实现天然气的热能全部利用
实现天然气的热能全部利用
---烟气源热泵供热节能技术简介
浩特沃特节能科技公司教授级高工崇兴
“十三五”时期，我国能源发展面临前所未有的机遇和挑战，天然气在能源革命中占据重要地位。随着国民经济快速发展、人民生活水平的提高和环保要求的不断提升，到2020年，城市燃气和工业燃料应用将占到用气总量的60%以上。特别是在发电的燃料结构中，天然气的比重将进一步提升。京津冀鲁、长三角、珠三角等大气污染重点防控区，将有序发展天然气电站和天然气分布式能源。根据国家发改委规划，2020年我国天然气供应能力将比目前翻一番达到或超过4000亿立方米。
为了改善大气质量，市大力推进煤改气工程，目前，天然气已全部覆盖六环以的区域，市每年消耗的天然气从2004年的25亿立方米到2016年已达到168亿立方米，天然气需求量以超过8%每年的速率增长，预计在2020年前将达到200亿立方米。其中冬季采暖消耗的天然气已占到全年消耗量的60%以上，2016年采暖期间的用气量将达到118亿立米。
天然气是清洁能源，理应将其热能全部转化利用，但是，天然气热能利用率的现状并不尽人意，采暖锅炉的热能利用率普遍低于80%（以高热值计）。大型燃气轮机一次发电效率不超过40%，燃气-蒸汽联合循环发电效率不超过60%，热电联供技术也仅达到80%，有超过20%的热能通过烟筒排放到空中，不但浪费了宝贵的能源，而且还对大气环境造成了影响。因此，提高
天然气的热能利用率是改善环境，消除雾霾，减排二氧化碳的有效措施，是实现我国未来能源可持续发展的重要途径。研发和推广天然气热能全部回收利用的技术是当务之急，刻不容缓。
近年来，随着节能技术的发展和专家学者对烟气中潜热回收的深入研究，出现了许多“天然气烟气全热回收”的方法和技术装备，排烟温度也呈下降的趋势，从普遍采用一级换热回收的60-70℃排烟温度到冷凝锅炉的40℃，从吸收式热泵的30℃排烟到烟气源热泵的15℃甚至更低。这些技术的研发者都声称实现了烟气余热的“全热回收”。甚至有的锅炉安装了一级余热回收装置（排烟温度70℃）就在铭牌上标注“锅炉热效率98%”。因此，对燃气设备的烟气余热利用应当有一个统一的规和标准，才能更好的促进烟气余热回收的节能技术的研究和发展。
一、当前天然气热能利用的现状
由于天然气的成分主要是甲烷（CH4）,燃烧后生成水，在锅炉气化为过热水蒸气随烟气排出。1立方米的天然气燃烧后生成1.55公斤的水，所携带的气化潜热约占天燃气低热值的10%以上。如果能将烟气温度从180℃降到20℃，其可回收的热能（显热和潜热）可占到天然气总热值的20%左右。以为例，2016年冬季供暖消耗的天然气118亿立米，如果通过烟气余热回收技术将排烟降到20℃，回收的热能至少节约15亿立米的燃气。
目前，燃气锅炉的烟气余热回收较普遍的做法是在锅炉烟筒上安装一级汽水换热器余热回收装置，仅收回燃气热值的3-5%的热能，烟气温度仅能降到60-80℃，还有部分显热和大量的潜热未被回收利用。由于烟气的冷凝
温度为59℃左右，只有将烟气温度降到冷凝温度以下，才能回收烟气中的潜热，实现大幅度的提高天气的热能利用率的目标。为此，研究者选择了热泵循环制冷的方法将烟气潜热回收并用热泵提高至供热温度。目前，采用热泵回收烟气余热有两条技术路线：一是采用吸收式热泵（溴化锂直燃机），利用高温蒸气或燃气补燃作为热泵的驱动源，排烟温度一般为30℃左右；二是采用电动热泵（涡旋式、离心式或螺杆式压缩机），用电作为热泵的驱动源，排烟温度已降到15℃甚至更低。这两条技术路线分别适用不同的锅炉规模、能源价格、安装场地和供热对象。
烟气源热泵供热节能技术是教授级高级工程师崇兴研究成功的发明专利技术。2011年3月，机械工程学会鉴定委员会鉴定认为，该技术实现了多种节能技术的综合运用，集成系统达到了国领先水平；2012年3月，经节能技术检测中心检测，该供热系统输出功率与输入电功率比（EER值）为7.91。2012年4月获得了国家发明专利权，2012年6月和2014年6月，两次列入市2012年节能低碳技术产品推荐目录。2014年6月，列入市科委公布的地区大气污染防治技术和产品目录。2015年9月列入国管局公共机构节能节水技术产品目录，2015年11月列入国家发改委国家重点节能技术目录。
二、烟气源热泵供热节能技术要点
1、技术原理
烟气源热泵供热节能技术采用三级降温两级换热的工艺流程，将燃气锅炉烟气中的热能梯级回收利用，特别是利用烟气源热泵吸收低品位热能特
点，将60℃以下的烟气中的潜热回收，回用到供暖或供应热水，最终排烟温度降到15℃，实现了烟气中的热能的全热（显热和潜热）回收利用。
2、工艺流程
第一级降温、换热是将120℃的烟气通过气-水换热器降至60℃，水温提升6-7℃；第二级降温是通过混合降温器将烟气从60℃降到30℃；第三级降温、换热是通过烟气源热泵将烟气降到15℃后排放，水温提升6-7℃。三级降温烟道串联连接，二级换热的热水管道可串联和并联。烟气降温过程中凝结的冷凝水吸收烟气中的部分氮氧化物，实现了节能减排。
3、主要功能
（1）节能将燃气锅炉烟气温度降到15℃，天然气的热能全部利用，可收回锅炉负荷的15-20%的热能，相应的节约天然气耗量。
（2）降低供热成本烟气源热泵供热的运行成本比燃气锅炉降低
60%以上。
（3）消峰填谷冬季是市天然气用气高峰，本技术可以消减10-15%天然气消耗量，起到消峰的作用。本技术可利用低谷电和平峰电供热，充分利用谷电资源，提高电能的利用效率。
（4）节水5吨锅炉每天回收冷凝水4-6吨，经过处理可代替软化水，节约自来水。
（5）减排烟气中氮氧化物溶到冷凝水中，减少对大气的污染，起到减排的作用。经测试，氮氧化物的减排率为10%左右。
（6）投资回报率高用于冬季采暖时，设备静态投资回收期为3-3.5年。用于冬季采暖+全年供热水时，烟气源热泵在非采暖季节为空气源工况，可加热生活、生产热水，比燃气锅炉加热成本降低50%以上，静态投资回收期为1.5-2年。
三、烟气源热泵供热节能技术分析
1、为什么将最终排烟温度定为15℃
首先，要明确烟气余热的“全热回收”的概念和基准条件。“全热”是针对天然气的高位热值而言，天然气的高位热值是指“每标准立方米燃气完全燃烧后，其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量”，相应的，“每标准立方米燃气完全燃烧后，其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气仍为蒸汽状态时所放出的热量”是低位热值。二者之差就是烟气中的汽化潜热。由于各地的天然气的成分不同其热值也略有差异。以使用的陕北天然气为例，其高位发热量为38.876MJ/Nm3,
低位发热量为35.055MJ/Nm3，两者相差3.821MJ/Nm3，就是天然气的汽化潜热，约占总发热量的10%左右。由于天然气燃烧产生的水蒸气必须以过热蒸汽的形态通过烟筒排出锅炉，如果烟气温度降低产生酸性冷凝水会腐蚀炉体，成为安全隐患。也就是说，锅炉设计时就没有考虑利用这部分汽化潜热。因此，我国制定锅炉热效率的标准是以低热值为基数来计算的，即使锅炉的热效率达到100%，仍有10%以上的热能没有利用。
鉴此，真正意义上的“全热回收”需要满足两个条件，一是烟气被冷却至原始温度，二是其中的水蒸气以凝结水状态排出。
那么如何确定烟气被冷却到原始温度？我们可以从国际标准化组织制定的燃气轮机ISO标准工况的规定中找到依据，这就是：环境温度15℃、大气压力0．10135MPa、大气相对湿度60％。也就是说，当烟气温度降到15℃时才能实现燃气锅炉烟气余热的“全热回收”，否则，只能称其为“深度回收”。至于水蒸气以凝结水的状态排出的条件，由于烟道中的烟气始终处于饱和状态，只要将烟气降到一定温度，其水蒸气必然凝结成水排出。
2、为什么烟气源热泵能实现排烟温度15℃
烟气源热泵供热节能技术采用的热泵是按照烟气余热回收的运行条件专门设计的一款专用热泵机组，具有烟气源和空气源的特性。采暖季节是在烟气工况运行，由于烟气温度较高所含热能较多，设计蒸发器的运行环境温度为30±5℃，烟气侧进出口温差为15℃。因此，在标准工况运行时，热泵的能效比较高，COP可达到4.5-5，最终排烟温度为15℃。当热泵在非采暖季节运行时处于空气源工况，春夏秋季运行环境温度在15-40℃，当空调季环境温度在30℃时，热泵空气侧出风温度为15℃，可作为空调的冷源。
因此，烟气源热泵在空调季可实现冷热联供，一机二用。
3、烟气源热泵供热节能技术在燃气-蒸汽联合循环热电联供系统的应用
长期以来，市本地电力支撑和热力供应以４个燃煤热电厂为主，随着煤改气的推进，4个燃煤热电厂全部拆除，取而代之的是4座大型燃气热电中心，而且大大增加了燃气供热面积。到“十二五”末期，全市燃气电厂装机规模达到960万千瓦，预计2020年热电联供的面积将达到10亿平方米。然而，煤改气之后新的矛盾又出现了：
1、热电比的变化
由于燃煤电厂的热电比是1.5-2，燃气电厂的热电比是0.7-0.8，两者相差1倍以上，随着热电联产的发展，热电需求不匹配的矛盾逐渐显现，在采暖季，燃气热电厂是以热定电，为满足供热需求，热电联产机组产生的电力，在某些时段已经超出了用电负荷，预计到2020年将更加突出。在这种情况下，烟气源热泵供热节能技术的优势就体现出来，该系统的能效比可达到6以上，也就是说，消耗一度电可以节约0.7立米的天然气。如果采用该项技术回收燃气电厂的烟气余热回收来解决电厂周边的供热问题，可节约天然气消耗量的10%以上（以电厂燃气消耗量为基数），既缓解了采暖期燃气消耗的供需矛盾（目前采暖高峰期燃气供需缺口为20%），也消纳了电厂多余的电力，大幅度的降低了供热成本。
2、天然气热能利用率的提高
燃煤电厂改为燃气-蒸汽联合循环热电联供系统后，虽然烟气排放温度较低，一般为90℃左右，但是，由于燃气发电机组的过量空气系数较大，排烟量比燃气锅炉要高几倍，所以，在与燃气锅炉相同排烟90℃的情况下，
其排烟热损失要高出5个百分点，天然气的热能利用率低于80%（包括潜热）。也就是说，一套2*35万千瓦的燃气-蒸汽热电联供合系统每年消耗天然气9亿立方米，其中就有1.8亿立方米的天然气产生的热能通过烟筒排到大气中，造成大量的热能浪费。采用烟气源热泵供热节能技术回收燃气电厂的烟气余热，可以将排烟温度降到15℃左右，实现天然气热能的全部利用。目前，一套35万千瓦的燃气-蒸汽热电联供合系统的供热面积为600万平米，采用烟气余热泵节能供热系统可以从运气中回收天然气总热能的15%的热能回供到供暖系统，可以增加200万平米的供热面积。占现状供热面积的30%以上，同时，还可以大幅度的降低供热成本。
3、氮氧化物排放问题
实施煤改气后，有段时间大气中的氮氧化物的降低并没有达到预期的效果，其原因就是燃气锅炉排放的氮氧化物加重了大气的污染。从去年起，市斥巨资对所有的燃气锅炉进行低氮改造。虽然燃气电厂的氮氧化物排放浓度达标，但是，是建立在排烟量较大的基础上，排放总量仍然很大。采用烟气源热泵供热节能技术回收烟气热能的过程中，烟气中的硫化物和氮氧化物会溶解到冷凝水中起到减排的作用。据检测，硫化物可以减排50%以上，氮氧化物可以减排10%以上，在没有减排投资的情况下实现了减排的环境效益。
目前，烟气源热泵供热节能技术在中小锅炉的应用已经较为成熟，有运行3年以上工程案例，取得了良好的节能减排效果。在大型工业锅炉和燃气电厂的应用已经起步，通过研发大功率热泵单机和撬装设备完善工艺流程并进行样板工程的建设，实现燃气电厂天然气热能的全部回收利用。
案例介绍：
交通大学学苑公寓锅炉房烟气余热回收
及浴室热水节能改造项目简介
一、锅炉房及浴室基本情况
交通大学学苑公寓采暖锅炉房现有1台4.2兆瓦和2台2.8兆瓦燃气锅炉，供应采暖和浴室热水，供暖面积约11万平方米,采暖期时段是每年11月初至次年3月底，锅炉排烟温度约140-160℃左右。采暖期锅炉燃气日消耗量为6000-8000立方米。
学生浴室热水加热与采暖锅炉共用一个系统，加热后的热水分别送至#1-#8公寓学生浴室使用，公寓学生人数约1万人左右。锅炉房有3台容积10立方米的换热器，浴室平均每天需水温40±2℃热水200吨左右。浴室开放时段是每日17时至24时。现状采用燃气锅炉加热的成本为15.2元/
吨水（只计算燃气成本）
二、节能项目概况：
交通大学学苑公寓锅炉房烟气余热回收及浴室热水节能项目位于交通大学学苑公寓院，于2016年11月完成安装并进行调试运行。工程分为两部分，1、烟气源热泵部分：采暖季节采用烟气源热泵烟气余热回收技术加热水箱水供学生浴室。安装两级板式烟气换热器和4台烟气源热泵，采用三级降温两级换热的工艺将采暖锅炉的烟气余热回收，加热学生浴室热水。
2、空气源热泵部分：非采暖季节采用空气源热泵技术加热浴室热水，安装4台空气源热泵循环加热水箱水供学生浴室。
采暖季热泵系统加热流程图：
级板换和热泵系统24小时连续运行，一级板换和热泵并联循环加热水箱水，进出口温差10-12℃。二级板换加热自来水补水，每小时6吨，加热温升20-24℃（进水温度12℃，出水36℃）。经过运行测试，本系统采暖季回收的烟气余热每天可加热40±2℃热水200吨左右，基本满足浴室热水的需求。平均吨水加热成本为3.52元/吨。热泵系统能效比为5.98。
三、经济效益分析
根据设计文件计算，采暖期锅炉加热成本为15.2元/吨水。采用烟气源热泵系统加热成本平均为3.52元/吨水。每吨水节约11.68元/吨。按照测试平均每天供水量198吨水计算，每日节约燃气费用2308元。比燃气锅炉加热节约燃气成本 77%。
四、节能效益分析
据测试，当采暖季自来水补水温度为10℃时，二级板换排烟温度为22℃，烟气源热泵排烟温度15-20℃，大幅度提高了天然气的热能利用率，基本实现了天然气热能的全部回收利用，达到国领先水平。本系统可以节约10-15%燃气消耗，每天可节约900立方米天然气。
五、环境效益分析
由于排烟温度降低，烟气中的水汽冷凝后溶解部分氮氧化物，减少了10%的氮氧化物的排放，具有一定的环境减排效益。由于烟气中的水汽冷凝脱水，消除了烟筒冒白烟的现象。
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