1、天然氣煙氣全熱回收技術及應用 趙璽靈 清華大學建筑節能研究中心 15801207266， 主要內容 余熱回收工藝及關鍵技術 推廣應用及經濟社會效益 技術背景 提高天然氣的供熱效率 技術背景提高天然氣的供熱效率意義重大 嚴寒期氣源保障困難氣荒問題 經濟成本高政府財政補貼負擔重 天然氣供熱需要解決的問題 天然氣供熱的比重越來越大 關鍵 3 *2017北京市用氣比率 技術背景 全熱=顯熱+潛熱 現狀系統排煙溫度約8090度 燃氣燃燒反應方程式 CH4+2O2=CO2+2H2O 降低排煙溫度，充分回收煙氣熱量。 1Nm3 天然氣燃燒后產生1.65kg水蒸氣。 降到20，可使效率提升15%-20%。 以
2、北京為例，每年可節省立方米。 010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 80.0 84.0 88.0 92.0 96.0 100.0 104.0 108.0 112.0 過量空氣系數 排煙溫度（） 天然氣低位熱值效率（%） 提高天然氣供熱效率的途徑 露點溫度區間 如何提高天然氣的供熱效率？ 提升 15%-20% 20億 4 技術背景 國內外技術路線 技術路線1：省煤器技術路線2：空氣預熱器 *基于熱網回水溫度50度左右條件下。 熱網50 回水 省 煤 器 燃氣鍋爐 天然氣 空氣 0 熱網回水 65 熱網供水 120 空 氣 預 熱
3、器 天然氣 空氣 40 熱網供水 120 熱網回水 50 空氣 0 燃氣鍋爐 煙氣 100 排煙 50 煙氣 100 排煙 50 上述兩種技術，效率提高值僅在5%以內。 常規技術僅能將排煙 溫度降至約50 5 技術背景 若要進一步回收煙氣全熱，有兩個難題： 如何將煙氣中露點溫度以下的低品位全熱（20-50）取出， 用來加熱50以上的熱網水？ 煙氣冷凝水呈酸性，嚴重腐蝕換熱面。 6 技術發明背景 創新思路利用高溫煙氣的顯熱驅動回收低溫煙氣全熱 總體思路 熱網回水 熱網供水高溫煙氣 排煙20 高溫顯熱Q1熱網熱量Q3 Q1+Q2=Q3 50 20-50 低品位煙氣全熱 吸收式 熱泵 低溫全熱Q2
4、7 間壁式 換熱器 不額外消耗 技術發展歷程 2000年 開始研究煙氣余熱回收技術 2010 天津西站項目 2011年 東壩鍋爐房煙氣余熱回收項目 2012-2013年 北京市科委兩大示范工程 2000年，在清華提出 2005年，在清華大學超低能耗示范樓建立熱電冷三聯供系統（間壁式換熱器） 2008年，北京南站熱電冷三聯供系統（間壁式換熱器） 開發出專用于煙氣余熱深度回收項目的吸收式熱泵 采用間壁式換熱器 該技術首次應用于燃氣鍋爐煙氣余熱回收 采用直接接觸式換熱器 2015年 巴黎氣候大會 該技術首次應用于燃氣電廠煙氣余熱回收項目 巴黎氣候大會中國三大推薦技術之一 通州竹木場鍋爐煙氣余熱回收
5、北京總后63號院鍋爐煙氣余熱回收 2017年 北京市科學技術獎一等獎 獲該領域唯一獎項“首都藍天科技示范工程”獎 北京市科學技術獎一等獎 技術背景 冷凝水 技術背景 創新思路利用高溫煙氣的顯熱驅動回收低溫煙氣全熱 總體思路 熱網回水 熱網供水高溫煙氣 排煙20 高溫顯熱Q1熱網熱量Q3 Q1+Q2=Q3 直接 接觸 式換 熱塔 60 中和 自動加堿 裝置 20-50 低品位煙氣全熱 吸收式 熱泵 低溫全熱Q2 9 實現余熱回收、減排 與節水的一體化 不額外消耗 避免了傳熱面的腐蝕問題 換熱效果增強，端差不到2 阻力大幅減小 體積為間壁式的20%50% 減排NOx 技術發明背景 排煙溫度20 總
6、體思路 燃氣鍋爐供熱新流程 燃氣內燃機熱電聯產 供熱新流程 燃氣輪機熱電聯產 供熱新流程 產業化并 推廣應用 1 2 3 燃氣內燃機 熱電聯產供熱 燃氣輪機 熱電聯產供熱 燃氣鍋爐 供熱系統 余 熱 回 收 機 組 與 直 接 接 觸 式 換 熱 塔 10 主要內容 技術背景 推廣應用及經濟社會效益 余熱回收工藝及關鍵技術 新流程1燃氣鍋爐供熱新流程及裝備 排煙80 一次網回水 鍋爐 受熱面 燃氣 一次網供水 鍋爐 燃燒室 常規系統 12 新流程1燃氣鍋爐供熱新流程及裝備 鍋爐 受熱面 燃氣 一次網回水 一次網供水 高溫 煙氣 燃燒室 吸收式 熱泵機組 排煙20 回收冷凝水 換 熱 塔 授權發
7、明專利9項 鍋爐 供熱效率提高10%以上 11 20-50 新流程1 裝備研發2：直接接觸式換熱塔 燃氣鍋爐供熱新流程及裝備 噴嘴試驗臺不同噴嘴壓力-流量特性曲線 氣動力 表面張力 液滴 粒徑 噴嘴 霧化角 貫穿距 實心錐 空心錐 螺旋噴嘴霧化全息照片 機理研究實驗研究 直接接觸式換熱 掌握粒度、水汽比、霧化壓力等諸多規律 解決了低壓頭霧化、最優水氣比選擇、 流場優化、高效除霧、防腐等技術難題 旋流除霧器流場模擬 兩級旋流除霧器實測性能 噴嘴霧化 14 新流程1燃氣鍋爐供熱新流程及裝備 新系統的優化設計與運行技術支撐體系 揭示冷凝換熱器和熱泵之間的參數匹配規律 余熱回收系統與原供熱系統之間的優
8、化匹配方法 提出系統啟停、調節、安全運行方法及控制策略 用戶側負荷需求用戶側負荷需求 系統模型系統模型 系統配置系統配置 優化運行優化運行 年凈收益或年凈收益或 投資回收期投資回收期 最優最優 最優配置最優配置 結束結束 是是 否否 改變配改變配 置參數置參數 初投資年等值費用初投資年等值費用 年減少運行能耗費用年減少運行能耗費用 天然氣 煙氣 吸收機 冷凝換熱器 冷卻水 冷凍水 T T T T 控制器 伺服放 大器 伺服放 大器 AO RS485通訊 計算 機 AO 煙閥A 煙閥B 內燃機 AIAI AIAI 實時冷卻水溫 度 熱泵煙閥開度 實時冷凍水溫 度 煙氣冷凝換熱 器煙閥開度 吸收機
9、主控板 供熱溫度 目標值 冷凍水溫度 范圍 RS485報警 Break 執行關機程序 發電 功率 手動 調節 檢查冷凍水冷 卻水流量 有 開熱泵煙閥 冷水出水降至 設定溫度 開煙氣冷凝換 熱器煙閥 RS485報警 報警并關閉 熱泵煙閥 開機 否 是 是 BREAK 進入調節命令 換熱面積對排煙溫度的影響 鍋爐房費用隨排煙溫度的變化優化配置流程系統變工況控制原理新流程控制系統原理圖 供熱工況系統開機流程 15 新流程2燃氣內燃機熱電聯產供熱新流程及裝備 煙氣 80 發電 常規流程 用戶供熱 中冷水 換熱器 燃氣內燃機 煙氣 換熱器 高溫煙氣 缸套水 換熱器 缸套水 16 新流程2 發電 用戶供熱
10、 中冷水 換熱器 燃氣內燃機 排煙20 輸出熱量提高30%以上 換 熱 塔 高溫煙氣 缸套水 熱 泵 機 組 吸 收 式 新流程 燃氣內燃機熱電聯產供熱新流程及裝備 新流程 獲得系統及核心設備的發明專利9項 17 新流程3燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產供熱新流程及裝備 排煙約80 汽輪機 空氣 天然氣 大型燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產供熱系統 煙氣余熱占電廠 原供熱量的40% S 汽水 換熱器 蒸汽 熱網回水 熱網供水 排汽 余熱 鍋爐 露點約40 過量空氣系數大 煙氣量大，排煙熱損失大 露點溫度低，余熱品位低 18 新流程3燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產供熱新流程及裝備 汽輪機 空氣 天然氣 S 蒸汽 對燃
11、氣蒸汽聯合循環熱電聯產系統，發明了源網一體化煙氣乏汽協同回收新流程 熱網供水 熱網回水 大 型 換 熱 塔 排煙20 排汽 解決了困擾燃氣電廠供熱能力不足（熱電比?。?、燃氣消耗量大的問題，輸出熱量提高40%以上 板式 換熱器 吸收式 熱泵機組 授權中國發明專利7項 國際發明專利1項 余熱 鍋爐 19 與常規技術比較 提高供熱效率 10%-15% 燃氣內燃機熱電聯 產供熱系統 省煤器本技術 排煙溫度 提高供熱效率，%3.4%30% 排煙溫度均降到20度 排煙溫度和供熱效率方面 燃氣鍋爐供熱系統 （比較基準熱網回水50度） 省煤器空氣預熱器省煤器+空氣預熱器本技術 排煙溫度 提高供熱效率，%3.4
12、%3.4%5.3%14.4% 燃氣輪機熱電聯產 供熱系統 擴大省煤器本技術 排煙溫度 提高供熱效率，%9.8%40% 提高供熱效率 30%以上 提高供熱效率 40%以上 投資回收期4年以內無腐蝕問題本技術性能全面優于其他技術 20 20 20 51 55 55 80 80 20 主要內容 技術背景 余熱回收工藝及關鍵技術 推廣應用及經濟社會效益 知識產權情況 序號名稱專利證授權號 1發明專利利用吸收式熱泵回收煙氣余熱的集中供熱系統201110110470.X 2發明專利一種以高溫煙氣和熱水為驅動熱源的地溫能供熱制冷機組201019114092.5 3發明專利一種以燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產為主的
13、能源供應系統201010141597.3 4發明專利熱泵型燃氣鍋爐余熱回收機組200910238452.7 5發明專利一種新型吸收式氣-水換熱機組200910089209.9 6發明專利一種增熱型熱電冷聯供系統201010116782.7 7發明專利以高溫氣體為熱源的吸收式供熱制冷一體機200910087691.2 8發明專利一種能夠實現液位自動穩定的蒸發裝置201410029503.1 9發明專利用于煙氣余熱回收的填料塔201410397371.8 10發明專利基于溶液吸收循環的煙氣余熱回收系統201010238743.5 11發明專利回收燃氣蒸汽循環熱電廠煙氣余熱的吸收式熱泵供暖裝置113
14、9760.8 12發明專利利用燃氣蒸汽循環熱電廠煙氣余熱的吸收式熱泵供暖裝置1139761.6 13發明專利一種適于大溫差、可充分利用能源的溴化鋰吸收式制冷機1115340.7 14發明專利一種直燃型吸收式冷熱水機組1144419.3 15發明專利一種以燃氣輪機為動力的雙聯熱泵式熱電聯供系統3109716.2 16發明專利一種以內燃機為動力的熱泵式熱電聯供系統3109718.9 17發明專利一種以內燃機為動力的雙聯熱泵式熱電聯供系統3109719.7 18發明專利以固體氧化物燃料電池為發電裝置的熱泵型熱電聯供系統200910081746.9 19發明專利一種開式吸收式熱泵20111020086
15、4.4 20實用新型煙氣余熱回收的系統201420456128.4 21實用新型用于鍋爐煙氣余熱回收的分布式監控系統201520466200.6 22實用新型用于收集煙氣中冷凝水的系統201520437918.2 23實用新型余熱回收塔201520437919.7 24實用新型燃機背壓保護裝置201520437936.0 25實用新型基于熱電聯產鍋爐煙氣余熱回收裝置201420681923.3 26實用新型煙氣余熱回收裝置201420469712.3 27實用新型天然氣煙氣余熱余熱回收利用及凈化系統201520688121.3 28實用新型用于煙氣余熱回收的填料塔201420456128.4
16、29實用新型一種燃氣內燃機熱電冷聯供系統200820079067.9 30國際發明專利 Gas-Steam Combined Cycle Centralized Heat Supply Device and Heat Supply Method PCT/CN2015/089348 31國際發明專利一種低氮高效的煙氣余熱回收裝置PCT/CN2015/096996 32國際發明專利適于主動配電網的蓄能型熱電冷聯供裝置及其運行方法PCT/CN2015/096997 授權中國及國際發明專利26項，實用新型專利15項，研究論文95篇。 22 推廣應用燃氣鍋爐供熱系統 總后煙氣全熱回收項目 降低供熱成本2
17、86萬元/年 余熱回收量3.18萬GJ/年 竹木廠煙氣全熱回收項目 降低供熱成本290萬元/年 余熱回收量3.3萬GJ/年 北京永安熱力有限公司南環供熱廠 煙氣全熱回收項目 降低供熱成本763萬元/年 余熱回收量8.48萬GJ/年 燕山石化星城鍋爐房煙氣全熱回收 項目 降低供熱成本280萬元/年 余熱回收量3.0萬GJ/年 大龍熱力裕祥鍋爐房煙氣全熱回收 項目 降低供熱成本76萬元/年 余熱回收量0.85萬GJ/年 昌平永安熱力有限公司沙河鍋爐房 煙氣全熱回收項目 降低供熱成本48萬元/年 余熱回收量0.53萬GJ/年 23 推廣應用大型燃氣輪機熱電聯產供熱系統 在未來城熱電廠中應用已立項或啟
18、動的項目 北京高安屯燃氣熱電廠 海淀北部燃氣熱電廠 通州能源中心 高井燃氣熱電廠 24 推廣應用應用效果 0 10 20 30 40 50 60 煙氣溫度（） 煙氣進口溫度 煙氣出口溫度 已有項目連續運行7年以上 總后案例：排煙溫度至20開機前排煙情況開機后排煙情況 減少 白煙 項目運行穩定可靠 25 推廣應用已實施工程 在北京、天津、山西、山東、河北、內蒙古等11個省市獲得大規模應用。 應用項目名稱狀態 涉及供熱面積 （萬） 額定余熱回收功率 （MW） 新增供熱面積 （萬） 北京市昌平區京能未來城科技城電廠煙氣全熱回收項目已實施7002453 北京市昌平區永安熱力有限公司南環供熱廠煙氣全熱回
19、收項目已實施375818 北京市昌平區永安熱力有限公司北環供熱廠煙氣全熱回收項目已實施265613 北京市朝陽區望京藍天鍋爐房煙氣全熱回收項目已實施14037 北京市豐臺區總后鍋爐房煙氣全熱回收項目已實施7037 北京市通州區竹木廠鍋爐房煙氣全熱回收項目已實施20037 北京市房山區燕山石化星城鍋爐房煙氣全熱回收項目已實施9637 北京市順義區大龍熱力裕祥鍋爐房煙氣全熱回收項目已實施320.82 北京市昌平區永安熱力有限公司沙河鍋爐房煙氣全熱回收項目已實施210.51 北京市朝陽區東壩鍋爐房煙氣全熱回收項目已實施850.20 山西省太原市供熱站煙氣余熱回收項目已實施-2556 天津西站煙氣全熱
20、回收項目已實施351.43 山東省濟南西苑換熱站煙氣全熱回收項目已實施731.53 山東省濟南北郊電廠煙氣全熱回收項目已實施351636 26 實現節能減排 年節約天然氣1.2億m3 減排19.4萬tCO2/年 減NOx排放210t/年 已實現的社會效益 節能減排與低碳技術成果轉化推廣清單（第二批）（2015） 國家重點節能技術推廣目錄（2015） 列入科技部和發改委節能減排推廣目錄 2015年，代表中國節能減排自主技術， 在巴黎氣候大會上向世界展出 已實施項目 促進節能環保產業發展 吸收式制冷企業參與制造，帶動 行業發展 促進產業結構優化升級，增加就業 崗位，拉動經濟 經濟社會效益 27 預計在北方地區推廣后，節能-每年節氣60億m3 致 謝 趙璽靈 清華大學建筑節能研究中心 15801207266，
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