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技術文章

實現天然氣熱能全部利用-煙氣源熱泵供熱節能技術簡介

時間:2017-10-16 8:06:36   作者:李崇興   來源:網友投稿   評論:0
內容摘要:天然氣是清潔能源,理應將其熱能全部轉化利用,但是,天然氣熱能利用率的現狀并不盡人意,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電效率不超過40%...
實現天然氣的熱能全部利用--煙氣源熱泵供熱節能技術簡介

北京浩特沃特節能科技公司  教授級高工  李崇興

“十三五”時期,我國能源發展面臨前所未有的機遇和挑戰,天然氣在能源革命中占據重要地位。隨著國民經濟快速發展、人民生活水平的提高和環保要求的不斷提升,到2020年,城市燃氣和工業燃料應用將占到用氣總量的60%以上。特別是在發電的燃料結構中,天然氣的比重將進一步提升。京津冀魯、長三角、珠三角等大氣污染重點防控區,將有序發展天然氣電站和天然氣分布式能源。根據國家發改委規劃,2020年我國天然氣供應能力將比目前翻一番達到或超過4000億立方米。

為了改善大氣質量,北京市大力推進煤改氣工程,目前,天然氣已全部覆蓋六環以內的區域,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化利用,但是,天然氣熱能利用率的現狀并不盡人意,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電效率不超過40%,燃氣-蒸汽聯合循環發電效率不超過60%,熱電聯供技術也僅達到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,而且還對大氣環境造成了影響。因此,提高天然氣的熱能利用率是改善環境,消除霧霾,減排二氧化碳的有效措施,是實現我國未來能源可持續發展的重要途徑。研發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,隨著節能技術的發展和專家學者對煙氣中潛熱回收的深入研究,出現了許多“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。供熱信息網了解到這些技術的研發者都聲稱實現了煙氣余熱的“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一的規范和標準,才能更好的促進煙氣余熱回收的節能技術的研究和發展。

一、當前天然氣熱能利用的現狀
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模、能源價格、安裝場地和供熱對象。

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

二、煙氣源熱泵供熱節能技術要點

1、技術原理
煙氣源熱泵供熱節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℃。三級降溫煙道串聯連接,二級換熱的熱水管道可串聯和并聯。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,實現了節能減排。        
實現天然氣熱能全部利用-煙氣源熱泵供熱節能技術簡介

3、主要功能
(1)節能    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)節水  5噸鍋爐每天回收冷凝水4-6噸,經過處理可代替軟化水,節約自來水。
(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為空氣源工況,可加熱生活、生產熱水,比燃氣鍋爐加熱成本降低50%以上,靜態投資回收期為1.5-2年。

三、煙氣源熱泵供熱節能技術分析
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,

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