燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收與低氮排放協(xié)同處理技術(shù)研究

馮琳峰，秦成，符瑞斌

（海南省鍋爐壓力容器與特種設(shè)備檢驗(yàn)所，海南 ?？?570203）

燃?xì)忮仩t的工作原理并不復(fù)雜，燃燒器將燃?xì)獬浞秩紵?，通過輻射以及對流導(dǎo)熱，將熱能傳遞給水，當(dāng)水受熱后就會產(chǎn)生蒸汽，從而滿足工廠對生產(chǎn)的需求。為提升能源的綜合利用效益，減少氮氧化物的排放，需要基于燃?xì)忮仩t的運(yùn)行原理，對各個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)行科學(xué)合理的優(yōu)化，在不影響燃?xì)忮仩t正常穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，達(dá)成節(jié)能減排的目的，延長鍋爐的運(yùn)行年限。

1 燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收技術(shù)研究

1.1 換熱器式煙氣余熱回收技術(shù)

近年來，社會對節(jié)能減排的重視程度與日俱增，在這種背景下，我國對各種煙氣回收技術(shù)進(jìn)行了研究。其中對換熱器式煙氣余熱回收技術(shù)加以探析后，可得出以下結(jié)論。

（1）將壁式與廢水換熱器有機(jī)結(jié)合后，形成的非接觸式全熱交換系統(tǒng)。將該系統(tǒng)切實(shí)應(yīng)用到燃?xì)忮仩t中，相較傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t，該系統(tǒng)下的鍋爐整體運(yùn)行效率可提升12%左右。

（2）煙氣中間加濕溫差發(fā)電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)有效應(yīng)用了高溫?zé)煔?，在溫度較低的情況，熱電機(jī)組的功率可升高。

（3）預(yù)干燥系統(tǒng)，利用這種系統(tǒng)回收濕法煙氣脫硫后的余熱，相較傳統(tǒng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的煙氣凈化效率可達(dá)44%左右。

（4）深層次挖掘熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的節(jié)能效益后，采取排汽深度優(yōu)化技術(shù)。這種系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，會將廢氣利用與空氣加熱、冷凝水加熱緊密結(jié)合，在一定程度上，保障了余熱的回收效率，有利于增強(qiáng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的性能。

1.2 熱泵式煙氣余熱回收技術(shù)

為進(jìn)一步強(qiáng)化燃?xì)忮仩t的余熱回收能力，有研究提出借助熱泵回收煙氣余熱。其中包括空氣熱泵煙氣余熱制冰系統(tǒng)、開放式熱泵系統(tǒng)、吸收式熱泵系統(tǒng)以及吸收式熱泵與燃?xì)忮仩t相結(jié)合的系統(tǒng)等。此外，還有燃?xì)忮仩t煙氣冷凝余熱回收系統(tǒng)，這種系統(tǒng)將壓縮熱泵與煙氣噴淋塔結(jié)合到一起后，熱泵自身的性能，化解了低溫冷源的問題。為驗(yàn)證該系統(tǒng)的回收性能，展開了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，將58kW 的燃?xì)忮仩t作為煙氣源，當(dāng)鍋爐負(fù)荷處于90%，且過量空氣系數(shù)是1.2 時(shí)，該系統(tǒng)余熱回收率的平均值為12.5%，其不僅可以將煙氣中的水蒸氣含量減少65%以上，還能夠?qū)⑴艧煖囟瓤刂圃?0 ～35℃。

1.3 多種方式結(jié)合的煙氣余熱回收技術(shù)

多種煙氣余熱回收系統(tǒng)指的是將不同的余熱回收技術(shù)聯(lián)系到一起，如多極化氣工藝與鋼熱處理爐的集成系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以將爐膛中的煙氣加以回收，同時(shí)，還可以有效增強(qiáng)氣化爐系統(tǒng)的能效，最高可提升至13%；還有將蒸汽壓縮制冷與液體除濕結(jié)合到一起的混合熱回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將鍋爐當(dāng)量熱效率從90%升至100%以上。

2 煙氣余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)性能分析

相較原始的燃?xì)忮仩t，煙氣余熱回收與低氮排放系統(tǒng)所產(chǎn)生的環(huán)境效益要更高，將該系統(tǒng)應(yīng)用到燃?xì)忮仩t中，可大幅度減少氮氧化物的排放總量，原因在于兩方面：一方面，是當(dāng)助燃空氣含濕量增多以后，鍋爐氮氧化物排放濃度會明顯降低；另一方面，是系統(tǒng)中的節(jié)能熱網(wǎng)會加強(qiáng)對余熱的利用，當(dāng)天然氣的消耗量始終小于原始鍋爐，氮氧化物排放總量就會下降。因此，在改良和優(yōu)化原始燃?xì)忮仩t的過程中，要科學(xué)應(yīng)用燃?xì)庥酂峄厥张c低氮排放系統(tǒng)，確保其能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用和價(jià)值，為燃?xì)忮仩t的長效穩(wěn)定運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)。

2.1 氮氧化物實(shí)驗(yàn)

在氮氧化物的排放實(shí)驗(yàn)中，本實(shí)驗(yàn)采用煙氣分析儀，對原始的燃?xì)忮仩t（未加裝任何系統(tǒng)）的氮氧化物排放量以及具體的排放濃度，展開系統(tǒng)的檢測，經(jīng)過科學(xué)的檢測后，得出以下結(jié)果：在煙氣分析儀的支持下，分別檢測了45℃、50℃、55℃的熱網(wǎng)回水溫度的氮氧化物排放濃度，而氮氧化物排放濃度的平均值為129.5mg/m3。根據(jù)該結(jié)果，繼續(xù)對氮氧化物排放穩(wěn)定性以及減排效率，實(shí)行全面的分析，獲得以下結(jié)論：

（1）氮氧化物排放穩(wěn)定性。在高、中、低助燃空氣含濕量運(yùn)行條件下，助燃空氣的含濕量與氮氧化物的排放濃度呈反比例關(guān)系，即含濕量增加，氮氧化物的排放濃度會降低，當(dāng)助燃空氣的溫度為47.41℃且空氣含濕量為73.86g/kg干空氣時(shí)，燃?xì)忮仩t所排放的煙氣氮氧化物濃度為29.61mg/m3，該數(shù)據(jù)明顯低于鍋爐氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)。

（2）減排效率。如圖1 所示，各個(gè)工況下氮氧化物的排放規(guī)律。經(jīng)過對圖1 的分析可知，若助燃空氣含濕量的條件相同，即便熱網(wǎng)回水的溫度不同，鍋爐排放煙氣中的氮氧化物濃度也十分接近，由此可知，熱網(wǎng)回水溫度對氮氧化物排放效率的影響較小。

根據(jù)圖2 中的內(nèi)容可知，助燃空氣含濕量與煙氣氮氧化物的減排效率呈正比例關(guān)系，即含濕量升高，減排效率也隨之升高，但助燃空氣的含濕量由熱水網(wǎng)回水溫度決定。因此，在改良燃?xì)忮仩t的過程中，要將重點(diǎn)放在助燃空氣的含濕量以及熱水網(wǎng)回收系統(tǒng)上，采取行之有效的手段，將燃?xì)忮仩t中的熱水網(wǎng)回收溫度提高，從而強(qiáng)化氮氧化物的減排效果。

2.2 氮氧化物排放

通過該實(shí)驗(yàn)分析了燃?xì)忮仩t氮氧化物的排放濃度后，基于煙氣余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)，所產(chǎn)生的熱網(wǎng)余熱利用效果，對該系統(tǒng)中氮氧化物的減排質(zhì)量和效率，展開了全方位的研究。

（1）從能量的角度分析，熱網(wǎng)余熱回水效率與燃?xì)夤?jié)約量的變化趨勢具有一致性，若二者同處于溫度條件一致的熱網(wǎng)回水溫度下，燃?xì)夤?jié)約量與噴淋水流量呈正比例關(guān)系，即水流量增加，節(jié)約量也會隨之上升，若二者同處于相同的噴淋水流量下，則燃?xì)夤?jié)約量隨著熱網(wǎng)水溫度的變化而變化，當(dāng)溫度上升節(jié)約量會下降。根據(jù)上述分析可知，熱網(wǎng)回水溫度不同，助燃空氣含濕量也會有所不同，但高溫度的熱網(wǎng)回水，會降低熱網(wǎng)余熱的整體利用效率，但該系統(tǒng)可通過兩種方式，達(dá)成氮氧化物減排的目的，一種是熱網(wǎng)余熱回收，另一種是降低氮氧化物排放濃度。由于熱網(wǎng)余熱利用效率增加，噴淋水流量會增多，助燃空氣含濕量增加，鍋爐氮氧化物排放濃度會降低，要想促使助燃空氣含濕量更高，就要讓空氣加濕段液氣比也升高。就該燃?xì)忮仩t的整體情況而言，其需要增多噴淋水流量。以55℃熱網(wǎng)回水溫度、0.82m3/h 噴淋水流量為例，燃?xì)忮仩t在這種運(yùn)行條件下，氮氧化物的排放濃度為39.9mg/m3，而助燃空氣含濕量、鍋爐的燃?xì)庀牧恳约盁峋W(wǎng)余熱利用效率分別為：73.9g/kg干空氣、5.13m3/h、1.37kW。

（2）在計(jì)算上述燃?xì)夤?jié)約量時(shí)，是利用燃?xì)獾臀坏陌l(fā)生量以及熱網(wǎng)余熱利用量，但就實(shí)際情況而言，燃?xì)忮仩t在運(yùn)行過程中，燃?xì)庀牧繎?yīng)以相同的熱網(wǎng)供熱量為基礎(chǔ)，若將原始燃?xì)忮仩t的90%作為對比工況，則鍋爐的運(yùn)行效率以及燃?xì)庀牧糠謩e為88%、5.13Nm3/h。

（3）原始燃?xì)忮仩t的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：助燃空氣含濕量平均值與氮氧化物排放濃度分別為3.2g/kg干空氣、129.5mg/m3，其中煙氣體積是12.57Nm3，經(jīng)計(jì)算可知，燃?xì)忮仩t排放的煙氣總量：1.86×105Nm3、氮氧化物排放總量有23.1kg。由此可知。在工況條件為55℃的熱網(wǎng)回水、0.82m3/h 的噴淋水流量時(shí)，鍋爐所排氮氧化物總量為7.65kg，減排效率高達(dá)64.7%?；诖耍?xì)忮仩t利用熱網(wǎng)余熱以及控制氮氧化物排放量以及濃度這兩種方式。可強(qiáng)化減排效果，產(chǎn)生巨大的環(huán)境效益和社會效益。

2.3 系統(tǒng)協(xié)同效益

協(xié)同處理系統(tǒng)在燃?xì)忮仩t的煙氣余熱回收以及低氮排放方面，發(fā)揮出了顯著的作用和價(jià)值，為使該系統(tǒng)的節(jié)能減排效益最大化，本研究對該系統(tǒng)的協(xié)同效益實(shí)行了精準(zhǔn)的評估。如圖3 所示。

圖3 煙氣余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)效益評估圖

結(jié)合圖3 可知，燃?xì)忮仩t的加濕段單元液氣比的變化與噴淋水流量有關(guān)，當(dāng)水量增多時(shí)，液氣比也會隨之增加，同時(shí)助燃空氣含濕量也會逐步升高。從節(jié)能減排的角度出發(fā)，該協(xié)同處理系統(tǒng)在節(jié)能方面的效益顯著，在助燃空氣含濕量上升的情況下，煙氣露點(diǎn)溫度也會變高，進(jìn)而提升了煙氣余熱回收效率，并且助燃空氣含濕量的增加，也是氮氧化物濃度降低的重要原因之一。由此，煙氣余熱回收與低氮排放處理技術(shù)，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益以及節(jié)能環(huán)保效益，適用于燃?xì)忮仩t中。本文所研究的煙氣余熱回收以及低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)，在燃?xì)忮仩t的節(jié)能和低氮排放方面，產(chǎn)生了顯著的協(xié)同增強(qiáng)功能。

3 煙氣余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 系統(tǒng)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性分析

在實(shí)驗(yàn)初期，主要目的是驗(yàn)證協(xié)同處理系統(tǒng)的性能，因此未能對管件與水泵實(shí)行優(yōu)化配置。結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該協(xié)同處理系統(tǒng)的噴淋水流量在0.23 ～0.83m3/h，為增強(qiáng)燃?xì)忮仩t的經(jīng)濟(jì)效益，還需要優(yōu)化改良水泵以及噴嘴等管件，本研究使用的水泵為370W，其可用揚(yáng)程以及最大流量分別為22m、3.4m3/h，噴嘴的型號為SMP-218，在揚(yáng)程為7m 的情況下，該噴嘴的噴淋流量可達(dá)1.0m3/h，能滿足任何實(shí)驗(yàn)條件。為減少沿程損失，選擇的水管為PPR-DN40,通過對各個(gè)管件的優(yōu)化配置后，該協(xié)同處理系統(tǒng)的總功率可達(dá)740W,最大的運(yùn)行功率可達(dá)2×370W。

在多功率的燃?xì)忮仩t下，該系統(tǒng)所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為：當(dāng)燃?xì)忮仩t的運(yùn)行條件為45℃熱網(wǎng)回水、0.83m3/h噴淋水流量時(shí)，余熱回收與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)在不同功率的燃?xì)忮仩t下的燃?xì)夤?jié)約量，當(dāng)鍋爐的運(yùn)行功率上升時(shí)，燃?xì)夤?jié)約量以及燃?xì)夤?jié)約費(fèi)用也會隨之升高。

3.2 系統(tǒng)余熱利用優(yōu)化方案

煙氣余熱回收與低氮排放協(xié)同處理技術(shù)的節(jié)能環(huán)保效益較強(qiáng)，但在該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，排煙損失未能得到有效降低，因此要采取相應(yīng)的優(yōu)化手段，對協(xié)同處理系統(tǒng)展開優(yōu)化設(shè)計(jì)。

針對熱網(wǎng)余熱利用率低的問題，要將優(yōu)化重點(diǎn)放在系統(tǒng)的運(yùn)行流程上，在熱交換過程中，噴淋水會與煙氣交換，完成交換后，溫度較高的噴淋水會流進(jìn)水熱交換器，與熱網(wǎng)換熱完畢后，一部分噴淋水會流進(jìn)空氣加濕段，噴淋加濕助燃空氣后再次進(jìn)入煙氣換熱段，展開二次循環(huán)，剩余的噴淋水會直接返回?zé)煔鈸Q熱段進(jìn)行二次循環(huán)。通過這種方式，將加濕空氣段中的余熱降低，熱網(wǎng)余熱效率會自動(dòng)升高。

4 結(jié)語

綜上所述，本文對燃?xì)忮仩t煙氣余熱與低氮排放協(xié)同處理系統(tǒng)科學(xué)分析后，可證明該協(xié)同處理技術(shù)在經(jīng)濟(jì)效益、能源效益以及環(huán)保效益方面，均體現(xiàn)了一定的優(yōu)勢，并且適用于各種功率的鍋爐，加之其投資回報(bào)期較短，因此使用價(jià)值較高，應(yīng)加大對該系統(tǒng)的升級和推廣力度，為工廠燃?xì)忮仩t的節(jié)能穩(wěn)定運(yùn)行夯實(shí)基礎(chǔ)。