烟气冷凝热回收方案设计与计算

烟气冷凝热回收方案设计与计算

《燃气应用》课程2010-2011学年春季学期大作业

目录

一、研究背景 (2)

二、研究问题 (3)

三、方案设计及计算 (4)

1.方案一计算 (4)

2.方案二计算 (10)

3.1给定方案计算 (10)

3.2扩展方案设计及计算 (10)

四、比较探讨 (15)

五、总结思考 (15)

六、课程总结 ............................................................................. 错误!未定义书签。

一、研究背景

在北京，近几年出现了许多作为区域供热热源的中小型天然气锅炉，2005年北京用于采暖的天然气耗量约20亿Nm3/年，如果50%的锅炉能够回收这些天然气燃烧的烟气冷凝热，将节约天然气用量1.5亿Nm3/年。天然气价格按1.8元/Nm3计，则每年可减少燃料费用2.7亿元。可见，实现天然气烟气冷凝余热在采暖的应用，将会显示出巨大的经济效益和社会效益。

由于天然气的主要成分为甲烷，含氢量很高，因而燃烧后排出的烟气中含有大量的水蒸气（容积成分接近20%），水蒸气的汽化潜热占天然气高位发热量的比例为10%-11%，若将烟气冷凝潜热回收，可较大幅度提高天然气的利用效率，因此回收利用烟气余热是提高天然气利用效率的一种有效途径。

目前，燃气锅炉回收烟气冷凝热利用系统是按照温度低的供热回水通过设置在锅炉尾部的凝水换热器使烟气冷却，从而获取烟气的部分显热和水蒸气潜热。在空气温度低的环境中，一些冷凝锅炉还在冷凝换热器后设置空气预热器，使烟气温度进一步降低，冷凝热进一步得到利用，被加热的空气进入锅炉燃烧。

具体分析实际工程：锅炉工

作将产生较高温度的水，同时为

了避免低温水通入锅炉导致锈蚀

等一系列问题，需要对送进锅炉

的水有一定温度要求。另一方面，

房间侧采用地板采暖或者暖气片

采暖等不同形式所需要的供水温

度不一样（回水温度也相应不一

样），但都比锅炉出水温度低。

因此合理的安排利用锅炉高温出

水、房间低温回水、高温烟气等资源（如图1所示）满足各处温度需求的同时利用烟气冷凝回收热减少能耗是一个很值得研究探讨的问题。

二、研究问题

基于上述研究背景，课程设置研讨问题，分析比较采取下述两种不同的方案实现烟气冷凝热回收时的效率：

方案一：

此方案采用换热器+混水的方式，

具体图示如右图所示。

从图中可以看出此方案通过将锅

炉中排出的高温烟气与房间回水通过

换热器进行换热从而实现烟气冷凝热

回收。之后被烟气初步加热的水与锅

炉出口的高温水进行混水从而实现锅炉入口水的预热同时将锅炉出口水温降至房间供水温度要求。

方案二：

此方案采用吸收机的方式，具体图

示如右图所示。

从图中可以看出此方案通过利用

吸收机，将锅炉出口的高温水作为吸收

机发生器的热源，将房间回水作为通过吸收

器和冷凝器的冷却水（从而实现对其加热的目的），将高

温烟气通过蒸发器的作用实现冷却：从而实现烟气冷凝热回收及各处水温的要求。

对于两方案给定以下参数：

锅炉出水温度95℃，锅炉进水温度60-70℃；

房间供水温度50℃，房间回水温度35℃（采用地板采暖方式）；

查阅资料得通过空气预热器等装置后相应规模的燃气锅炉排烟温度约为130℃；

房间侧热负荷不变，因此可以假设房间侧水流量为1000kg/h。

三、方案设计及计算

本部分以上述题目中给定的两种方案为基础，利用给定参数进行设计计算，首先对两给定方案进行计算分析；之后再根据发现的方案不足进行方案扩展设计及计算，从而合理的做出两种方案的天然气利用效率（η）—排烟温度（t）曲线，以此分析比较两方案的差异。

1.方案一计算

按照上文方案一示意图上标注的字母表征各处水温及水流量。我们以换热器出口处的水温t3作为变量，可以得到不同换热量下的排烟温度，进而计算出此一系列不同情况下的天然气利用效率，得到η—t曲线上一系列点。因此，我们先确定可行的t3范围。

流量守恒：

系统运行中需要保证各处的流量大于0，根据混水段能量守恒及质量守恒可以在EES 中编制程序计算各处的流量。

t1_out=95 %输入已知参数

t2=t1_out

t3_in=50

t3_out=35

t3=50

t4=t3

t1_in=70

h1_out=ENTHALPY(Water,T=t1_out,x=0) %计算各处水的焓值

h2=h1_out

h3_in=ENTHALPY(Water,T=t3_in,x=0)

h3_out=ENTHALPY(Water,T=t3_out,x=0)

h3=ENTHALPY(Water,T=t3,x=0)

h4=h3

h1_in=ENTHALPY(Water,T=t1_in,x=0)

G3=1 %此处计算流量取G3=1来分析

G1*h1_out-G2*h2+G4*h4=G3*h3_in %利用混水的能量守恒

G3*h3-G4*h4+G2*h2=G1*h1_in

G1=G2+G3-G4 %利用混水的质量守恒

由此可得如下计算结果：

从计算结果中可以看出，从Run5开始有流量变为负值，不合实际，因此可知t3的温度范围必须在35~50℃范围内。之所以有此范围是因为要同时满足锅炉出水温度降为50℃和锅炉入水温度升为60-70℃，因此，通过烟气换热后的回水温度不能过高，也即相当于烟气和回水换的热量不能过大。

排烟温度试探

在上述初步确定t3范围后进一步结合烟气和房间回水的换热进行计算。

在前文EES程序基础上进一步编写程序计算与相应换热器出口回水温度t3对应的排烟温度。

G3=1000 %给定房间侧水流量为1000kg/h

G1*h1_out-G2*h2+G4*h4=G3*h3_in

G3*h3-G4*h4+G2*h2=G1*h1_in

G1=G2+G3-G4

q=34574.4 %q表征天然气的体积热值

B=G1*(h1_out-h1_in)/(q*0.8) %B表征锅炉加热所需的天然气体积，0.8为设定的锅炉效率

V=11.39*B %V表征产生的烟气体积，查得1体积的天然气燃烧后产生11.39体积的烟气

c=1.374631 %c表征烟气的体积比热，根据烟气组分、各组分体积比及各组分的体积比热计算得到