為了改善大氣質(zhì)量，北京市大力推進煤改氣工程，目前，天然氣已全部覆蓋六環(huán)以內(nèi)的區(qū)域，北京市每年消耗的天然氣從2004年的25億立方米到2016年已達到168億立方米，天然氣需求量以超過8%每年的速率增長，預計在2020年前將達到200億立方米。其中冬季采暖消耗的天然氣已占到全年消耗量的60%以上，2016年采暖期間的用氣量將達到118億立米。

 

天然氣是清潔能源，理應將其熱能全部轉(zhuǎn)化利用，但是，天然氣熱能利用率的現(xiàn)狀并不盡人意，采暖鍋爐的熱能利用率普遍低于80%（以高熱值計）。大型燃氣輪機一次發(fā)電效率不超過40%，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率不超過60%，熱電聯(lián)供技術也僅達到80%，有超過20%的熱能通過煙筒排放到空中，不但浪費了寶貴的能源，而且還對大氣環(huán)境造成了影響。因此，提高天然氣的熱能利用率是改善環(huán)境，消除霧霾，減排二氧化碳的有效措施，是實現(xiàn)我國未來能源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。研發(fā)和推廣天然氣熱能全部回收利用的技術是當務之急，刻不容緩。

 

近年來，隨著節(jié)能技術的發(fā)展和專家學者對煙氣中潛熱回收的深入研究，出現(xiàn)了許多“天然氣煙氣全熱回收”的方法和技術裝備，排煙溫度也呈下降的趨勢，從普遍采用一級換熱回收的60-70℃排煙溫度到冷凝鍋爐的40℃，從吸收式熱泵的30℃排煙到煙氣源熱泵的15℃甚至更低。這些技術的研發(fā)者都聲稱實現(xiàn)了煙氣余熱的“全熱回收”。甚至有的鍋爐安裝了一級余熱回收裝置（排煙溫度70℃）就在銘牌上標注“鍋爐熱效率98%”。因此，對燃氣設備的煙氣余熱利用應當有一個統(tǒng)一的規(guī)定和標準，才能更好的促進煙氣余熱回收的節(jié)能技術的研究和發(fā)展。

 

一、當前天然氣熱能利用的現(xiàn)狀

 

由于天然氣的成分主要是甲烷（CH4）,燃燒后生成水，在鍋爐氣化為過熱水蒸氣隨煙氣排出。1立方米的天然氣燃燒后生成1.55公斤的水，所攜帶的氣化潛熱約占天燃氣低熱值的10%以上。如果能將煙氣溫度從180℃降到20℃，其可回收的熱能（顯熱和潛熱）可占到天然氣總熱值的20%左右。以北京為例，2016年冬季供暖消耗的天然氣118億立米，如果通過煙氣余熱回收技術將排煙降到20℃，回收的熱能至少節(jié)約15億立米的燃氣。

 

目前，燃氣鍋爐的煙氣余熱回收較普遍的做法是在鍋爐煙筒上安裝一級汽水換熱器余熱回收裝置，僅收回燃氣熱值的3-5%的熱能，煙氣溫度僅能降到60-80℃，還有部分顯熱和大量的潛熱未被回收利用。由于煙氣的冷凝溫度為59℃左右，只有將煙氣溫度降到冷凝溫度以下，才能回收煙氣中的潛熱，實現(xiàn)大幅度的提高天氣的熱能利用率的目標。為此，研究者選擇了熱泵循環(huán)制冷的方法將煙氣潛熱回收并用熱泵提高至供熱溫度。目前，采用熱泵回收煙氣余熱有兩條技術路線：一是采用吸收式熱泵（溴化鋰直燃機），利用高溫蒸氣或燃氣補燃作為熱泵的驅(qū)動源，排煙溫度一般為30℃左右；二是采用電動熱泵（渦旋式、離心式或螺桿式壓縮機），用電作為熱泵的驅(qū)動源，排煙溫度已降到15℃甚至更低。這兩條技術路線分別適用不同的鍋爐規(guī)模、能源價格、安裝場地和供熱對象。

 

煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術是教授級高級工程師李崇興研究成功的發(fā)明專利技術。2011年3月，北京機械工程學會鑒定委員會鑒定認為，該技術實現(xiàn)了多種節(jié)能技術的綜合運用，集成系統(tǒng)達到了國內(nèi)領先水平；2012年3月，經(jīng)北京節(jié)能技術檢測中心檢測，該供熱系統(tǒng)輸出功率與輸入電功率比（EER值）為7.91。2012年4月獲得了國家發(fā)明專利權，2012年6月和2014年6月，兩次列入北京市2012年節(jié)能低碳技術產(chǎn)品推薦目錄。2014年6月，列入北京市科委公布的北京地區(qū)大氣污染防治技術和產(chǎn)品目錄。2015年9月列入國管局公共機構節(jié)能節(jié)水技術產(chǎn)品目錄，2015年11月列入國家發(fā)改委國家重點節(jié)能技術目錄。

 

二、煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術要點

 

1、技術原理

 

煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術采用三級降溫兩級換熱的工藝流程，將燃氣鍋爐煙氣中的熱能梯級回收利用，特別是利用煙氣源熱泵吸收低品位熱能特點，將60℃以下的煙氣中的潛熱回收，回用到供暖或供應熱水，最終排煙溫度降到15℃，實現(xiàn)了煙氣中的熱能的全熱（顯熱和潛熱）回收利用。

 

2、工藝流程

 

第一級降溫、換熱是將120℃的煙氣通過氣-水換熱器降至60℃，水溫提升6-7℃；第二級降溫是通過混合降溫器將煙氣從60℃降到30℃；第三級降溫、換熱是通過煙氣源熱泵將煙氣降到15℃后排放，水溫提升6-7℃。三級降溫煙道串聯(lián)連接，二級換熱的熱水管道可串聯(lián)和并聯(lián)。煙氣降溫過程中凝結的冷凝水吸收煙氣中的部分氮氧化物，實現(xiàn)了節(jié)能減排。

       

3、主要功能

 

（1）節(jié)能    將燃氣鍋爐煙氣溫度降到15℃，天然氣的熱能全部利用，可收回鍋爐負荷的15-20%的熱能，相應的節(jié)約天然氣耗量。

 

（2）降低供熱成本     煙氣源熱泵供熱的運行成本比燃氣鍋爐降低60%以上。

 

（3）消峰填谷    冬季是北京市天然氣用氣高峰，本技術可以消減10-15%天然氣消耗量，起到消峰的作用。本技術可利用低谷電和平峰電供熱，充分利用谷電資源，提高電能的利用效率。

 

（4）節(jié)水  5噸鍋爐每天回收冷凝水4-6噸，經(jīng)過處理可代替軟化水，節(jié)約自來水。

 

（5）減排   煙氣中氮氧化物溶到冷凝水中，減少對大氣的污染，起到減排的作用。經(jīng)測試，氮氧化物的減排率為10%左右。

 

（6）投資回報率高     用于冬季采暖時，設備靜態(tài)投資回收期為3-3.5年。用于冬季采暖+全年供熱水時，煙氣源熱泵在非采暖季節(jié)為空氣源工況，可加熱生活、生產(chǎn)熱水，比燃氣鍋爐加熱成本降低50%以上，靜態(tài)投資回收期為1.5-2年。

 

三、煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術分析

 

1、為什么將最終排煙溫度定為15℃

 

首先，要明確煙氣余熱的“全熱回收”的概念和基準條件。“全熱”是針對天然氣的高位熱值而言，天然氣的高位熱值是指“每標準立方米燃氣完全燃燒后，其煙氣被冷卻至原始溫度，而其中的水蒸氣以凝結水狀態(tài)排出時所放出的熱量”，相應的，“每標準立方米燃氣完全燃燒后，其煙氣被冷卻至原始溫度，而其中的水蒸氣仍為蒸汽狀態(tài)時所放出的熱量”是低位熱值。二者之差就是煙氣中的汽化潛熱。由于各地的天然氣的成分不同其熱值也略有差異。以北京使用的陜北天然氣為例，其高位發(fā)熱量為38.876MJ/Nm3,低位發(fā)熱量為35.055MJ/Nm3，兩者相差3.821MJ/Nm3，就是天然氣的汽化潛熱，約占總發(fā)熱量的10%左右。由于天然氣燃燒產(chǎn)生的水蒸氣必須以過熱蒸汽的形態(tài)通過煙筒排出鍋爐，如果煙氣溫度降低產(chǎn)生酸性冷凝水會腐蝕爐體，成為安全隱患。也就是說，鍋爐設計時就沒有考慮利用這部分汽化潛熱。因此，我國制定鍋爐熱效率的標準是以低熱值為基數(shù)來計算的，即使鍋爐的熱效率達到100%，仍有10%以上的熱能沒有利用。

 

鑒此，真正意義上的“全熱回收”需要滿足兩個條件，一是煙氣被冷卻至原始溫度，二是其中的水蒸氣以凝結水狀態(tài)排出。

 

那么如何確定煙氣被冷卻到原始溫度？我們可以從國際標準化組織制定的燃氣輪機ISO標準工況的規(guī)定中找到依據(jù)，這就是：環(huán)境溫度15℃、大氣壓力0．10135 MPa、大氣相對濕度60％。也就是說，當煙氣溫度降到15℃時才能實現(xiàn)燃氣鍋爐煙氣余熱的“全熱回收”，否則，只能稱其為“深度回收”。至于水蒸氣以凝結水的狀態(tài)排出的條件，由于煙道中的煙氣始終處于飽和狀態(tài)，只要將煙氣降到一定溫度，其水蒸氣必然凝結成水排出。

 

2、為什么煙氣源熱泵能實現(xiàn)排煙溫度15℃

 

煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術采用的熱泵是按照煙氣余熱回收的運行條件專門設計的一款專用熱泵機組，具有煙氣源和空氣源的特性。采暖季節(jié)是在煙氣工況運行，由于煙氣溫度較高所含熱能較多，設計蒸發(fā)器的運行環(huán)境溫度為30±5℃，煙氣側進出口溫差為15℃。因此，在標準工況運行時，熱泵的能效比較高，COP可達到4.5-5，最終排煙溫度為15℃。當熱泵在非采暖季節(jié)運行時處于空氣源工況，春夏秋季運行環(huán)境溫度在15-40℃，當空調(diào)季環(huán)境溫度在30℃時，熱泵空氣側出風溫度為15℃，可作為空調(diào)的冷源。因此，煙氣源熱泵在空調(diào)季可實現(xiàn)冷熱聯(lián)供，一機二用。 

 

3、煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術在燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應用

 

長期以來，北京市本地電力支撐和熱力供應以４個燃煤熱電廠為主，隨著煤改氣的推進，4個燃煤熱電廠全部拆除，取而代之的是4座大型燃氣熱電中心，而且大大增加了燃氣供熱面積。到“十二五”末期，全市燃氣電廠裝機規(guī)模達到960萬千瓦，預計2020年熱電聯(lián)供的面積將達到10億平方米。然而，煤改氣之后新的矛盾又出現(xiàn)了：

 

1、熱電比的變化

 

由于燃煤電廠的熱電比是1.5-2，燃氣電廠的熱電比是0.7-0.8，兩者相差1倍以上，隨著熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)展，熱電需求不匹配的矛盾逐漸顯現(xiàn)，在采暖季，燃氣熱電廠是以熱定電，為滿足供熱需求，熱電聯(lián)產(chǎn)機組產(chǎn)生的電力，在某些時段已經(jīng)超出了用電負荷，預計到2020年將更加突出。在這種情況下，煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來，該系統(tǒng)的能效比可達到6以上，也就是說，消耗一度電可以節(jié)約0.7立米的天然氣。如果采用該項技術回收燃氣電廠的煙氣余熱回收來解決電廠周邊的供熱問題，可節(jié)約天然氣消耗量的10%以上（以電廠燃氣消耗量為基數(shù)），既緩解了采暖期燃氣消耗的供需矛盾（目前采暖高峰期燃氣供需缺口為20%），也消納了電廠多余的電力，大幅度的降低了供熱成本。

 

2、天然氣熱能利用率的提高

 

燃煤電廠改為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)供系統(tǒng)后，雖然煙氣排放溫度較低，一般為90℃左右，但是，由于燃氣發(fā)電機組的過量空氣系數(shù)較大，排煙量比燃氣鍋爐要高幾倍，所以，在與燃氣鍋爐相同排煙90℃的情況下，其排煙熱損失要高出5個百分點，天然氣的熱能利用率低于80%（包括潛熱）。也就是說，一套2*35萬千瓦的燃氣-蒸汽熱電聯(lián)供合系統(tǒng)每年消耗天然氣9億立方米，其中就有1.8億立方米的天然氣產(chǎn)生的熱能通過煙筒排到大氣中，造成大量的熱能浪費。采用煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術回收燃氣電廠的煙氣余熱，可以將排煙溫度降到15℃左右，實現(xiàn)天然氣熱能的全部利用。目前，一套35萬千瓦的燃氣-蒸汽熱電聯(lián)供合系統(tǒng)的供熱面積為600萬平米，采用煙氣余熱泵節(jié)能供熱系統(tǒng)可以從運氣中回收天然氣總熱能的15%的熱能回供到供暖系統(tǒng)，可以增加200萬平米的供熱面積。占現(xiàn)狀供熱面積的30%以上，同時，還可以大幅度的降低供熱成本。

 

3、氮氧化物排放問題

 

北京實施煤改氣后，有段時間大氣中的氮氧化物的降低并沒有達到預期的效果，其原因就是燃氣鍋爐排放的氮氧化物加重了大氣的污染。從去年起，北京市斥巨資對所有的燃氣鍋爐進行低氮改造。雖然燃氣電廠的氮氧化物排放濃度達標，但是，是建立在排煙量較大的基礎上，排放總量仍然很大。采用煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術回收煙氣熱能的過程中，煙氣中的硫化物和氮氧化物會溶解到冷凝水中起到減排的作用。據(jù)檢測，硫化物可以減排50%以上，氮氧化物可以減排10%以上，在沒有減排投資的情況下實現(xiàn)了減排的環(huán)境效益。

目前，煙氣源熱泵供熱節(jié)能技術在中小鍋爐的應用已經(jīng)較為成熟，有運行3年以上工程案例，取得了良好的節(jié)能減排效果。在大型工業(yè)鍋爐和燃氣電廠的應用已經(jīng)起步，通過研發(fā)大功率熱泵單機和撬裝設備完善工藝流程并進行樣板工程的建設，實現(xiàn)燃氣電廠天然氣熱能的全部回收利用。