实现天然气热能全部利用-烟气源热泵供热节能技术简介-天然气烟气源热泵供热节能技术
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实现天然气热能全部利用-烟气源热泵供热节能技术简介

时间:2017-10-16 8:06:36   作者:李崇兴   来源:网友投稿   评论:0
内容摘要:北京浩特沃特节能科技公司烟气源热泵供热节能技术在中小锅炉的应用已经较为成熟,有运行3年以上工程案例,取得了良好的节能减排效果。在大型工业锅炉和燃气电厂的应用已经起步,通过研发大功率热泵单机和撬装设备完善工艺流程并进行样板工程的建设
实现天然气的热能全部利用--烟气源热泵供热节能技术简介

北京浩特沃特节能科技公司  教授级高工  李崇兴

“十三五”时期,我国能源发展面临前所未有的机遇和挑战,天然气在能源革命中占据重要地位。随着国民经济快速发展、人民生活水平的提高和环保要求的不断提升,到2020年,城市燃气和工业燃料应用将占到用气总量的60%以上。特别是在发电的燃料结构中,天然气的比重将进一步提升。京津冀鲁、长三角、珠三角等大气污染重点防控区,将有序发展天然气电站和天然气分布式能源。根据国家发改委规划,2020年我国天然气供应能力将比目前翻一番达到或超过4000亿立方米。

为了改善大气质量,北京市大力推进煤改气工程,目前,天然气已全部覆盖六环以内的区域,北京市每年消耗的天然气从2004年的25亿立方米到2016年已达到168亿立方米,天然气需求量以超过8%每年的速率增长,预计在2020年前将达到200亿立方米。其中冬季采暖消耗的天然气已占到全年消耗量的60%以上,2016年采暖期间的用气量将达到118亿立米。

天然气是清洁能源,理应将其热能全部转化利用,但是,天然气热能利用率的现状并不尽人意,采暖锅炉的热能利用率普遍低于80%(以高热值计)。大型燃气轮机一次发电效率不超过40%,燃气-蒸汽联合循环发电效率不超过60%,热电联供技术也仅达到80%,有超过20%的热能通过烟筒排放到空中,不但浪费了宝贵的能源,而且还对大气环境造成了影响。因此,提高天然气的热能利用率是改善环境,消除雾霾,减排二氧化碳的有效措施,是实现我国未来能源可持续发展的重要途径。研发和推广天然气热能全部回收利用的技术是当务之急,刻不容缓。

近年来,随着节能技术的发展和专家学者对烟气中潜热回收的深入研究,出现了许多“天然气烟气全热回收”的方法和技术装备,排烟温度也呈下降的趋势,从普遍采用一级换热回收的60-70℃排烟温度到冷凝锅炉的40℃,从吸收式热泵的30℃排烟到烟气源热泵的15℃甚至更低。供热信息网了解到这些技术的研发者都声称实现了烟气余热的“全热回收”。甚至有的锅炉安装了一级余热回收装置(排烟温度70℃)就在铭牌上标注“锅炉热效率98%”。因此,对燃气设备的烟气余热利用应当有一个统一的规范和标准,才能更好的促进烟气余热回收的节能技术的研究和发展。

一、当前天然气热能利用的现状
由于天然气的成分主要是甲烷(CH4),燃烧后生成水,在锅炉气化为过热水蒸气随烟气排出。1立方米的天然气燃烧后生成1.55公斤的水,所携带的气化潜热约占天燃气低热值的10%以上。如果能将烟气温度从180℃降到20℃,其可回收的热能(显热和潜热)可占到天然气总热值的20%左右。以北京为例,2016年冬季金沙电玩城消耗的天然气118亿立米,如果通过烟气余热回收技术将排烟降到20℃,回收的热能至少节约15亿立米的燃气。

目前,燃气锅炉的烟气余热回收较普遍的做法是在锅炉烟筒上安装一级汽水换热器余热回收装置,仅收回燃气热值的3-5%的热能,烟气温度仅能降到60-80℃,还有部分显热和大量的潜热未被回收利用。由于烟气的冷凝温度为59℃左右,只有将烟气温度降到冷凝温度以下,才能回收烟气中的潜热,实现大幅度的提高天气的热能利用率的目标。为此,研究者选择了热泵循环制冷的方法将烟气潜热回收并用热泵提高至供热温度。目前,采用热泵回收烟气余热有两条技术路线:一是采用吸收式热泵(溴化锂直燃机),利用高温蒸气或燃气补燃作为热泵的驱动源,排烟温度一般为30℃左右;二是采用电动热泵(涡旋式、离心式或螺杆式压缩机),用电作为热泵的驱动源,排烟温度已降到15℃甚至更低。这两条技术路线分别适用不同的锅炉规模、能源价格、安装场地和供热对象。

烟气源热泵供热节能技术是教授级高级工程师李崇兴研究成功的发明专利技术。2011年3月,北京机械工程学会鉴定委员会鉴定认为,该技术实现了多种节能技术的综合运用,集成系统达到了国内领先水平;2012年3月,经北京节能技术检测中心检测,该供热系统输出功率与输入电功率比(EER值)为7.91。2012年4月获得了国家发明专利权,2012年6月和2014年6月,两次列入北京市2012年节能低碳技术产品推荐目录。2014年6月,列入北京市科委公布的北京地区大气污染防治技术和产品目录。2015年9月列入国管局公共机构节能节水技术产品目录,2015年11月列入国家发改委国家重点节能技术目录。

二、烟气源热泵供热节能技术要点

1、技术原理
烟气源热泵供热节能技术采用三级降温两级换热的工艺流程,将燃气锅炉烟气中的热能梯级回收利用,特别是利用烟气源热泵吸收低品位热能特点,将60℃以下的烟气中的潜热回收,回用到金沙电玩城或供应热水,最终排烟温度降到15℃,实现了烟气中的热能的全热(显热和潜热)回收利用。
2、工艺流程
第一级降温、换热是将120℃的烟气通过气-水换热器降至60℃,水温提升6-7℃;第二级降温是通过混合降温器将烟气从60℃降到30℃;第三级降温、换热是通过烟气源热泵将烟气降到15℃后排放,水温提升6-7℃。三级降温烟道串联连接,二级换热的热水管道可串联和并联。烟气降温过程中凝结的冷凝水吸收烟气中的部分氮氧化物,实现了节能减排。        
实现天然气热能全部利用-烟气源热泵供热节能技术简介

3、主要功能
(1)节能    将燃气锅炉烟气温度降到15℃,天然气的热能全部利用,可收回锅炉负荷的15-20%的热能,相应的节约天然气耗量。 
(2)降低供热成本  烟气源热泵供热的运行成本比燃气锅炉降低60%以上。
(3)消峰填谷    冬季是北京市天然气用气高峰,本技术可以消减10-15%天然气消耗量,起到消峰的作用。本技术可利用低谷电和平峰电供热,充分利用谷电资源,提高电能的利用效率。
(4)节水  5吨锅炉每天回收冷凝水4-6吨,经过处理可代替软化水,节约自来水。
(5)减排    烟气中氮氧化物溶到冷凝水中,减少对大气的污染,起到减排的作用。经测试,氮氧化物的减排率为10%左右。
(6)投资回报率高     用于冬季采暖时,设备静态投资回收期为3-3.5年。用于冬季采暖+全年供热水时,烟气源热泵在非采暖季节为空气源工况,可加热生活、生产热水,比燃气锅炉加热成本降低50%以上,静态投资回收期为1.5-2年。

三、烟气源热泵供热节能技术分析
1、为什么将最终排烟温度定为15℃
首先,要明确烟气余热的“全热回收”的概念和基准条件。“全热”是针对天然气的高位热值而言,天然气的高位热值是指“每标准立方米燃气完全燃烧后,其烟气被冷却至原始温度,而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量”,相应的,“每标准立方米燃气完全燃烧后,

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