1、天然气烟气全热回收技术及应用 赵玺灵 清华大学建筑节能研究中心 15801207266， 主要内容 余热回收工艺及关键技术 推广应用及经济社会效益 技术背景 提高天然气的供热效率 技术背景提高天然气的供热效率意义重大 严寒期气源保障困难气荒问题 经济成本高政府财政补贴负担重 天然气供热需要解决的问题 天然气供热的比重越来越大 关键 3 *2017北京市用气比率 技术背景 全热=显热+潜热 现状系统排烟温度约8090度 燃气燃烧反应方程式 CH4+2O2=CO2+2H2O 降低排烟温度，充分回收烟气热量。 1Nm3 天然气燃烧后产生1.65kg水蒸气。 降到20，可使效率提升15%-20%。 以
2、北京为例，每年可节省立方米。 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 过量空气系数 排烟温度（） 天然气低位热值效率（%） 提高天然气供热效率的途径 露点温度区间 如何提高天然气的供热效率？ 提升 15%-20% 20亿 4 技术背景 国内外技术路线 技术路线1：省煤器技术路线2：空气预热器 *基于热网回水温度50度左右条件下。 热网50 回水 省 煤 器 燃气锅炉 天然气 空气 0 热网回水 65 热网供水 120 空 气 预 热
3、器 天然气 空气 40 热网供水 120 热网回水 50 空气 0 燃气锅炉 烟气 100 排烟 50 烟气 100 排烟 50 上述两种技术，效率提高值仅在5%以内。 常规技术仅能将排烟 温度降至约50 5 技术背景 若要进一步回收烟气全热，有两个难题： 如何将烟气中露点温度以下的低品位全热（20-50）取出， 用来加热50以上的热网水？ 烟气冷凝水呈酸性，严重腐蚀换热面。 6 技术发明背景 创新思路利用高温烟气的显热驱动回收低温烟气全热 总体思路 热网回水 热网供水高温烟气 排烟20 高温显热Q1热网热量Q3 Q1+Q2=Q3 50 20-50 低品位烟气全热 吸收式 热泵 低温全热Q2
4、7 间壁式 换热器 不额外消耗 技术发展历程 2000年 开始研究烟气余热回收技术 2010 天津西站项目 2011年 东坝锅炉房烟气余热回收项目 2012-2013年 北京市科委两大示范工程 2000年，在清华提出 2005年，在清华大学超低能耗示范楼建立热电冷三联供系统（间壁式换热器） 2008年，北京南站热电冷三联供系统（间壁式换热器） 开发出专用于烟气余热深度回收项目的吸收式热泵 采用间壁式换热器 该技术首次应用于燃气锅炉烟气余热回收 采用直接接触式换热器 2015年 巴黎气候大会 该技术首次应用于燃气电厂烟气余热回收项目 巴黎气候大会中国三大推荐技术之一 通州竹木场锅炉烟气余热回收
5、北京总后63号院锅炉烟气余热回收 2017年 北京市科学技术奖一等奖 获该领域唯一奖项“首都蓝天科技示范工程”奖 北京市科学技术奖一等奖 技术背景 冷凝水 技术背景 创新思路利用高温烟气的显热驱动回收低温烟气全热 总体思路 热网回水 热网供水高温烟气 排烟20 高温显热Q1热网热量Q3 Q1+Q2=Q3 直接 接触 式换 热塔 60 中和 自动加碱 装置 20-50 低品位烟气全热 吸收式 热泵 低温全热Q2 9 实现余热回收、减排 与节水的一体化 不额外消耗 避免了传热面的腐蚀问题 换热效果增强，端差不到2 阻力大幅减小 体积为间壁式的20%50% 减排NOx 技术发明背景 排烟温度20 总
6、体思路 燃气锅炉供热新流程 燃气内燃机热电联产 供热新流程 燃气轮机热电联产 供热新流程 产业化并 推广应用 1 2 3 燃气内燃机 热电联产供热 燃气轮机 热电联产供热 燃气锅炉 供热系统 余 热 回 收 机 组 与 直 接 接 触 式 换 热 塔 10 主要内容 技术背景 推广应用及经济社会效益 余热回收工艺及关键技术 新流程1燃气锅炉供热新流程及装备 排烟80 一次网回水 锅炉 受热面 燃气 一次网供水 锅炉 燃烧室 常规系统 12 新流程1燃气锅炉供热新流程及装备 锅炉 受热面 燃气 一次网回水 一次网供水 高温 烟气 燃烧室 吸收式 热泵机组 排烟20 回收冷凝水 换 热 塔 授权发
7、明专利9项 锅炉 供热效率提高10%以上 11 20-50 新流程1 装备研发2：直接接触式换热塔 燃气锅炉供热新流程及装备 喷嘴试验台不同喷嘴压力-流量特性曲线 气动力 表面张力 液滴 粒径 喷嘴 雾化角 贯穿距 实心锥 空心锥 螺旋喷嘴雾化全息照片 机理研究实验研究 直接接触式换热 掌握粒度、水汽比、雾化压力等诸多规律 解决了低压头雾化、最优水气比选择、 流场优化、高效除雾、防腐等技术难题 旋流除雾器流场模拟 两级旋流除雾器实测性能 喷嘴雾化 14 新流程1燃气锅炉供热新流程及装备 新系统的优化设计与运行技术支撑体系 揭示冷凝换热器和热泵之间的参数匹配规律 余热回收系统与原供热系统之间的优
8、化匹配方法 提出系统启停、调节、安全运行方法及控制策略 用户侧负荷需求用户侧负荷需求 系统模型系统模型 系统配置系统配置 优化运行优化运行 年净收益或年净收益或 投资回收期投资回收期 最优最优 最优配置最优配置 结束结束 是是 否否 改变配改变配 置参数置参数 初投资年等值费用初投资年等值费用 年减少运行能耗费用年减少运行能耗费用 天然气 烟气 吸收机 冷凝换热器 冷却水 冷冻水 T T T T 控制器 伺服放 大器 伺服放 大器 AO RS485通讯 计算 机 AO 烟阀A 烟阀B 内燃机 AIAI AIAI 实时冷却水温 度 热泵烟阀开度 实时冷冻水温 度 烟气冷凝换热 器烟阀开度 吸收机
9、主控板 供热温度 目标值 冷冻水温度 范围 RS485报警 Break 执行关机程序 发电 功率 手动 调节 检查冷冻水冷 却水流量 有 开热泵烟阀 冷水出水降至 设定温度 开烟气冷凝换 热器烟阀 RS485报警 报警并关闭 热泵烟阀 开机 否 是 是 BREAK 进入调节命令 换热面积对排烟温度的影响 锅炉房费用随排烟温度的变化优化配置流程系统变工况控制原理新流程控制系统原理图 供热工况系统开机流程 15 新流程2燃气内燃机热电联产供热新流程及装备 烟气 80 发电 常规流程 用户供热 中冷水 换热器 燃气内燃机 烟气 换热器 高温烟气 缸套水 换热器 缸套水 16 新流程2 发电 用户供热
10、 中冷水 换热器 燃气内燃机 排烟20 输出热量提高30%以上 换 热 塔 高温烟气 缸套水 热 泵 机 组 吸 收 式 新流程 燃气内燃机热电联产供热新流程及装备 新流程 获得系统及核心设备的发明专利9项 17 新流程3燃气蒸汽联合循环热电联产供热新流程及装备 排烟约80 汽轮机 空气 天然气 大型燃气蒸汽联合循环热电联产供热系统 烟气余热占电厂 原供热量的40% S 汽水 换热器 蒸汽 热网回水 热网供水 排汽 余热 锅炉 露点约40 过量空气系数大 烟气量大，排烟热损失大 露点温度低，余热品位低 18 新流程3燃气蒸汽联合循环热电联产供热新流程及装备 汽轮机 空气 天然气 S 蒸汽 对燃
11、气蒸汽联合循环热电联产系统，发明了源网一体化烟气乏汽协同回收新流程 热网供水 热网回水 大 型 换 热 塔 排烟20 排汽 解决了困扰燃气电厂供热能力不足（热电比小）、燃气消耗量大的问题，输出热量提高40%以上 板式 换热器 吸收式 热泵机组 授权中国发明专利7项 国际发明专利1项 余热 锅炉 19 与常规技术比较 提高供热效率 10%-15% 燃气内燃机热电联 产供热系统 省煤器本技术 排烟温度 提高供热效率，%3.4%30% 排烟温度均降到20度 排烟温度和供热效率方面 燃气锅炉供热系统 （比较基准热网回水50度） 省煤器空气预热器省煤器+空气预热器本技术 排烟温度 提高供热效率，%3.4
12、%3.4%5.3%14.4% 燃气轮机热电联产 供热系统 扩大省煤器本技术 排烟温度 提高供热效率，%9.8%40% 提高供热效率 30%以上 提高供热效率 40%以上 投资回收期4年以内无腐蚀问题本技术性能全面优于其他技术 20 20 20 51 55 55 80 80 20 主要内容 技术背景 余热回收工艺及关键技术 推广应用及经济社会效益 知识产权情况 序号名称专利证授权号 1发明专利利用吸收式热泵回收烟气余热的集中供热系统201110110470.X 2发明专利一种以高温烟气和热水为驱动热源的地温能供热制冷机组201019114092.5 3发明专利一种以燃气蒸汽联合循环热电联产为主的
13、能源供应系统201010141597.3 4发明专利热泵型燃气锅炉余热回收机组200910238452.7 5发明专利一种新型吸收式气-水换热机组200910089209.9 6发明专利一种增热型热电冷联供系统201010116782.7 7发明专利以高温气体为热源的吸收式供热制冷一体机200910087691.2 8发明专利一种能够实现液位自动稳定的蒸发装置201410029503.1 9发明专利用于烟气余热回收的填料塔201410397371.8 10发明专利基于溶液吸收循环的烟气余热回收系统201010238743.5 11发明专利回收燃气蒸汽循环热电厂烟气余热的吸收式热泵供暖装置113
14、9760.8 12发明专利利用燃气蒸汽循环热电厂烟气余热的吸收式热泵供暖装置1139761.6 13发明专利一种适于大温差、可充分利用能源的溴化锂吸收式制冷机1115340.7 14发明专利一种直燃型吸收式冷热水机组1144419.3 15发明专利一种以燃气轮机为动力的双联热泵式热电联供系统3109716.2 16发明专利一种以内燃机为动力的热泵式热电联供系统3109718.9 17发明专利一种以内燃机为动力的双联热泵式热电联供系统3109719.7 18发明专利以固体氧化物燃料电池为发电装置的热泵型热电联供系统200910081746.9 19发明专利一种开式吸收式热泵20111020086
15、4.4 20实用新型烟气余热回收的系统201420456128.4 21实用新型用于锅炉烟气余热回收的分布式监控系统201520466200.6 22实用新型用于收集烟气中冷凝水的系统201520437918.2 23实用新型余热回收塔201520437919.7 24实用新型燃机背压保护装置201520437936.0 25实用新型基于热电联产锅炉烟气余热回收装置201420681923.3 26实用新型烟气余热回收装置201420469712.3 27实用新型天然气烟气余热余热回收利用及净化系统201520688121.3 28实用新型用于烟气余热回收的填料塔201420456128.4
16、29实用新型一种燃气内燃机热电冷联供系统200820079067.9 30国际发明专利 Gas-Steam Combined Cycle Centralized Heat Supply Device and Heat Supply Method PCT/CN2015/089348 31国际发明专利一种低氮高效的烟气余热回收装置PCT/CN2015/096996 32国际发明专利适于主动配电网的蓄能型热电冷联供装置及其运行方法PCT/CN2015/096997 授权中国及国际发明专利26项，实用新型专利15项，研究论文95篇。 22 推广应用燃气锅炉供热系统 总后烟气全热回收项目 降低供热成本2
17、86万元/年 余热回收量3.18万GJ/年 竹木厂烟气全热回收项目 降低供热成本290万元/年 余热回收量3.3万GJ/年 北京永安热力有限公司南环供热厂 烟气全热回收项目 降低供热成本763万元/年 余热回收量8.48万GJ/年 燕山石化星城锅炉房烟气全热回收 项目 降低供热成本280万元/年 余热回收量3.0万GJ/年 大龙热力裕祥锅炉房烟气全热回收 项目 降低供热成本76万元/年 余热回收量0.85万GJ/年 昌平永安热力有限公司沙河锅炉房 烟气全热回收项目 降低供热成本48万元/年 余热回收量0.53万GJ/年 23 推广应用大型燃气轮机热电联产供热系统 在未来城热电厂中应用已立项或启
18、动的项目 北京高安屯燃气热电厂 海淀北部燃气热电厂 通州能源中心 高井燃气热电厂 24 推广应用应用效果 0 10 20 30 40 50 60 烟气温度（） 烟气进口温度 烟气出口温度 已有项目连续运行7年以上 总后案例：排烟温度至20开机前排烟情况开机后排烟情况 减少 白烟 项目运行稳定可靠 25 推广应用已实施工程 在北京、天津、山西、山东、河北、内蒙古等11个省市获得大规模应用。 应用项目名称状态 涉及供热面积 （万） 额定余热回收功率 （MW） 新增供热面积 （万） 北京市昌平区京能未来城科技城电厂烟气全热回收项目已实施7002453 北京市昌平区永安热力有限公司南环供热厂烟气全热回
19、收项目已实施375818 北京市昌平区永安热力有限公司北环供热厂烟气全热回收项目已实施265613 北京市朝阳区望京蓝天锅炉房烟气全热回收项目已实施14037 北京市丰台区总后锅炉房烟气全热回收项目已实施7037 北京市通州区竹木厂锅炉房烟气全热回收项目已实施20037 北京市房山区燕山石化星城锅炉房烟气全热回收项目已实施9637 北京市顺义区大龙热力裕祥锅炉房烟气全热回收项目已实施320.82 北京市昌平区永安热力有限公司沙河锅炉房烟气全热回收项目已实施210.51 北京市朝阳区东坝锅炉房烟气全热回收项目已实施850.20 山西省太原市供热站烟气余热回收项目已实施-2556 天津西站烟气全热
20、回收项目已实施351.43 山东省济南西苑换热站烟气全热回收项目已实施731.53 山东省济南北郊电厂烟气全热回收项目已实施351636 26 实现节能减排 年节约天然气1.2亿m3 减排19.4万tCO2/年 减NOx排放210t/年 已实现的社会效益 节能减排与低碳技术成果转化推广清单（第二批）（2015） 国家重点节能技术推广目录（2015） 列入科技部和发改委节能减排推广目录 2015年，代表中国节能减排自主技术， 在巴黎气候大会上向世界展出 已实施项目 促进节能环保产业发展 吸收式制冷企业参与制造，带动 行业发展 促进产业结构优化升级，增加就业 岗位，拉动经济 经济社会效益 27 预计在北方地区推广后，节能-每年节气60亿m3 致 谢 赵玺灵 清华大学建筑节能研究中心 15801207266，
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