烟气冷凝热回收方案设计与计算

1、烟气冷凝热回收方案设计与计算 目录一、研究背景3二、研究问题3三、方案设计及计算41.方案一计算42.方案二计算103.1给定方案计算103.2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16一、 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

2、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

3、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

4、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

5、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（）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

6、中编制程序计算各处的流量。t1_out=95 %输入已知参数t2=t1_outt3_in=50t3_out=35t3=50t4=t3t1_in=70h1_out=ENTHALPY(Water,T=t1_out,x=0) %计算各处水的焓值h2=h1_outh3_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=h3h1_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*

7、h4=G3*h3_in %利用混水的能量守恒G3*h3-G4*h4+G2*h2=G1*h1_inG1=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3550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

8、 %给定房间侧水流量为1000kg/hG1*h1_out-G2*h2+G4*h4=G3*h3_inG3*h3-G4*h4+G2*h2=G1*h1_inG1=G2+G3-G4q=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t0_in=130Q0=G3*(h3-h3_out) %Q0表征换热器中水侧的换热

9、量t0_out=t0_in-Q0/(V*c) %先只考虑显热，以此算得的排烟温度估算t3范围以t3在3550的范围代入进行运算可得如下计算结果：由表中数据可以看出，由于天然气热值较大，导致其能加热的水量很大，因此可以提供给烟气的热量相对很多而烟气量相对很少，因此烟气降温很低，换热器侧出水38时，可以看出此时试算出的温度（未考虑潜热）已为负值，因此进一步细算得到如下结果。查得烟气露点温度与过量空气系数关系如右图所示，查图可得对于本题分析中采用的陕甘宁天然气在过量空气系数为1.1的情况下产生的烟气其露点温度约为57，因此，对于换热器出水温度35.6以上的情况进行显热+潜热校核计算。烟气潜热计算关于

10、烟气潜热计算的方法已有多篇文献进行论述，但是由于条件所限对于本问题的解决并不适合，因此根据查得的文献采取了多种方法进行简化计算用以解决本问题中关于烟气潜热计算的问题，其中下述方法比较好的达到了目的。在田贯三等用天然气烟气废热做低温热源热泵循环的分析一文中，通过干烟气和饱和水蒸气的状态方程等得烟气饱和时的含湿量如下：其中烟气的分压力，水蒸气在温度T下的饱和蒸汽压再根据天然气的组成等条件得到烟气中水蒸气冷凝率 文中定义水蒸气冷凝率为“烟气中水蒸气冷凝率等于单位体积天然气燃烧产生的烟气所产生的凝结水量与燃烧所产生水蒸气量得比值”满足如下等式：其中烟气中水蒸气冷凝率，燃烧空气相对湿度根据此式可计算得到

11、烟气中水蒸气冷凝率与烟气温度关系如右图所示。为了直观的得到冷凝率与排烟温度的关系，可以对曲线进行拟合得到二者的关系式为： = -7E-06t3 + 0.0002t2 - 0.0078t + 1.0075因此可编制EES程序在需要潜热计算的温度范围内进行潜热计算。B=G1*(h1_out-h1_in)/(q*0.8)V=11.39*Bc=1.374631t0_in=130Q0=G3*(h3-h3_out) %Q0表征换热器中水侧的换热量Q1=V*c*(t0_in-t0_out) %Q1表征烟气换出的显热部分Q2=Q0-Q1 %Q2表征烟气换处的潜热部分r=2508.66 %r表征水蒸气的气化潜热

12、m_water=Q2/r % m_water表征烟气中冷凝出来水的质量fai=m_water/(B*0.7174*2.26) %fai表征烟气冷凝率fai=-7*10(-6)*t0_out3+0.0002*t0_out2-0.0078*t0_out+1.0075 %fai与排烟温度满足上文得到的关系式数据说明：在fai=m_water/(B*0.7174*2.26)中分母表示的是烟气中总的水蒸气质量，其中B为所用天然气体积，0.7174表示天然气的密度，2.26表示单位质量天然气燃烧后的水蒸气质量。对上面试探出的t3温度范围内的情形进行计算，得结果如下（全部都考虑有潜热交换的情况以确定t3温度

13、上限，之后整体分析时再将所得结论与上文t335.6时未达烟气露点无潜热交换结论结合计算）：从表中可以看出，当换热器出口回水温度达到37时，烟气出口温度为34.94，比换热器回水进出口温度均高，因此，不可能实现。故换热器出口水温降不到37，可将其视为回水换热后的上限温度。整体综合分析根据前面关于t3范围的确定以及排烟温度的计算方法探讨可以计算在可行运行情况下的排烟温度及天然气利用效率。编制EES程序进行计算：deltat1=t0_in-t3_outdeltat2=t0_out-t3deltat=(deltat1-deltat2)/ln(deltat1/deltat2) %计算换热对数温差KF=Q

14、0/(deltat) %计算换热器的参数KFeita=(G1*(h1_out-h1_in)+Q0)/(q*B) %计算有天然气利用效率对整体运行范围计算可得如下结果：换热器出水温度t3换热器KF排烟温度T0out天然气利用效率35.14.706118.10.805435.210.16106.10.810835.316.6593.940.816335.424.7281.590.821935.535.4269.070.827635.6456.6555.040.835935.7971.553.650.844435.9387.652.160.853136.08105.450.540.861936.22

15、125.548.770.87136.37149.246.840.880236.51178.544.690.889636.6621942.280.899336.8289.639.530.9091由此数据可作出天然气利用效率（）排烟温度（t）曲线及换热器KF排烟温度（t）曲线如下：在“比较探讨”部分将对曲线进行进一步分析。2. 方案二计算1233.1 给定方案计算估算工作状态根据题目要求各设备的进出口状态，考虑吸收机的一系列要求，设计估算吸收机各部分的工作状态：锅炉热水作为高温热源进出口温度分别为95、75，发生器的最高温度设计为70；房间回水先通过吸收器冷却再通过冷凝器进行冷却。对于吸收机，其进

16、口冷却水为35，考虑希望其尽量多换热，因此设定吸收器最低温度45；之后冷却水通过冷凝器冷却水出口设计为52，吸收机冷凝温度即设定为55。对于蒸发器，因为烟气露点温度为57，为了回收尽量多的冷凝热，因此蒸发温度考虑设计为23。可行性分析当采用原始给定方案时，利用锅炉高温出水作为发生器的热源，需要将其从90降至50，而冷却水需要从35升高至70，同时还要使得烟气冷凝，从能量守恒及流量守恒的角度可以发现对于单一利用吸收机而不采取其他措施的情况，无法实现。若按照前面估算的空气状态设计吸收机，则无法满足高温热水、房间回水、烟气三方面的要求，因此，我们设计了扩展方案并进行计算。3.2 扩展方案设计及计算3

17、.2.1 扩展方案一根据上文对于给定的初步方案的不足，我们设计了扩展方案一，其主要工作原理是通过吸收机发生器初步降温的锅炉出水和通过吸收机吸收器和冷凝器初步升温之后的房间回水再经过换热器进行一次换热，使其达到题目给定的工作需求。先考虑吸收机的工作情况，在其压焓图上标示出标示其状态的各状态点，然后利用EES编制程序可以计算出各点的状态参数如下所示：根据计算出的表中各状态点参数，可以计算出单位制冷剂流量下的换热量等参数：设备名称 负荷量/单位制冷剂流量 蒸发器（冷负荷）q0 2308 发生器qg 3281 吸收器qa 3179 冷凝器qk 2410 热交换器qt 1158 COP 0.703 由此

18、可以发现设计的吸收机是可行的。接下来，我们需要考虑吸收机外部的平衡问题：首先根据方案图中标注的水流流向，可以发现换热器两边的流量相等，因此其换热温差应该是相等的。此时从能量守恒角度可以发现该方案陷入了和原给定基本方案相同的一个困境在满足流量对应的情况下无法满足能量守恒。因为对于此方案，锅炉高温出水经历焓变是发生器放热及换热器换热，房间低温回水经历焓变是吸收器、冷凝器吸热及换热器换热，过程中，其流量一直相等，因此考虑其换热温差粉笔为95 50,35 70，无法满足对烟气冷凝的要求。由此得到启发，欲实现方案要求，考虑设计分流避免上述困境，由此得到方案二。3.2.2 扩展方案二扩展方案二示意图如右图

19、所示。其主要工作原理是：锅炉的95高温出水先通过吸收机的发生器，再通过换热器换热至50送至房间；而房间回水分为两部分，一部分通过换热器，一部分通过吸收机。合理设计温度使得吸收机冷凝器出口水温为50，可以直接供至房间，换热器出口水温为70，可以直接供至锅炉进行加热。采用此方案从整体能量来看是锅炉的高温水由95降至50，与此部分流量相对应的房间回水是由35升至70，由此可以见还有一部分热量剩余；对于通过吸收机部分的房间回水可以认为是通过吸收机实现35水升温至50，由此可见，通过合理设计二者的流量关系可以使得此部分水升温除了利用前面剩余的热量还利用烟气的冷凝热。下面进行具体计算：同样先计算吸收机的运

20、行参数状态，通过编制EES程序可以求得如下表结果：根据计算出的表中各状态点参数，可以计算出单位制冷剂流量下的换热量等参数：设备名称 负荷量/单位制冷剂流量 蒸发器（冷负荷）q0 2308 发生器qg 3281 吸收器qa 3179 冷凝器qk 2410 热交换器qt 1158 COP 0.648 由此可以发现设计的吸收机是可行的。接下来，我们需要考虑吸收机以外的热平衡：g3=1000kg g3=g3_part1+g3_part2 %part1是进入吸收机的回水，part2是不进入吸收机的回水Q_g=g3_part2*(t1_out-t1_g)*4.2 %发生器换热量D=Q_g/qg %制冷剂流

21、量(t3_k-t3_out)*4.2*g3_part1=(qa+qk)*D %第一部分回水吸收的热量，t3_k是从吸收机出来的回水温度t1_g-t3_in=t1_in-t3_k %换热器流量相等，都是水因此温差相同q=34574.4c=1.374631 %天然气热值和体积比热B=g3*(h1_out-h1_in)/(q*0.8) V=11.39*B t0_in=130 %离开锅炉的烟气温度S0=q0*D %S0从烟气吸收的热量 eita=(g3*(h1_out-h1_in)+q0*D)/(q*B) %计算出效率再按照上文方案一中讨论的排烟温度计算方法计算排烟温度即可得到同方案一类似的表格。换热

22、器KF排烟温度T0out天然气利用效率2472122.80.80332449103.70.8119242885.740.82240968.710.8278238554.730.8379229346.940.8797223839.460.9094238554.730.8379233350.770.8607228946.520.8816225642.360.899223138.210.9134221234.010.9256219829.690.9359218725.210.9446由此数据可作出天然气利用效率（）排烟温度（t）曲线及换热器KF排烟温度（t）曲线如下：从图中可以看出换热器KF远大于方

23、案一中的换热器KF，因此现实可行性较低。但是可以看出其随着排烟温度降低，所需的KF较低，即利用了更多烟气的热量，因此倘若供回水温度合适，此种方案的换热器KF不过大时，此种方案还是可以采用的。3.2.3 其他扩展方案除了上述几种方案外，我们也考虑了其他的一些方案：因为锅炉出水90对于作吸收机的热源并不是特别高，因此若利用燃气来驱动吸收机可以获得更多的冷量来冷却烟气，即利用烟气的冷凝热。方案设计图如右图所示。对吸收机的运行情况进行试算后我们认为此种方案较为适合供回水温度较高的供热系统。除了燃气驱动外，我们也思考了烟气作为发生器热源驱动的方案，但是考虑到一方面烟气能量有限，并且其与溶液换热较为困难，

24、需要较大面积，因此认为此种方案也不合适。四、 比较探讨上文对于本研究问题中给定的两种方案进行分析计算探讨，将方案一和方案二的扩展方案二做出的天然气利用效率（）排烟温度（t）曲线进行对比如下：从图中可以看出两种情况的曲线形状基本一致，但是扩展方案二可以使得烟气温度降低至更低温度，因此其燃气利用效率可以达到一更高的程度。之所以两种情况的曲线形状基本一致，是因为两种方案中参与计算的参数是采取的相同的过量空气系数，相同的天然气，相同的烟气成分，因此仅是由于排烟温度不同造成各方案占据的部分不同，形成如上图所示情况。通过上文中的整体分析对比，可以发现对于题目给定的条件（房间供回水温度较低，为供水50、回水35，锅炉出水为95），采用方案一“换热器+混水”的模型较为适合，而采用方案二的“吸收机”模型不能很好的发挥吸收机利用余热将烟气冷至较低温度的能力特性，同时考虑其造价较