暖通空调HV&AC 2020年第50卷第12期
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北京建筑大学穆连波&
王随林A
朱峰孙海静田昌荣
北京市热力集团有限责任公司张立申
摘要为了实现燃气锅炉节能增效与友好排放的目标，针对燃气锅炉排烟温度偏高、能耗 大、雾气排放量大等问题，以北京某供热厂燃气锅炉房为例，提出了不同的燃气锅炉烟气冷凝
余热深度回收节能改造实施方案，并对2017—2018年供暖季的节能效果进行了检测。结果表 明：排烟温度可降至30 •(：以下，系统综合节能率达10%以上；单套系统每天可产生烟气冷凝水 55〜78 t /d ，有效地减少了烟气中N C X 和S 02等有害气体的排放，烟气除雾率达78%，实现了 高效能和友好排放，降低了用能成本。
关键词燃气锅炉余热深度回收供热节能
Application and energy saving analysis of flue gas
condensation waste heat deep recovery systems for
gas-fired boilers
By Mu Lionbo^
,
Wong Suit i n
,
Zhu Feng，Sun Hcnj mg，Tion Chongrong and Zhong Llshen
Abstract In order to achieve the goal of energy saving, high efficiency and friendly emission of gas- fired boilers» aiming at the problems of high exhaust gas temperature, high energy consumption and large mist emission of gas-fired boilers, taking a gas-fired boiler rcx)m of a heating plant in Beijing as
an example, proposes different energy saving reconstruction schemes for deep recovery of flue gas condensation waste heat of gas-fired boilers, and tests the energy saving effect during the heating season in 2017-2018. The results show that the flue gas temperature can be reduced to below 30 °C , and the comprehensive energy saving rate of the system can be over 10%. A single system can produce 55 to 78 tons of flue gas condensate every day, effectively reducing the emission of NOx and S 〇2 and other harmful gases，and the mist removal rate of flue gas reaches 78%, which realizes high efficiency and friendly emission and reduces energy cost.
Keywords gas-fired boiler, waste heat, deep recovery, heat supply, energy saving ★ Beijing University of C ivil Engineering and Architecture, Beijing, China
〇引言
近年来，随着城市建筑面积的增加，用热需求逐 年增加。2017年北方城镇供暖能耗折合标准煤为 2. 01亿t ，占建筑能耗的21%[1]。北京市供热与城 市建设同步，呈现出快速发展的局面。截至2018年 底，北京市总供热面积达8. 7亿m 2，比2017年增加 3 000万m 2，需要更多的热源为建筑物供暖。然而 一方面由于锅炉扩容需要有足够的场地，会受到现 *
*北京学者计划资助项目（编号:2015NO. 022)，宁夏回族自治
区重点研发计划项目（编号:2019BFG02016)实条件的限制；另一方面排放标准日益严苛，一定程 度上也限制了热源的新建和扩建[M]。异形
随着首都能源结构调整的推进，清洁能源供热
比例升高,2017年天然气供热占比超过97%，大大 改善了首都大气环境的质量。但现有燃气锅炉排
☆穆连波，男，1984年12月生，硕士研究生，高级工程师 △
王随林(通信作者）
100044北京市西城区展览路1号北京建筑大学环境与能源
工程学院
E -m ail ：suilinw ang @bucea . edu . cn
油底壳垫收稿日期:2019-12 - 18
修回日期：2020- 01 — 05
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烟温度相对偏高，造成能源浪费和环境污染。目前 市场上应用最多的燃气锅炉能量回收方法是在锅 炉尾部加装烟气余热回收装置，受被加热介质温度 和设备防腐能力的限制，经烟气余热回收装置后排 烟温度仍高达60〜80°C，甚至更高，烟气中还有近 一半的余热未被回收利用。
自2011年以来，北京市和全国大部分地区雾 霾多发，节能环保与大气污染治理迫在眉睫，迫切 需要提高能耗大户和污染源的能源利用与环境保 护水平，节能降耗减排。目前国内外很多专家和学 者对燃气锅炉烟气余热回收理论和应用技术做了 大量的研究[4—8]，其中包括将吸收式热泵技术推广 应用到燃气锅炉烟气余热回收领域，取得了显著的 节能效果。 目前烟气冷凝热能回收装置换热器主体包括 间壁式烟气冷凝换热器和直接接触式换热器2类。考虑到烟气冷凝热能回收装置可利用外部冷源切 换运行，本文采用笔者所在团队自主研发的间壁式 防腐高效烟气冷凝热能回收装置与吸收式热杲联 合运行回收某工程的燃气锅炉烟气余热，以充分挖 掘热能动力设备的节能潜力，提高燃气锅炉燃气利 用效率和能源利用水平，并对燃气锅炉烟气冷凝余 热深度回收系统的运行效果进行节能检测，为防腐 高效烟气冷凝热能回收装置与吸收式热泵联合运 行系统的推广应用提供技术支持和实践参考。
1工程概况
北京某供热厂2座供热锅炉房内共有10台容 量为29 MW/台的燃气锅炉，分东、西两侧布置，东 侧锅
炉房6台，西侧锅炉房4台，通过供热管网为 40座热力站供热（首站设在东侧锅炉房内），最终 由热力站向建筑供热。该供热厂总供热面积357万m2，其中住宅面积274万m2。节能改造前燃气 锅炉排烟温度虽已降到7(TC左右，但排烟热损失 仍较大，排烟中水蒸气含量高，排烟潜热未被回收 利用，且排烟雾气大，对周围居民室外空气环境造 成不良影响。
2016年该供热厂完成烟气冷凝深度余热回收 利用技术改造，10台燃气锅炉尾部设置了节能器，但排烟温度仍高达60〜80X：，大量潜热未被利用。
一次网回水平均温度约47 C，换热首站二次网回 水平均温度约4K C。在前期调研燃气锅炉房现状 和供热运营特点的基础上，对1#、2 #、3 #燃气锅
炉加装防腐高效烟气冷凝热能回收装置与吸收式 热泵相结合的烟气深度回收利用系统，将排烟温度 由70°C降至30°C以下，6#燃气锅炉仅加装防腐 高效烟气冷凝热能回收装置用以预热换热首站二 次网回水。该项目通过采用烟气冷凝余热深度回 收利用技术，提升了燃气锅炉能源效率，将烟气热 量“吃干榨净”，实现了高效能与友好排放，具有非 常显著的节能减排意义。
2烟气冷凝余热深度回收利用系统技术方案与节 能潜力分析
本文结合项目供热现状和锅炉运行特点，对 1井、2#、3#和6#燃气锅炉烟气余热回收系统进 行节能潜力分析，并提供适合的技术改造方案。2. 1技术方案
该供热厂共10台燃气锅炉，严寒期一般运行 5〜6台，初末寒期一般运行2〜3台。2016年对东 侧锅炉房内的1并、2#、3林和6#燃气锅炉进行了 烟气冷凝余热深度回收技术改造，以最大限度地挖 掘节能潜力，提高整个锅炉房的燃气利用水平，其 主要改造技术方案见表1。
______________________________________表1燃气锅炉节能改造技术方案_____________________________________ 1#燃气锅炉在现有基础！：. l i t燃气锅炉单独加装1套烟气冷凝热能回收装置和吸收式热泵联合运行系统.热泵冷凝器侧加热一次网回水
2杯、3#燃气锅炉在现有基础上，2#和3#燃气锅炉分别加装烟气冷凝热能回收装置，但共用1台吸收式热泵机组，以提高热泵机组使 用效率，热泵冷凝器侧加热一次网回水
6并燃气锅炉在现有基础上，6#燃气锅炉尾部仅加装1套烟气冷凝热能回收装置，用以预热首站二次网回水___________
1#、2#、3#和6#燃气锅炉烟气冷凝余热深 度回收系统布置原理如图1所示。
从图1可以看出：1#、2#、3#燃气锅炉采用烟气冷凝热能回收装置与吸收式热泵联合运行的 方式，其中烟气冷凝热能回收装置与吸收式热泵机 组蒸发端形成闭路水循环，吸收式热泵冷凝端用于 加热一次网回水，实现热量品位的提升;6#燃气锅炉仅加装烟气冷凝热能回收装置，利用换热首站二 次网回
水温度低的特点，可对全部二次网回水进行 预热，以减少一次网用热能耗，进而降低燃气锅炉 房的气耗。
2.2节能潜力分析
根据燃气锅炉实际运行现状，燃气锅炉平均运 行负荷为70%。考虑节能设备选型的性价比，以锅
2020(12)掙连波，等：燃气锅炉烟气冷凝余热深度回收系统应用与节能分析67
接锅炉进.水
炉实际运行平均负荷为70%作为设备(烟气冷凝热 能回收装置和吸收式热杲机组)选型依据。锅炉燃 气量取2 176 m3/h，吸收式热泵燃气耗量约462 mV h，过量空气系数约1. 15，排烟温度为70〜80°C。经 节能潜力计算分析，1#、2 #和3 #燃气锅炉排烟温 度可由80°C降至30 •(：，回收烟气余热2 955 kW，综 合节能率为11.6%，且单台吸收式热泵机组供热量 达到7.0 MW，相当于1台10 t锅炉，同时每天可产 生冷凝水79 t/d，除雾率达到78%，达到“消白”效 果;6#燃气锅炉排烟温度可由80 ‘C降至46 °C左 右，可回收烟气余热1 296 kW，提高锅炉热效率6.2%，每天可产生冷凝水33 t/d，除雾率达到43%以上。节能改造后，燃气锅炉70%负荷运行，2套燃 气锅炉(1 #、2 #或3 #)吸收式热泵联合运行系统和 6#燃气锅炉排烟合计可回收烟气余热7 206 kW，即节省燃气747 m Vh，每个供暖季(121 d)共节省燃 气216. 9万m3，节能潜力巨大。
通过对1#、2 #、3 #和6 #燃气锅炉实施烟气 冷凝余热深度回收利用节能改造后，回收烟气余热 约7 206 kW，若供暖热负荷按35 W/m2计，则可 增加供热面积20. 6万m2，基本可满足换热首站的 用热需求(换热首站实际供热面积为22. 8万m2)。另外，增加的2台吸收式热泵机组使锅炉房供热能 力提高15. 3 MW，可为近44万m2的建筑供热。
2.3数据分析依据
1)燃料输入热量a。
式中B为燃气耗量，m V h；汁为燃气低热值，M J/m3。
2)实际回收烟气余热量Q h。
采用反平衡算法，以锅炉排烟经烟气冷凝热能 回收装置放出的热量计算：
Qh =(hi—/i〇)Ma—hy,mv(2)式中心人分别为进、出口烟气比焓，kJ/kg;Ma 为干烟气质量流量，kg/w k为冷凝水比焓，k j/ kg;w…为冷凝水量，kg/s。
采用正平衡算法，以循环水经烟气冷凝热能回 收装置吸收的热量计算：
Qh =Qs=d — "»i)wx(3)
式中Qs为水被加热吸收的热量，
别为烟气冷凝热能回收装置进、出口循环水比焓，k j/kg;w z x为循环水量，kg/s。
3) 锅炉本体热效率制。
伽=S i⑷
式中Qgl为锅炉输出热量，kW;Qp为锅炉燃气输 人热量，kW。
4)烟气冷凝热能回收装置的节能率7。
电压互感器柜
5) 综合节能率％。
式中a i，为燃气锅炉和吸收式热泵机组的排烟全 部经烟气冷凝热能回收装置后实际回收烟气余热 量，kW;Qw为吸收式热泵的燃气输人热量，kW。
6) 吸收式热泵机组供热量Q*。
Q rt, =(/ib〇—hbi)mb,(7)式中L、/<b〇分别为吸收式热泵机组制热水侧进、出口循环水比焓，kJ/kg；为热泵制热水侧循环水量，kg/s。
7)吸收式热泵性能系数COP。
COP =爭(8)
3烟气冷凝余热深度回收系统节能实测分析本章重点介绍2017—2018年供暖季1#燃气 锅炉节能改造后的防腐高效烟气冷凝热能回收装 置与吸收式热泵联合运行系统的节能检测，并对检 测数据进行分析。
3.1检测原理与方法
燃气锅炉烟气冷凝余热深度回收系统检测过 程参照GB/T 10180—2017《工业锅炉热工性能试 验规程》和GB/T 13234—2009《企业节能量计算 方法》。燃气锅炉烟气冷凝余热深度回收系统原理 和测点布置如图2
所示。
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1.燃气表;
2.超声波流量计/热表>
3.循环水泵;
4.冷凝水箱;
5.烟气冷凝热 能回收装置;
6.压力表/计;
7.烟气分析仪数据采集仪;9.计算机;10.铂 电阻。
图2烟气冷凝余热深度回收系统原理和测点布置
从图2可以看出，烟气冷凝余热深度回收系统 主要由燃气锅炉、直燃型吸收式热栗和防腐高效烟 气冷凝热能回收装置三部分组成。其中，烟气冷凝 热能回收装置与吸收式热泵联合运行，吸收式热泵 为烟气冷凝热能回收装置提供低温冷水，用于吸收 燃气锅炉和吸收式热泵的全部排烟余热，同时将吸 收的烟气余热通过热泵提高一次网回水温度(或锅 炉进水温度），以达到锅炉节能运行之目的。
3.2吸收式热泵和烟气冷凝热能回收装置进、出口温度变化
2017—2018年供暖季，笔者对1#燃气锅炉烟 气冷凝余热深度回收系统进行了 6次测试，每次测 试时间为2 h，测试期间锅炉负荷相对平稳，锅炉 运行负荷为46%〜76%，平均负荷为62%。吸收气冷凝热能回收装置，烟气余热将冷水平均温度由 21.76 °C升至25. 83 'C，并将最终排烟温度降至 23. 8〜34. CTC(平均温度为27. 9 ‘C)，同时吸收式 热泵机组通过燃气驱动，吸收被加热后的冷水带来 的烟气余热，进而将一次网平均水温由48. 5 ’C升 至62. 7 X：，提升锅炉进水温度约14. 2 °C，大大降 低了锅炉房的燃气耗量。
通过检测发现，烟气冷凝热能回收装置的最终 排烟温度主要取决于冷水温度，进水温度越低，最 终排烟温度也越低，两者的端差（即最终排烟温度 与进水温度之差)一般保持在4.7〜7.2 X：之间。
3.3节能率和锅炉系统总效率
在不同运行工况下，燃气锅炉本体热效率、锅 炉节能率及综合节能率见图4。
锡渣分离机图4锅炉本体热效率、锅炉节能率及综合节能率
由图4可看出：锅炉本体热效率为87. 0%〜95. 7%；烟气冷凝热能回收装置节能率为12. 1%〜16. 5%；锅炉系统总效率为101%〜109%；烟气余
式热泵和烟气冷凝热能回收装置的进、出口水温及 烟气温度的检测结果见图3。
热泵热水侧进水温度
-热回收装置进水温度
-热回收装置出口烟温
I蜃董《菜I廢：續纆產口烟温图3烟气冷凝余热深度回收系统各测点温度变化曲线
从图3可知，直燃型吸收式热泵排烟温度约为 140〜155 ’C(平均温度为148 'C)，与燃气锅炉排 烟混合至60〜70°C(平均温度为65。0后进人烟热回收系统综合节能率为10. 2%〜12. 9%；平均 综合节能率达到11.42%。
2018年1月，国家检测机构对1#燃气锅炉烟 气冷凝余热深度回收系统进行了节能检测，检测结 果显示，燃气锅炉运行在70%负荷时，过量空气系 数为1. 16，烟气冷凝热能回收装置将排烟温度由 69. 1 •(：降至30. 0 •(：，回收烟气余热2 914. 5 kW，系统综合节能率为11.01%。
3.4直燃型吸收式热泵的性能系数
直燃型吸收式热泵机组的性能可采用热泵循 环的性能系数C O P来衡量。吸收式热泵机组性能 系数及水温变化见图5。
从图5可看出，吸收式热泵性能系数C O P为 1.43〜1.71，平均值为1.54。在吸收式热栗冷凝 器的进水温度基本稳定条件下，随蒸发器侧冷水进 水温度的升高，吸收式热泵性能系数C O P
也会提
穆连波，等：燃气锅炉烟气冷凝余热深度回收系统应用与节能分析
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624万元，节能、经济效益显著。
从节能减排的角度看，该工程每个供暖季以节 省燃气量229. 4万m 3计，可节省标准煤2 785. 6 t ，降低C 02排放量4 722. 5 t 、S 02排放量191. 5 kg 和N C I 排放量2 332 kg ，同时减少水蒸气排放 3 761 t 。考虑烟气中析出的冷凝水和节能减少的
水蒸气排放，合计可减少24 452 t 水蒸气向大气排 放，有效降低了空气湿度，减少了 PM 2. 5的形成媒 介，降低了雾霾发生概率，改善了大气环境。5amadori>自制室内单杠
结论
1) 对烟气冷凝余热深度回收系统跟踪检测结 果表明，烟气温度可由60.0〜70.0 X ：降至23. 8〜 34. 0’C (平均为27.9 ’C )，烟气冷凝余热深度回收 系统综合节能率为10. 2%〜12. 9%。
2)
吸收式热泵可提升锅炉进水温度14. 2 °C ，
其性能系数C O P 为1. 43〜1. 71 (平均为1. 54)，且 在其他条件基本稳定时，吸收式热泵性能系数随蒸 发器侧冷水进水温度升高而升高。
3)
烟气冷凝水对烟气具有净化作用，冷凝水
显酸性，单套系统烟气中每天可产生冷凝水55〜 78 t /d ，宜进行资源化再利用，经处理后可达到锅 炉给水标准。
4)
项目实施后，每个供暖季可节省燃气229. 4
万m 3，节省标准煤2 785. 6 t ，节省燃气费624万 元，减少排放 C 024 722. 5 t 、S 02191. 5 kg 和 N (\ 2 332 kg ，社会经济和环境效益巨大。参考文献：
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研究报告2019[M ].北京：中国建筑工业出版社， 2019:12-14
[2] 王汝武.热电联产在低碳经济背景下的发展趋势[J ].
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测点编号
热泵 —蒸发器出水温度+蒸发器进水温度
+
冷凝器进水温度一冷凝器出水温度—最终排烟温度
图5吸收式热泵机组性能系数及水温变化
高，但最终排烟温度也相应升高。
3.5烟气冷凝水
烟气在降温冷凝过程中会析出大量冷凝水，仅 1弁燃气锅炉每天可产生冷凝水55〜78 t /d ，该烟气 冷凝水pH 值和部分离子浓度的检测结果见表2。
表2烟气冷凝水检测结果
pH 值铁浓度/氯浓度/(/ig /L ) (mg /L )硫酸盐 浓度/(mg /L )氯离子 浓度/ (mg /L )硝酸根 浓度/(mg /L )亚硝酸盐
氮浓度/
(mg /L )
3.80 97.50. 0963.20. 731
4.20. 92
根据G B/T 1576—2018《工业锅炉水质》中锅 炉给水指标，烟气冷凝水除显酸性外，其他指标均 满足锅炉给水要求。因此，烟气冷凝水经酸碱中和 等简单工艺处理后可直接回收利用，可用作锅炉系 统或二次网的补水。
值得一提的是，烟气冷凝水之所以显酸性，主要 是由于烟气冷凝水在析出过程中，不仅会放出汽化潜 热，同时还吸收了烟气中的N c i 和s a 等有害气体， 起到了净化烟气的作用。可见，回收烟气冷凝热在实 现节能的同时，还具有显著的节水和环保效益。
需要注意的是，烟气冷凝水具有一定的腐蚀 性，必须要对烟气冷凝热能回收装置进行防腐处 理，以延长设备的使用寿命，并做好设备的后续维 护和保养。4
烟气冷凝余热深度回收系统效益分析
依据上述1#燃气锅炉的实测数据，从节能收 益来看，当燃气锅炉运行在70%负荷时，1套烟气 冷凝余热深度回收系统回收烟气余热2 914. 5 kW 。系统综合节能率按11%计，节省燃气量304 m 3/h 。若每个供暖季按121 d 、燃气单价按2. 72 元/m 3计，则单套系统每个供暖季可节省燃气 882 816 m 3，节省燃气费240万元，初投资回收期 仅1〜2个供暖季。经过测算，该示范项目每个供 暖季合计可节省燃气229. 4万m 3，节省燃气费
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