燃氣鍋爐煙氣冷凝水回收利用分析

雷鑫　耿愛民　孔祥渠

摘要：以北京市某熱源廠實際運行情況為例，燃氣鍋爐的煙氣在經(jīng)過深度余熱利用機組后，煙氣溫度從76.5℃降至30℃時，伴隨煙氣中的水蒸氣大量冷凝析出。文章通過分析煙氣冷凝水的化學(xué)成分，對冷凝水采用加堿、除鐵等深度水處理后，作為燃氣熱水鍋爐的熱網(wǎng)補水，同時大量冷凝水回收利用可減少熱源廠的自來水耗量，節(jié)約運行成本。

關(guān)鍵詞：煙氣深度余熱利用；水質(zhì)平衡器；除鐵過濾器；節(jié)水減排；燃氣鍋爐 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK223 文章編號：1009-2374（2016）21-0087-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.042

1 概述

資源節(jié)約和環(huán)境保護是我國的基本國策，節(jié)能減排是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然選擇。近年來，隨著社會的日益發(fā)展與進步，國家對資源節(jié)約、環(huán)境保護、能源的綜合利用等方面的要求逐步提高。

在供熱行業(yè)，燃氣鍋爐相對于燃煤鍋爐具有污染更小、熱效率更高等優(yōu)勢，因此在北京，燃氣鍋爐基本已經(jīng)替代燃煤鍋爐作為供熱的主要熱源存在。天然氣在鍋爐中燃燒過程中，約92%左右能量轉(zhuǎn)化為熱量、1%左右表面散熱損失掉，其余7%左右為排煙熱損失。因此深度回收煙氣的余熱，是現(xiàn)在燃氣鍋爐清潔節(jié)能改造的重中之重。煙氣中的余熱有很大一部分存在于水蒸氣潛熱之中，在降低煙氣溫度、回收顯熱的同時，將煙氣中的水蒸氣潛熱回收才能做到真正的煙氣全熱回收。燃氣鍋爐高溫?zé)煔獾乃魵馓幱谖达柡偷臓顟B(tài)，因而必須通過降溫使水蒸氣冷凝析出。

深度余熱利用是指以天然氣作為驅(qū)動源，采用回收型熱泵機組，將鍋爐排煙從80℃降至30℃，回收煙氣中大量的水蒸氣冷凝潛熱，加熱熱網(wǎng)回水，從而節(jié)省燃氣鍋爐的燃氣耗量，達到節(jié)能減排的雙重效果，并大幅消減PM2.5霧霾形成物的排放。

天然氣主要成分為烷類、氮氣及二氧化碳，因此燃氣鍋爐在煙氣降溫過程中，煙氣冷凝水的pH為酸性。經(jīng)過幾個熱源廠的調(diào)研，大部分運行方只把冷凝水收集，簡單處理后直接排入市政污水系統(tǒng)，造成水資源的嚴重浪費。

本文以北京市某熱源廠實際運行情況為例，通過對燃氣鍋爐的煙氣進行分析，煙氣在經(jīng)過深度余熱利用機組后，溫度從76.5℃降至30℃時，伴隨煙氣中的水蒸氣大量冷凝析出。通過對煙氣冷凝水的化學(xué)分析，采用加堿、除鐵等方式深度水處理后，作為燃氣熱水鍋爐的熱網(wǎng)補水。在回收煙氣余熱的同時，回收利用大量冷凝水，不僅提高了鍋爐的供熱效率，還減少了熱源廠的自來水耗量，節(jié)約了運行成本，具有良好的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益。

2 煙氣冷凝水水質(zhì)分析

以北京某熱源廠為例，場內(nèi)安裝3臺116MW燃氣熱水鍋爐，額定設(shè)計壓力為P=2.45MPa，熱網(wǎng)運行供回水溫度為130℃/70℃。每臺鍋爐尾部設(shè)計安裝一個換熱型的煙氣冷凝器，排煙溫度約80℃。為了進一步回收煙氣廢熱，來年增設(shè)一套供熱量9MW的煙氣深度余熱回收機組。煙氣深度余熱回收機組以熱源廠上一供暖季的試運行參數(shù)為設(shè)計工況：鍋爐實際供回水溫度為95℃/55℃，鍋爐煙氣冷凝回收裝置后進入余熱回收機組的排煙溫度76.5℃。進入機組的煙氣流量按

39929Nm3/h設(shè)計，回收的鍋爐煙氣熱量約3.0MW。在實際運行工況下，煙氣降溫過程產(chǎn)生約4t/h的冷凝水。熱源廠運行方只是把冷凝水簡單加藥處理后直接排入市政，造成大量水資源的浪費。

經(jīng)對本熱源廠的煙氣冷凝水水質(zhì)報告中可以看出，水質(zhì)pH值偏低，硬度及濁度偏高，全鐵超標。其成分見表1煙氣冷凝水中化學(xué)成分含量表：

3 煙氣冷凝水處理方案及回收效果分析

3.1 煙氣冷凝水處理方案

本方案擬對冷凝水加堿、除鐵等深度處理后，作為燃氣熱水鍋爐補水進入熱網(wǎng)。處理后的水質(zhì)滿足《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》（GB/T 1576-2008）中熱水鍋爐鍋外加藥標準。見表2采用鍋外水處理的熱水鍋爐水質(zhì)。

根據(jù)進水水質(zhì)條件和出水水質(zhì)要求，并結(jié)合項目投資成本和長期運行費用的綜合平衡比較，確保設(shè)備長期運行的可靠和穩(wěn)定為前提下，確定以水質(zhì)平衡器加吸附除鐵過濾器水處理工藝為冷凝水處理方案。其主要工藝流程如下：煙氣冷凝水來水→收集→pH調(diào)節(jié)裝置→冷凝水箱+水質(zhì)平衡器→過濾增壓泵→吸附除鐵過濾器→全自動軟水器→軟化水箱→除氧水泵→除氧器→熱網(wǎng)補水泵→熱網(wǎng)。

其中軟化水箱及以后水處理設(shè)備可與原廠區(qū)水處理設(shè)備共用。

輔助工藝流程：

過濾器反洗系統(tǒng)：集水容器→反洗水泵→過濾器反洗進口。

過濾器氣洗系統(tǒng)：壓縮空氣→除鐵過濾器進氣口。

水質(zhì)平衡器溶氣系統(tǒng)：風(fēng)機→水質(zhì)平衡器溶氣進

氣口。

3.1.1 pH調(diào)節(jié)裝置。通過在產(chǎn)水中加入NaOH，調(diào)節(jié)pH值至7～11，滿足低壓熱水鍋爐進水pH要求。

pH調(diào)節(jié)裝置設(shè)置計量泵及溶液箱。配置必要的閥門及管路。

該加藥裝置與系統(tǒng)供水實現(xiàn)連鎖控制。

3.1.2 水質(zhì)平衡器。水質(zhì)平衡器及其輔助設(shè)備，包括水質(zhì)平衡器及其內(nèi)部裝置、外部裝置、就地儀表、閥門、管系等。

水質(zhì)平衡器是包含曝氣氧化和水質(zhì)分層分離的水處理工藝，主要針對水源水體中二價鐵和三價鐵，通入大量新鮮空氣，使水中的氧氣迅速氧化二價鐵轉(zhuǎn)變成不溶于水的三價鐵，然后經(jīng)后續(xù)的過沉淀方式除去，二氧化鐵轉(zhuǎn)化為三氧化鐵的轉(zhuǎn)化率大于95%。

3.1.3 除鐵過濾器。除鐵過濾器表面極易吸附冷凝水中的Fe（OH）3沉淀物，在填料表面逐漸形成一層鐵質(zhì)濾膜作為活性濾膜，對Fe2+起到氧化催化作用。活性濾膜是由R型羥氫化鐵R-FeO（OH）所構(gòu)成，它能迅速與水中Fe2+進行離子交換反應(yīng)，并置換出等當量的氫

離子。

Fe2++FeO（OH）=FeO（OFe）++2H+

結(jié)合到化合物中二價鐵，隨即迅速地進行氧化和水解反應(yīng)，又重新生成羥其氧化鐵，使填料表面的催化物質(zhì)不斷得到再生。

Fe0（OFe）++O2+H2O=2FeO（OH）+H+

新生成的羥基氧化鐵作為活性濾膜物質(zhì)又參與新催化除鐵過程中，所以活性濾膜除鐵過程也是一個自動催化過程。

除鐵過濾器下布水采用多孔板、上布水采用喇叭口形式，配套壓力儀表和必備的閥門。

3.1.4 全自動軟水器。酸性冷凝水經(jīng)加堿、除鐵后，進入軟水器軟化，再除氧加壓作為補水進入熱網(wǎng)。軟水器與廠區(qū)原有軟水器分開，是為了避免自來水與冷凝水串水問題。

3.2 煙氣冷凝水處理效果分析

水質(zhì)平衡器加吸附除鐵過濾器工藝處理后的冷凝水水質(zhì)完全滿足燃氣熱水鍋爐鍋外水處理的補水要求，減少了熱源廠的自來水消耗。由水處理工藝來看，冷凝水回收利用只有加堿、除鐵等兩項主系統(tǒng)，主要系統(tǒng)能耗只有設(shè)備的耗電量及化學(xué)藥劑的耗量。還以北京某熱源廠為例，冷凝水回收利用工藝全年的經(jīng)濟性分析如下：

按北京市全年采暖天數(shù)123來計，全年采暖平均負荷率為0.726，全年可回收冷凝水量為4×123×24×0.726=8572.6t/a，年節(jié)約水費為8572.6×5.6=48006.56元，其中自來水水費按工業(yè)自來水價格計。

經(jīng)核算此水處理工藝設(shè)備投資約10萬，冷凝水加藥處理成本為0.5元/t，冷凝水處理耗電電費為0.5元/t。全年水處理運行費用為（0.5+0.5）×8572.6=8572.6元。

在不考慮人工費用、設(shè)備折舊及排污費的情況下，鍋爐房連續(xù)運行時，冷凝水水處理項目投資回收期約10×10000÷（48006.56-8572.6）=2.6年。

4 結(jié)語

隨著2013年9月17日環(huán)保部、發(fā)展改革委等六部門聯(lián)合印發(fā)《京津冀及周邊地區(qū)落實大氣污染防治行動計劃實施細則》的頒布，鍋爐房清潔節(jié)能改造即煙氣深度余熱利用項目越來越多。項目通過進一步回收燃氣鍋爐煙氣廢熱，提高了熱源廠能源綜合利用效率。在降低能源消耗的同時，也伴隨著偏酸性的煙氣冷凝水大量產(chǎn)生，如果不加以對冷凝水的利用，直接簡單加堿之后排入市政污水管網(wǎng)，是對水資源的極大浪費。

根據(jù)北京市某熱源廠燃氣鍋爐煙氣深度余熱利用項目的實際運行情況，并分析煙氣冷凝水的化學(xué)成分，在經(jīng)過加堿、除鐵等深度水處理后，冷凝水完全滿足燃氣熱水鍋爐鍋外水處理的補水水質(zhì)要求。同時大量冷凝水回收利用可減少熱源廠的自來水耗量，節(jié)約運行成本，具有良好的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益。

參考文獻

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（責(zé)任編輯：王 波）