烟气深度回收利用技术采用吸收式热泵，由于吸收式热泵能制取非常低的冷水（约10℃）用于回收烟气热量，将烟气的排烟温度降低至30℃以下，烟气节能率达到15%，同时能产生60℃左右的采暖水，适用于大型采暖锅炉排烟余热的深度回收利用。
目前，我国正在加快推进生活及工业用燃气锅炉的应用。然而，国内燃气锅炉的能量利用水平普遍不高，其中烟气排热是最主要的损失形式。
烟气深度回收利用技术采用吸收式热泵，由于吸收式热泵能制取非常低的冷水（约10℃）用于回收烟气热量，将烟气的排烟温度降低至30℃以下，烟气节能率达到15%，同时能产生60℃左右的采暖水，适用于大型采暖锅炉排烟余热的深度回收利用。通过针对吸收式热泵直接接触式回收燃气锅炉烟气进行的理论研究和实验效果表明，采用吸收式热泵可以彻底实现烟气显热和冷凝热的全热回收，锅炉的热效率提高约13%，并去除大部分水蒸气。
本文通过实际改造项目热泵机组在线监测及供暖所记录的实际数据，希望为大型燃气锅炉等热能动力设备的节能改造提供示范和参考。
1、吸收式热泵原理
吸收式热泵主要由发生器、吸收器、蒸发器、冷凝器及其它辅助设备组成。吸收式热泵的原理如下：冷剂水进入蒸发器这个高真空环境中，吸收低温水热量蒸发成冷剂蒸汽。冷剂蒸汽进入吸收器内被来自发生器的浓溴化锂溶液吸收，放出热量加热中温水。溶液泵将变稀的溶液泵至发生器并被热源加热，产生冷剂蒸汽和浓溶液。冷剂蒸汽进入冷凝器冷凝成冷剂水并放出热量再次加热中温水，冷剂水则进入蒸发器再次蒸发吸收低温水热量。
吸收式热泵能获得比低温热源高50～60℃且低于95℃的热水。由于热水的热量来自于两部分：一部分回收低温热源的热量；另外一部分来自驱动热源。因此吸收式热泵供热COP（热水热量/驱动热量）可达到1.6～1.8，而传统的供热模式不到0.9。由此可见吸收式热泵供热具有巨大的节能优势。吸收式热泵的驱动热源可以是燃气、蒸汽、高温烟气及高温热水。
2、工程概况
北京某供暖锅炉房为“煤改气”项目，其热源厂为改建热源厂。该锅炉房主要负责156万m2建筑采暖供热。
目前安装有4台以天然气为燃料、供热能力为29MW的燃气热水锅炉，总供热能力116MW。根据以往供暖所统计，初末寒期热负荷为25MW，严寒期热负荷45MW。热网回水温度为45～50℃，供水温度为75～100℃。燃气锅炉已安装有烟气换热器，锅炉最终排烟温度与锅炉负荷和采暖水回水温度有关，变化范围为50～60℃。
3、节能潜力
本次改造的主要目的在于将烟气的温度降温至30℃以下。经理论计算并结合烟气换热器和热泵性能，最终确定热泵低温水出口温度为12℃，采暖水的进出口温度45/60℃。
图1是理论计算的不同温度烟气降温至30℃时烟气余热回收率。当烟气排烟温度高于烟气的露点温度55℃时，回收率呈直线下降趋势，热量主要以烟气显热为主。当烟气温度低于露点时，烟气的回收率急剧降低，说明此阶段烟气热量比较集中，以水蒸气冷凝热为主。本改造项目主要回收烟气冷凝热量，从图1可知由50～60℃降温至30℃时，烟气余热回收率为7.3～11.83%，可见其节能潜力非常可观。
4、改造方案
本项目以供暖所往年采暖基础负荷30MW为依据，采用1台余热回收量为3489kW的直燃热泵回收烟气的余热。
如图2所示，在每台锅炉及直燃热泵的排烟口各安装一套烟气换热器。直燃热泵在天然气驱动下制取12℃低温水送入各烟气换热器，低温水将烟气降温至30℃回收热量后升温至20℃，再经循环泵送入热泵内，形成余热回收循环。45℃的热网回水分两支，一支进入热泵机组，经热泵升温至60℃后与另外一支混合再一起进入锅炉加热。
5、改造运行分析
整个改造项目于2014年底完成，热泵机组稳定运行后开始记录数据。燃气锅炉、直燃热泵低温水和采暖水上分别安装热量表，每天早上抄录数据。另外热泵机组与制造商的全球联网监控系统连接，每15min对机组数据进行扫描。从双方获取的数据来看，两者统计的数据平均误差在4%以内。
5.1锅炉供热量及热泵回收量
对4台锅炉总的供热量和热泵机组的供热量进行统计，统计结果如图3所示。统计数据从12月9日至次年3月15日共计97天的数据。4台锅炉采用两用两备的运行方式，严寒期开两台锅炉供暖，初末寒期开1台锅炉。锅炉总供热量最大2847GJ，最小1481GJ，平均2286GJ/d，运行时间内总供热量约22.18万GJ。热泵机组低温水余热回收量与锅炉的供热量的趋势基本一致。热泵的供热量最大为556GJ，最小供热量为275GJ，平均471GJ/d，总供热量4.57万GJ。热泵的供热量约占总供热量的17.1%。/燃气热量）在1.65~1.72之间波动，平均COP1.685，比设计的额定COP略小。主要是因为直燃热泵的性能受采暖水的回
水温度影响，在严寒期由于供热的回水温度高于45℃，与热泵机组的设计值有一定偏差，造成热泵机组的性能下降。
余热热量曲线反映了整个系统的节能成果。节能量随着每天的锅炉的负荷变化而变化，最大单日节能量为228GJ，最小为110GJ，整个运行期总节能量为1.846万GJ，约占总供热量的6.9%。
5.2热泵运行性能
分别采集低温水、采暖水热量表数据，热泵上燃气流量计数据并按8300kal/Nm3进行折算，分析整理所得的运行曲线如图4所示。
从图4可以看出，三条曲线的趋势基本一致，表明直燃热泵机组运行具有很好的稳定性。机组的供热COP（总供热量/燃气热量）在1.65~1.72之间波动，平均COP1.685，比设计的额定COP略小。主要是因为直燃热泵的性能受采暖水的回水温度影响，在严寒期由于供热的回水温度高于45℃，与热泵机组的设计值有一定偏差，造成热泵机组的性能下降。
余热热量曲线反映了整个系统的节能成果。节能量随着每天的锅炉的负荷变化而变化，最大单日节能量为228GJ，最小为110GJ，整个运行期总节能量为1.846万GJ，约占总供热量的6.9%。
5.3热泵机组的运行策略
整个改造工程的目的在于将烟气降至更低的温度，提高烟气余热的回收率。在某些工况，比如：锅炉供热在部分负荷下时，热泵机组负荷余量较大，热网回水温度较低，这些对系统而言都是有利因素。通过降低直燃热泵机组的低温水温度来获得更高的节能率。
图5为系统改造节能率曲线图（余热回收量/锅炉供热量）。在2月12前，系统的平均节能率为8%，而2月12日后，锅炉的负荷由2400GJ下降至2000GJ左右（如图3）。通过对热泵机组的参数进行优化，将低温水的温度调整到10℃以下（根据采暖回水的情况确定具体温度），烟气排烟温度降至26℃。从调整的结果来看，节能率有明显提高，平均节能率达到8.83%。
6、节能改造的经济和环保效益
从统计分析的各项数据来看，热泵机组运行的97天内，平均每天从烟气中回收190GJ热量，如果按运行一个完整采暖季计算，回收热量将达到2.28万GJ，折合成天然气相当于65.6万m³，当地天然气价格为2.67元/m³，节省175万元，投资回收期约3年。
烟气中的水蒸气被低温水冷凝后，大部分从烟气中脱除。根据实际测试的数据，烟气降温至30℃，每立方米天然气可以出冷凝水1.24kg。经过热泵降温后，脱除了烟气中80%水蒸气，整个采暖季可消除813吨水蒸气，达到消除“白烟”的目的。
烟气冷凝过程中，烟气中的部分烟尘、NOX和SOX会随冷凝水一起排出。将凝水进行分析，pH值为5，呈弱酸性，凝水内检测出微量CO3₂-、SO4₂-、NO3-，说明水蒸气冷凝对烟气有一定净化作用。冷凝水经处理后可以再回收利用。
7、结论
实践表明采用直燃热泵机组能将烟气的温度降至30℃以下，烟气热量的回收率达到8.3%；烟气冷凝也起到消除“白烟”、减少污染物排放的作用。此种改造方式对于北方燃气锅炉供暖的形式而言可以缓解能源压力、改善空气质量具有重要的现实意义。
以北京为例，原有煤锅炉都已改成燃气锅炉，造成采暖用气量的急剧上升，2014~2015采暖季日均天然气消耗超过1亿m³，而锅炉的排烟温度普遍在160℃以上，如果采用直燃热泵对烟气进行深度回收利用，可将节能率提高17%，年减少天然气消耗20.4亿m³，减排二氧化碳408万t，减少水蒸气排放25万t等。
原标题：直燃热泵回收燃气锅炉排烟余热的工程应用分析
