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燃气锅炉排烟温度降低对烟气扩散的影响分析
作者:admin  更新时间:2015-07-31 23:57:05
锅炉烟气中蕴含着大量的显热和潜热,充分利用烟气中的热量可以减少能源消耗,从而实现污染物减排。天然气锅炉烟气含湿量较高,水蒸气冷凝过程会放出大量的气化潜热,同时产生大量的水,且天然气杂质较少,凝结水相对清洁,因此天然气的烟气余热回收成为研究的热点。在供热系统中,燃气锅炉烟气余热回收可以采取不同的技术路线。最常见的是在常规燃气锅炉尾部增设冷凝式换热器,这方面的研究包括传热理论与实验研究[1-4]、强化传热与防腐研究[5-7]、冷凝换热装置的设备开发及示范工程的应用等[8-9]。
燃气锅炉烟气的露点在55℃左右(过剩空气系数在1.15时),只有被加热介质温度低于55℃才能回收烟气中的冷凝热,在30℃甚至以下才能取得更好的热回收效果。在我国的集中供热领域,热网回水温度一般在50℃以上,因此不能充分回收烟气冷凝热。这种直接在燃气锅炉尾部增设冷凝式换热器的方法往往只能回收烟气的部分潜热,不能实现冷凝热的深度回收。
近年来随着吸收式换热技术[10-11]的日趋成熟,利用吸收式换热技术可以实现烟气余热的深度利用,系统利用吸收式热泵产生一种低温冷介质,使得烟气的排烟温度更低,余热回收更彻底,水蒸气被大量冷凝下来,节能和环保效果均更为显著,这种技术路线逐步得到了业内人士的认可并备受关注。文献[12]介绍了这种技术,并就该系统及余热回收装置进行了传热理论与实验研究、冷凝换热装置的设计和设备开发,并陆续在几个锅炉房中成功应用。随着新技术的应用,水蒸气被冷凝的量越来越大,烟气中的碳氧化物、氮氧化物等污染物会溶于冷凝液中,从而减少了直接排放到大气环境中的各种污染物的量,其减排总量多大?该技术使系统的排烟温度越来越低,可以做到低于30℃排放,排烟温度的降低对污染物扩散的影响如何?本文针对烟气余热深度利用技术的环境排放问题进行研究,研究结论将对该技术的推广应用提供重要的参考。
2 基于吸收式换热的烟气余热利用系统
将吸收式换热的理念应用到燃气锅炉的烟气余热回收中,其流程见图1。在燃气锅炉房增设吸收式热泵与烟气冷凝换热器,吸收式热泵以天然气为驱动能源,产生冷介质,该冷介质与烟气在烟气冷凝换热器中换热,换热过程可以采用直接接触式换热器或者间接换热器,使系统排烟温度降至露点以下,烟气中的水蒸气凝结放热,达到回收烟气余热及水分的目的。热网回水首先进入吸收式热泵中被加热,然后进入燃气锅炉加热至设计温度后供出,完成热网水的加热过程。燃气锅炉的排烟进入烟囱底部,被置于烟气冷凝换热器顶部的引风机抽出,与吸收式热泵的排烟混合后进入烟气冷凝换热器中,系统排烟温度降低到30℃以下后送入烟囱中排放至大气。在烟囱抽出烟气与送回烟气口之间增设隔板。我们的实验系统采用直接接触式烟气冷凝换热器。
 
利用该技术可使系统供热效率(系统供热量与输入系统中的燃气的低位热量之比)提高l0%以上。目前该项技术已经在北京总后锅炉房余热回收工程、北京竹木厂锅炉房余热回收工程中应用,取得了较好的节能效果。这种技术的增量投资(包括吸收式热泵、烟气冷凝换热器及配套水泵、阀门等设备的投资)一般在3a以内可以回收。
3 烟气冷凝对排烟组分的净化机理
烟气冷凝对排烟组分的净化是复杂的传热传质过程。烟气冷凝是烟气中水蒸气在换热壁面上冷凝成液膜或细小的水滴,继而汇聚成大水滴或细小液流。在这过程中,烟气中的不同组分将会溶入冷凝水溶液中,或者与冷凝水溶液发生反应,烟气中的有害物质得以去除,使得排烟中有害气体含量降低。
烟气冷凝过程中NOx。的净化:氮的氧化物有NO,NO2,N2O,N2O5等,统称NOx。构成大气污染和光化学烟雾的物质主要是NO、NO2,其他忽略不计。锅炉烟气中氮的氧化物主要是NO,而NO2含量较少。NO稍溶于水,溶解量忽略不计。NO2易溶于水,形成亚硝酸和硝酸水溶液。NO2溶于水的反应式为:
2NO2+H2O9HNO3+HNO2。
4 直接接触式烟气冷凝换热净化效果测试
烟气冷凝可减少排烟中的有害物质,但其净化效果受到多种因素的影响。这些因素有冷凝液量、燃料种类、热交换介质的温度等。有研究发现[13]:烟气冷凝对NOx的净化效果与烟气中SO2的存在与否有关。在烟气中无SO2存在时,烟气冷凝对NOx的净化效果较好,一般对NOx的吸收率能达到10%~20%;烟气中有SO2存在时,烟气冷凝对NOx的净化效果明显降低,一般对NOx的吸收率在10%以下。由于SO2的亲水性强于NOx,烟气中有SO2存在时,SO2与水的作用抑制了NOx与水的作用,使得烟气冷凝对NOx的净化效果降低。针对本文所示系统,系统比传统燃气锅炉的排烟温度更低,冷凝液量更大,其净化效果需要进行实验研究。实验系统中采用直接接触式烟气冷凝换热器,这种方式的优势在于:极大地增加了烟气一水两相流体的接触面积,瞬间完成传热和传质,达到强化换热的效果。
4.1 测试方案
对系统的两种工况进行了测试,工况1是不开启烟气余热回收系统,工况2是开启烟气余热回收系统。基于两组测试结果定量分析余热回收装置效果。在余热回收烟气系统中设采样孔,采样孔有效内直径为100mm,开孔位置如图1中的A、B、C三点所示,A点位于锅炉的排烟口处,B点位于吸收式热泵的排烟口处,C点位于烟囱总出口处。A、B点的数据用于日常分析和校核,本文主要分析C点的数据
4.2 测试数据分析
系统工况1:余热回收系统关闭,仅燃气锅炉运行。该工况下,燃料消耗量为1572m3/h,总供热量为14.0MW。
系统工况2:余热回收系统开启,燃气锅炉与吸收式热泵同时运行。该工况下,燃气锅炉燃料消耗量为1572m3/h,吸收式热泵燃料消耗量为358.5m3/h,系统总供热量为19.01MW,其中锅炉供热量为14MW,余热回收系统供热量为5.01MW(其中含1.9MW烟气余热)。
工况2与工况1相比,系统供单位热量(1MW·h)的燃料消耗量由112.3m3天然气降低到101.6m3,供热节能率,为9.5%。供热节能率等于工况2燃气耗量与工况1燃气耗量之差与工况1燃气耗量之比。
表1中,两个工况下的烟气采样分析结果是以烟囱总出口处(C点)的数据进行对比分析。表1中*为折算值,是将工况1的NOx排放速率折算到与工况2供应相同的供热量条件下的NOx排放速率。表1中排放因子定义为每1m3天然气燃烧后排放的NOx的质量。可以看出,同样消耗1m3天然气,工况2比工况1排放因子减少了5.73%。
5 烟气余热深度利用系统排放分析与评价
5.1 系统排放总量分析
设两种工况供应相同的热量(1MW·h),工况1的排放总量=112.3m3×0.75g/m3=84.225g;工况2的排放总量=101.6m3×0.707g/m3=71.831g,总排放量比工况1减少了14.7%。分析其贡献率包含两部分,一部分是因为燃料的节省降低了排放总量,这部分贡献即节能贡献率,约9.5%,另一部分是采用了吸收式烟气余热回收装置使得污染物浓度降低,对总排放量的贡献约5.2%。
5.2 排烟温度降低对烟气扩散的影响分析
该项烟气余热回收技术对污染物扩散的影响可以从两个方面分析。随着排烟温度的降低,一方面,烟气余热回收量逐渐增大,供相同的热量节省了燃料,燃料的节省会使NOx排放速率减小,NOx的最大落地浓度减小;另一方面,随着烟气温度的降低,污染物不易扩散,烟气本体的NOx的最大落地浓度增加。两种因素的作用一正一负,因此需要对两方面分别分析,从而得出其综合效果。
5.2.1排烟温度和燃料节省对烟气扩散的影响
为了清楚地分析两种因素的影响,首先假设排烟温度不变的条件下,仅分析节省燃料对排放的影响;然后假设燃料消耗量不变,仅分析排烟温度降低对排放的影响。采用HJ 2.2—2008《环境影响评价技术导则大气环境》中推荐的模式进行计算,利用Screen3软件进行模拟,该软件采用高斯模型进行计算。
 
综合分析正负两方面因素,排烟温度降低对NOx最大落地浓度的影响要比燃料的节省对NOx最大落地浓度的影响更为显著,说明排烟温度降低是主要影响因素,综合起来NOx最大落地浓度是随着烟气温度的降低逐渐增大的。
5.2.2实际两种工况污染物扩散情况分析
表2中木表示折算值,是将工况1排放量折算到与工况2相同供热量条件下的数据。标准状态是指101325Pa、0℃,工况1烟气排放量对应状态为101360Pa、54.1℃,工况2烟气排放量对应状态为101310Pa、22.3℃。NOx最大落地浓度和最大落地距离见表2。落地浓度随落地距离(落地处与烟囱的距离)的变化
 
根据模型测算结果,余热回收工况(工况2)NOx最大落地浓度略有增加,增加了2.88mp。g/m3。从图4中可见,余热回收工况NOx落地浓度达到峰值后,随落地距离衰减速率大于燃气锅炉供热工况(工况1),即余热回收工况虽然NOx最大落地浓度略有增加,但是迅速衰减,在距离烟囱300m以后,两种工况的NOx落地浓度就基本相当了。无论是哪一种工况,其NOx落地浓度均远低于GB 3095—2012《环境空气质量标准》中的二类区NO2的1h平均值(200mg/m3)。余热回收工况最大落地距离减小了17.6%,减小了污染范围。
6 结论
①系统减排总量:通过对烟气余热深度利用系统进行实测得出,测试工况下,系统排放总量减少了14.7%。分析其贡献率包含两部分,一部分是燃料的节省降低了排放总量,这部分贡献即节能贡献率,约为9.5%,另一部分是采用了吸收式烟气余热回收装置使得污染物浓度降低,对总排放量的贡献约为5.2%。
②NOx最大落地浓度的影响因素:燃料节省和排烟温度降低均对NOx最大落地浓度产生影响。随着燃料的节省,NOx最大落地浓度减小;随着排烟温度的降低,NOx最大落地浓度增加。排烟温度降低对NOx最大落地浓度的影响更为显著,使得总的趋势是随着排烟温度的降低,NOx最大落地浓度增大。
③余热回收工况NOx最大落地浓度略有增加,但是迅速衰减。无论是哪一种工况,其排放均远低于GB 3095—2012《环境空气质量标准》中的二类区NO2的1h平均值(200mg/m3);且余热回收工况最大落地距离减小了17.6%,减小了污染范围。
④随着排烟温度的降低,对烟气扩散的总体影响较小,在烟气余热回收技术的推广应用过程中,利用该项技术的燃气锅炉房均不必要重新进行环境影响评价。
 
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