螺杆式水源燃气机热泵在燃气锅炉烟气冷凝余热深度回收中的应用

      尤其是天然气、焦炉煤气中CH4、H2含量较高，烟气中含有大量水分，如果不经回收利用，会损失大量的冷凝余热及水资源。

       常见燃气锅炉燃料包括：天然气、焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气、发生炉煤气、沼气等，其主要成分见下表：

天然气及焦炉煤气燃烧后烟气成分及含湿量见下表：

下面以某天然气锅炉为例，介绍烟气冷凝余热深度回收技术：

下：

    目前锅炉排烟温度265℃，烟气经节能器降温至87℃，锅炉主给水经节能器由50℃升温至107℃；烟气通过节能器后进入冷凝器，冷凝器主要用于除盐水预热，同时将排烟温度降至55℃（此时烟气尚未达到露点，烟气中水分未冷凝）。

燃气锅炉烟气参数如下：

低温烟气余热回收的特点：

  天然气锅炉燃气理论含湿量为15.84%，烟气露点温度为55.5℃，随着烟气温度升高，冷凝水质量和水蒸气冷凝速率逐渐减小。烟气温度为0℃时，冷凝质量为1.628g/m³。水蒸气冷凝率达到96.9%。当烟气温度为60℃时，烟气中的水蒸气不冷凝。

工艺路线选择：

 针对本项目烟气特点与工艺流程，可以选择采用螺杆式水源燃气机热泵技术、低温型溴化锂吸收式热泵技术。

（1）溴化锂吸收式热泵技术

该技术工艺原理见下图：

   该技术利用冷凝器出口热水（35℃）作为余热源，以锅炉抽汽作为驱动蒸汽，经溴化锂热泵机组后，除盐水降温至25℃，然后返回冷凝器给锅炉排烟降温，热泵机组可产生65-70℃的热水，可以用于冬季供暖和非采暖季除盐水预热。

  该技术优点是运行成本低，机组本身耗电量仅为制热量的0.6%,但是该技术冷凝器入口温度为25℃，此时排烟温度最低30℃，烟气中水分的冷凝率低，余热回收量少。

（2）螺杆式水源燃气机热泵技术

   螺杆式水源燃气机热泵采用燃气发动机代替电机驱动压缩机，直接以一次能源天然气作为驱动能源，消除了能源在转化与传输过程中的损失。

   螺杆式水源燃气机热泵系统主要包括燃气发动机、螺杆式压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、油分离器、干燥过滤器、气液分离器和发动机余热回收换热器。制冷循环蒸发温度为4-7℃，蒸发器冷冻水出水温度在7-10℃。

    低温冷冻水从蒸发器进入锅炉烟气余热回收换热器，回收烟气余热，将这部分余热提升为更高品位的热能，通过冷凝器制取热水。此外，发动机余热回收系统可将燃气发动机大部分废热进行回收，用于制取热水。

   该技术需要消耗一定量的天然气，但是可以将锅炉排烟温度降至15℃，此时烟气中水分冷凝率可达90%以上，可以回收烟气中绝大部分的汽化潜热，同时消除烟囱白烟。

   综合考虑以上2种技术的特点，本项目选用螺杆式水源燃气机热泵技术。

工艺流程：

   本项目共计3台燃气锅炉，每台燃气锅炉配套若干套螺杆式水源燃气机热泵机组，该机组蒸发器产生5℃的低温冷冻水用于锅炉烟气冷凝器降温，可将烟气降温至15℃，此时烟气中水分的冷凝率可达90%以上。回收的这部分锅炉烟气余热通过热泵机组转化为高品质热能，在冷凝器侧产出60℃以上热水。同时，这部分热水经发动机余热回收系统后，升温至70℃以上，再经锅炉蒸汽加热至合适温度，送至供暖给水主管网。非采暖季，这部分热水则可用于除盐水给水余热。

螺杆式水源燃气机热泵工艺原理：

   螺杆式水源燃气机热泵采用燃气发动机代替电机驱动压缩机，直接以一次能源天然气作为驱动能源，消除了能源在转化与传输过程中的损失。

   螺杆式水源燃气机热泵系统主要包括燃气发动机、螺杆式压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、油分离器、干燥过滤器、气液分离器和发动机余热回收换热器。制冷循环蒸发温度为4-7℃，蒸发器冷冻水出水温度在7-10℃。

   低温冷冻水从蒸发器进入锅炉烟气余热回收换热器，回收烟气余热，将这部分余热提升为更高品位的热能，通过冷凝器制取热水。此外，发动机余热回收系统可将燃气发动机大部分废热进行回收，用于制取热水。

铸硅铝冷凝式换热器技术特点：

    锅炉余热回收换热器采用铸硅铝冷凝式换热器，根据循环介质不同，铸硅铝冷凝式换热器可分为烟气区和水流区。烟气区设置扰流区域，增加了烟气与换热器壁面之间的换热面积，促进了烟气的湍流流动，从而提高了烟气余热回收换热器的换热性能。此外，铸硅铝材质具有良好的导热性能和耐腐蚀性能，大大延长了烟气换热使用寿命。

不同材质换热器的导热系数见下图：

设备计算选型过程见下表：

  

运行成本与经济指标：

    通过下表可以看出，按照业主提供的运行均值来计算，该机组每年运行费用736万元，通过增加采暖和预热除盐水节省天然气消耗每年节省的费用为1248万元，每年净收益511万元。

 

 

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