易文清
陕西首创天成工程技术有限公司第二设计院 陕西西安 710000
摘要：近年来，随着环保要求的日益严格，“煤改气”作为一个主要的清洁供热方式，使得北方地区城市天然气很大程度上用于采暖供热。燃气锅炉广泛应用于工业和供热等领域，随着我国大气环境治理和蓝天行动计划实施，燃气锅炉成为北方大中城市重要的供热热源设备之一，是主要用气和能耗大户及氮氧化物排放大户。近年来对燃气锅炉进行了低氮改造，其中部分锅炉通过降低燃烧温度减少NOｘ生成，但同时降低了锅炉燃烧效率。鉴于此，本文对燃气锅炉供热余热利用应用提出了一些建议及参考。
关键词：燃气锅炉；供热；烟气回收；余热利用
引言
随着城市燃气锅炉房的全面覆盖，对于供热余热利用方法的实施，需要合理方法达到节能标准。基于烟气余热利用方法，是实现燃气锅炉烟气余热利用的可行方案，其具有较好的经济效益和社会效益。
1、燃气锅炉供热现状
随着天然气的大力开发和应用，城市的能源利用结构正发生着很大的变化，
根据“我国供热行业2020年度发展状况报告”，北方供暖地区城镇现有集中供热面积约131亿平方米，城市集中供热面积约110亿平方米，集中供热率约85%。通过2013年与2018个热源结构的对比，燃气锅炉增加7.7%，燃煤锅炉减少15.5%，热电联产增加7%。反映了各地治理散煤，煤改气工作的成果。
2018-2019年供暖行业分析指出，按供热面积31亿平方统计结果，热费收入为775.6亿元，平均25元/平方，投入供热成本992.7亿元（包含燃料和购热费用476.5亿元，水电费92.3亿元，维修费和折旧费165.8亿元等），超过供热收入，行业平均亏损22%。
那么怎么摆脱供热事业严重亏损的现象？是整个行业都该好好考虑的一个问题。一方面是市场本身的价格调控，例如把供暖单价平均增长20%，一方面是设计优化降低热耗，平均15%左右节能降耗空间，如果两方面都尽力去做，有可能使得我们整体全国普遍情况能够转亏为赢。
所以城市燃气锅炉房的节能问题显得尤为重要。其中节能减排的措施主要有锅炉群控、气候补偿器控制、烟气冷凝回收、水泵及风机变频控制等。目前城市燃气锅炉房以1种或多种节能措施相结合的方式进行节能控制。下图为目前运行的两大热源效率，燃煤锅炉效率平均值为74.6%，燃气锅炉平均值为95.2%，其中燃气锅炉效率超过100%是由于深度回收烟气余热的结果，效率从75%到105%，取决于是否回收烟气余热。对于燃气锅炉来说，做烟气的余热回收利用，这可能是燃气锅炉提效，降低成本，提高效率，节能减排最有效的措施之一。
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图1 锅炉效率
2、燃气锅炉房余热利用的常用方法
在燃气锅炉供热中，最大的热量损失来自烟气排放时携带的热量。为了有效利用烟气余热，国内外学者对烟气余热的利用方法进行了相关研究和实践，主要包括以下方法。
第一类方法，常规利用方法。利用热网回水、空气回收烟气余热。在利用热网回水回收烟气余热时，热网回水与烟气温差比较小，难以回收烟气潜热。在利用空气回收烟气余热时，供暖期空气温度远低于烟气的露点，因此采用空气预热器(冷凝式换热器)成为回收烟气余热的途径之一[1]。为了将烟气温度降得更低，可先将烟气与热网回水换热，再与空气换热。这种组合方式可以多回收烟气余热，但提高幅度仍有限。在第一类方法中，烟气冷凝换热器通常采用间壁式换热器。对间壁式换热器的换热机理、换热器形式及优化、系统方案及经济性进行了模拟、试验研究。考虑到间壁式换热器存在金属换热面易腐蚀的问题，研发了具有新型防腐层的间壁式换热器，但成本高。
第二类方法，深度利用。将燃气锅炉与溴化锂吸收式热泵机组(以下简称“热泵机组”)相结合，利用热泵机组回收烟气余热。燃气锅炉在烟道尾部设置热网回水加热器的基础上增设烟气－水直接接触式换热器(以下简称“直接接触式换热器”)，在热泵机组烟道尾部也增设直接接触式换热器。热泵机组将天然气燃烧后的高温烟气作为驱动热源，采用中介水与烟气在直接接触式换热器(包括燃气锅炉、热泵机组的直接接触式换热器)中换热，将回收的烟气余热作为热泵机组蒸发器的低温热源。接触式换热克服了间壁式换热存在的换热面积大、腐蚀等问题。由于采用直接接触式换热，烟气进行了一次洗涤，可以降低烟气氮氧化物的排放浓度[2]。
3、燃气锅炉房余热利用技术
3.1基于直接接触换热的烟气余热深度回收技术
基于直接接触换热的烟气余热深度回收技术系统流程如图2所示，通过在锅炉房安装吸收式热泵和烟气-水直接接触式换热器，吸收式热泵可采用天然气驱动，也可根据供热锅炉实际运行方式配置热水或蒸汽驱动；系统利用余热机组产生的低温冷水在烟气换热器中与烟气直接接触换热，将烟气热量带入余热机组；机组利用驱动能源热量和烟气热量加热热网回水，从而实现回收烟气余热。
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图2 烟气余热深度回收系统
3.2冷凝水处理工艺
根据燃气锅炉烟气冷凝水水质情况，推荐采用pH调节系统＋除铁过滤器的方案对水质的pH值及全铁含量进行纠正，纠正后的烟气冷凝水进入锅炉房原有软水器或除氧器及后续水处理设备。pH调节系统通过向水中加入氢氧化钠，将水的pH调节至7.0～11.0，满足要求。除铁过滤器的除铁原理：水中铁质主要为溶解性的二价铁，含铁的水经曝气后，流经滤层过滤时，覆盖在滤料表面的活性生物滤膜开始对水中的二价铁离子进行吸附，然后在生物滤膜催化作用下被溶解氧所氧化并吸附在滤料上，氧化生成的三价铁的氧化物作为新的滤膜参与新的催化反应，活性生物滤膜接触氧化二价铁是一个自动催化过程[3]。烟气冷凝水经新增除铁器处理后，水质满足对补水全铁含量值的要求。酸性冷凝水经加碱、除铁后，进入软水器软化。全自动软水器是一种运行和再生操作过程全自动控制的离子交换软水器，利用钠型阳离子交换树脂去除水中钙镁离子，降低原水硬度，以达到软化硬水的目的，从而避免碳酸盐在管道、容器、锅炉产生结垢现象，大大节省投资成本的同时又能保证生产顺利进行。烟气冷凝水经锅炉房原有全自动软水器处理后，水质满足对补水硬度值的要求。冷凝水经处理后可以再回收利用。
4、余热利用节能潜力分析
烟气深度回收利用技术采用吸收式热泵，由于吸收式热泵能制取非常低的冷水（12℃左右）用于回收烟气热量，将烟气的排烟温度降低至30℃左右，烟气节能率达到8%~15%，同时能产生60℃左右的中温热水。烟气冷凝也起到消除“白烟”、减少污染物排放的作用。此种改造方式对于燃气锅炉供暖的形式而言可以缓解能源压力、改善空气质量具有重要的现实意义。
案例分析：按某市燃气单价2.49元／m3计，若锅炉排烟温度降至比回水温度高5℃时，供暖季锅炉热效率平均提高7.5%，单位容量锅炉（0.7MW）每供暖季可节约燃气量1.38万m3，节约燃气费用3.4万元；即使排烟温度降至较回水温度高10℃，锅炉热效率平均提高4.8%，单位容量锅炉（0.7MW）每供暖季可节约燃气量1.03万m3，节约燃气费用2.6万元。整个锅炉房采用烟气冷凝热能回收技术，每供暖季可节约燃气量109.3万～166.4万m3，节约燃气费用271.6万～413.7万元。
结束语
综上所述，基于城市燃气锅炉房供热现状和余热利用，提出直接接触换热的烟气余热深度回收技术，冷凝水处理工艺。使得烟气余热得到经济的有效的利用，对国内大量使用的燃气锅炉具有很好的节能环保意义，也是提升燃气锅炉供热行业经济可行的一项有效措施。
参考文献
[1]赵玺灵,付林,江亿.天然气供热中烟气余热利用的潜力及途径[J].区域供热,2018(03):41-45.
[2]王海龙.燃气供热锅炉房烟气余热高效利用实例分析[J].煤气与热力,2018,38(03):11-15.
[3]雷鑫等.燃气锅炉烟气冷凝水回收利用分析[J].中国高新技术企业,2016.