jī)的選型主要參考冷凝后的煙氣流量及換熱器后面的管道壓力等參數(shù)。該項(xiàng)目主要是為了減少冬季白煙，故引風(fēng)機(jī)只在冬季啟用。由于在其他季節(jié)煙氣不需經(jīng)過(guò)引風(fēng)機(jī)，可采用加設(shè)旁路煙囪排煙的方式。

煙囪除白煙系統(tǒng)中，每臺(tái)換熱器水側(cè)配置2臺(tái)循環(huán)水泵，1用1備。

煙氣在換熱器內(nèi)降溫的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生酸性冷凝水(pH值為3.8～6.8)，該冷凝水應(yīng)收集至專用集水池，經(jīng)中和處理達(dá)標(biāo)(pH值為6.0～9.0)后，通過(guò)能源站的工業(yè)水排水系統(tǒng)排出，或經(jīng)回收處理后作為系統(tǒng)的補(bǔ)水水源。

冷卻煙氣后得到的熱水最好被熱用戶消耗掉，如出現(xiàn)熱量未完全消耗的情況，啟動(dòng)空冷散熱水箱散熱，散熱水箱需采取防凍措施。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

煙氣冷凝換熱器是該系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)煙氣除白煙的效果起到?jīng)Q定性的作用。其他泵、風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備均屬常規(guī)設(shè)備，本文重點(diǎn)對(duì)換熱器設(shè)備進(jìn)行比選分析。

方案中需要配置4臺(tái)換熱器，其中內(nèi)燃機(jī)組配置2臺(tái)，直燃機(jī)配置2臺(tái)。直燃機(jī)的煙氣冷凝換熱器選型特點(diǎn)與內(nèi)燃機(jī)組完全類似，這里僅以內(nèi)燃機(jī)換熱器為例，對(duì)換熱器設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)比較。

隨著節(jié)能觀念的日益深入，燃?xì)忮仩t的煙氣冷凝余熱回收技術(shù)已經(jīng)得到了推廣[1-6]，煙氣冷凝除水霧技術(shù)是對(duì)該技術(shù)的一種新應(yīng)用，提高了余熱的利用深度。從事該種換熱器生產(chǎn)的廠家很多，通過(guò)廣泛調(diào)查，篩選了3種較為適合的板式換熱器產(chǎn)品，分別稱為換熱器1，2，3。3種換熱器技術(shù)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

其中換熱器1的煙氣側(cè)阻力小，煙氣進(jìn)、出管道異側(cè)，便于管道連接，夏季運(yùn)行時(shí)，換熱器可抽出，不影響機(jī)組排煙，最適合該項(xiàng)目的需要。換熱器1的外形如圖3所示。

另外，能源站增設(shè)除白煙系統(tǒng)時(shí)，需要充分考慮系統(tǒng)設(shè)備的布置空間，例如換熱器、引風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵等的布置位置以及系統(tǒng)設(shè)備對(duì)原系統(tǒng)的影響，尤其是引風(fēng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)的聯(lián)鎖問(wèn)題。筆者以板式換熱器1為核心設(shè)備，繪制了煙氣冷凝除白煙系統(tǒng)的布置圖，如圖4所示。

表2 換熱器技術(shù)參數(shù)對(duì)比

圖3 板式換熱器1外形

圖4 煙氣冷凝換熱器布置示意

3 經(jīng)濟(jì)性分析

華電產(chǎn)業(yè)園能源站項(xiàng)目增加了煙氣冷凝除白煙系統(tǒng)，需增加設(shè)備投資209.406萬(wàn)元，設(shè)備投資見(jiàn)表3。該系統(tǒng)的土建等其他投資均較少，可暫不考慮。按照產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目的設(shè)計(jì)運(yùn)行方式，該系統(tǒng)投運(yùn)1年的總消耗為5.13萬(wàn)元，回收余熱利用率為80%，年收入為37.99萬(wàn)元， 6.37年可收回設(shè)備投資。系統(tǒng)的消耗收益明細(xì)見(jiàn)表4。

表3 系統(tǒng)設(shè)備投資

表4 系統(tǒng)收益

續(xù)表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以華電產(chǎn)業(yè)園能源站項(xiàng)目為例，對(duì)煙氣冷凝除白煙技術(shù)進(jìn)行了探討分析。結(jié)果表明，在余熱用戶能夠保證的條件下，該項(xiàng)技術(shù)較好地同時(shí)解決了煙氣余熱深度利用與煙囪視覺(jué)污染問(wèn)題。煙囪除白煙的效果還需要通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

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