煙氣余熱深度回收方案及成本最優(yōu)模型分析

煙氣余熱深度回收方案及成本最優(yōu)模型分析王加龍;吳靜怡【摘要】將180°C以下的煙氣余熱的回收利用稱為煙氣余熱的深度回收，分析了深度回收過程中煙氣的熱力學特性；提出了三種利用模式并分析了不同模式的特點；針對分流模式建立了數(shù)學模型并對結(jié)果進行了分析.煙氣余熱深度回收與常規(guī)余熱回收在熱力學特性上有明顯區(qū)別，轉(zhuǎn)折點Tco的存在使得直流模式的出水溫度受到限制；分流模式有利于克服轉(zhuǎn)折點引起的出水溫度過低的問題，分流系數(shù)可根據(jù)實際熱水溫度需求及成本來確定:成本比高于下限值時可以找到最優(yōu)分流系數(shù)使成本最低，成本比低于下限值時應該根據(jù)溫度要求盡量降低分流系數(shù)以減少成本.%Recoveryofwasteheatfromfluegasunder180Cwasnamedasdeeprecoveryinthispaper,andthermodynamicscharacteristicsofthisprocesswereanalyzed.Threerecoverymodeswereproposedandsomecharacteristicsofthemwerealsodiscussed.Especially,amathematicalmodelwasbuiltforsplit-flowpatternandtheresultobtainedwasdiscussed.Thereisobviousdifferenceatthethermodynamicscharacteristicsofrecoveryofwasteheatinfluegasfordeepandnormalrecovery,andexistofturnpointTcoleadstoaconstrictionforoutlettemperatureofhotwaterofsingle-flowpattern.Split-flowpatterncanovercomethislimitcausedbytheturnpoint,andsplit-flowratioxcanbedeterminedfromtemperatureofdemandhotwaterandtotalcost.Whencostratioishigherthanalowlimitvalue,optimumsplit-flowratiocanbefoundtogetthelowesttotalcost;whilethecostratioislowerthanthevalue,split-flowratioshouldbeassmallaspossibletoreducetotalcost.Whenoutletwatertemperatureofoptimumresultislowerthanrequirement,split-flowratioshouldbeimprovedoradjustedtoreachdemandvalue.【期刊名稱】《化工學報》【年(卷)，期】2012(063)005【總頁數(shù)】7頁(P1529-1535)【關(guān)鍵詞】煙氣;余熱;冷凝;分流【作者】王加龍;吳靜怡【作者單位】上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海200240;上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海200240【正文語種】中文【中圖分類】TK11+5常規(guī)的煙氣余熱回收方式是通過余熱鍋爐換熱產(chǎn)生熱水或蒸汽，最后煙氣以180°C的溫度排放。這樣的排放溫度基本確保了換熱器在正常運行時不發(fā)生煙氣露點腐蝕，但180C的煙氣中仍然存在大量的未經(jīng)利用的余熱，可以回收產(chǎn)生低品位熱水。如60C以下熱水可直接供生活用，90C熱水可通過移動供熱的形式進入熱水市場銷售，60~90C可以驅(qū)動吸收/附機組制冷；低溫煙氣中余熱量大，隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展，低品位余熱可通過吸收式熱泵進行品位提升。近些年，隨著節(jié)能減排的壓力增大，低溫煙氣的余熱回收弓1起了廣泛重視，并且深入到了煙氣冷凝回收層面［1］。迄今研究主要集中在經(jīng)濟可行性及節(jié)能性分析［2-5］,冷凝防腐［6-7］以及傳熱傳質(zhì)［8-12］等方面，對于低溫煙氣顯熱、潛熱兩個階段的不同熱力學特性引起的特殊性缺少重視，并且在回收模式以及最優(yōu)回收策略的研究很少見。本文分析了深度回收過程中煙氣的熱力學特性，根據(jù)煙氣顯熱段（冷卻段）、潛熱段（冷凝段）的特點提出了低溫煙氣余熱回收的三種模式并分析了各自特點。針對分流模式建立了數(shù)學模型并對結(jié)果進行了分析，對如何設計回收模式才能使成本最優(yōu)的問題進行了分析。本文將180°C以下煙氣余熱的回收稱為深度回收，根據(jù)煙氣熱力狀態(tài)，回收過程分為兩個階段：冷卻階段和冷凝階段?；厥蘸笈欧艤囟群艿停瑩Q熱器采用逆流方式。低溫煙氣初始溫度Tg，經(jīng)過冷卻段放熱降至起始冷凝溫度Tco并放出顯熱QS,經(jīng)過冷凝段放熱降至溫度Tc并放出潛熱QL,也即Tco是兩個回收階段的轉(zhuǎn)折點。轉(zhuǎn)折點以上，溫差變化大，熱量密度??；轉(zhuǎn)折點以下，溫度變化不明顯，熱量密度大。1.1冷凝段熱力學特性不同燃料燃燒后產(chǎn)生的煙氣中水含量不同，因而起始冷凝溫度也不同［1］。本文基于對某天然氣成分進行計算分析，得出過?？諝庀禂?shù)從1變化到1.3時，煙氣冷凝起始溫度在60.5~61C間變化。煙氣冷凝回收是一個變溫過程。從起始冷凝溫度開始，冷凝點隨著水分的凝結(jié)而降低。圖1通過理論計算，表示了不同過?？諝庀禂?shù)下天然氣煙氣的冷凝率隨煙氣最終冷凝溫度Tc的變化關(guān)系。當過?？諝庀禂?shù)取1.05、煙氣最終冷凝到40C時，冷凝率在65%以上，起始冷凝溫度為59.3C。實際過程因煙氣含有微量粉塵以及溫度波動不均等問題的影響，煙氣的露點溫度將會高于冷凝溫度；而根據(jù)冷凝換熱機理，不凝結(jié)性氣體會導致冷凝點下降［1］。文獻［13］通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，進水溫度為24.4~38.1C時冷凝率在74%~46%之間變化；與圖1對比，考慮到進水溫度與冷凝溫度間存在傳熱溫差，可知實驗結(jié)果與本文理論計算結(jié)果吻合較好。1?2余熱品位分析煙氣余熱深度回收的一個重要熱力學特點是180°C以下的余熱呈折線分布，導致回收熱水的出水溫度遠遠低于煙氣進口溫度180C。以NG完全燃燒時的煙氣為例，如圖2所示。圖2通過理論計算示出了煙氣深度回收時冷卻段與冷凝段的溫焓變化關(guān)系。冷卻段溫度范圍約為冷凝段的6倍，放熱量僅為冷凝段的一半左右。煙氣與水換熱時，煙氣側(cè)溫焓圖明顯呈折線分布，水側(cè)則基本呈直線變化，由各段熱力參數(shù)分布可以判斷出出水溫度T2僅略高于起始冷凝溫度Tco。冷凝段熱量大、溫度范圍小，因而回收熱水時出口水升溫很小但流量很大。冷卻段煙氣溫差較大但熱量較小，使得經(jīng)過冷凝段加熱后的熱水進入冷卻段后升溫不明顯。也即雖然整個熱回收階段余熱量很大，但由于沒能將冷卻段與冷凝段分開，導致冷卻段損失較大，回收的熱水品位較低。目前在余熱深度回收方面的文獻沒有對這個分段進行區(qū)分，文獻［14］通過回收170C左右的煙氣余熱獲得了最高僅57.3C的熱水。如圖3所示，根據(jù)煙氣冷凝溫焓圖的兩個階段的熱力學特性，本文將回收模式概括為三種情況：直流模式、分流模式和增流模式。并且作兩個前提假設：（1）冷凝段、冷卻段煙氣余熱QL、QS全部回收；（2）回收的熱水溫度不能低于用戶要求溫度。各種模式的區(qū)別是水流在充分回收冷凝段的余熱后是否繼續(xù)進入冷卻段加熱。直流模式中，水流繼續(xù)進入冷卻段加熱。根據(jù)能量平衡可知，熱水出口溫度T2完全取決于T0、T1。如圖4所示，計算出了不同的給水溫度在不同的最小傳熱溫差下的極限出口水溫。若煙氣冷凝過程最小傳熱溫差取為15C，給水溫度取20C,則出水溫度只能達到58.6C左右。整個過程只產(chǎn)生一種溫度的水。分流模式中，只有一部分水流進入煙氣冷卻段繼續(xù)加熱以獲得更高溫度熱水，另一部分作為低溫熱源用于其他方面。這種模式契合了煙氣余熱的折線分布特點，有利于回收品位更高的熱水，實現(xiàn)低溫余熱的梯級回收，并產(chǎn)生兩種溫度熱水。所以本文將重點探討。增流模式中，增加分流模式分流出來的水流進入冷卻段繼續(xù)加熱，如圖3（c）所示?？蓪⒎至髂Ｊ椒至鞒龅臒崴c增流模式的冷凝段出來的熱水匯合后在冷卻段加熱。全段直流回收時T2為58.61,冷凝段出水溫度T1相應為44C,增流后出水溫度T2將介于二者之間。實際應用中，浴室用水要求40~45°C，通過增流模式則可獲得大量44-58.6C間的熱水。分流模式（或與增流模式并行配合）可得到高、低兩種溫度的熱水。根據(jù)前面兩個假設可知，兩種熱水回收的余熱量以及熱效益是相同的。本文要探討的是回收較高溫度熱水時如何使回收成本最優(yōu)。假設冷凝段熱量充分回收，產(chǎn)生流量為m的熱水T1,然后分流出一部分流量（分流系數(shù)x）,余下（1-x）m的熱水進入煙氣冷卻段繼續(xù)加熱。在換熱成本方面，假設其與換熱面積呈線性關(guān)系，成本系數(shù)數(shù)值大小為C1;在輸送成本方面，假設其與輸送量呈線性關(guān)系，成本系數(shù)數(shù)值大小為C2。在余熱總量不變、出水溫度不低于用戶要求的前提下，C1較大時應當使x取小以降低出水溫度（即溫差增大，換熱面積減小）以控制換熱成本，C2較大時應當增大x以提高出水溫度（水溫上升，輸送水量減小而總熱量不變）以控制輸送成本，可見C1、C2作為參量而影響最優(yōu)分流系數(shù)的選取。成本系數(shù)確定的情況下，換熱、輸送成本受x影響，為了說明分流系數(shù)對總成本的影響，引入了〃成本系數(shù)比”3.1模型建立如圖3（b）所示，煙氣冷卻段的平均換熱溫差為對AT進行求導，可得根據(jù)能量平衡，在冷凝段、冷卻段分別有可得對T2進行求導，可得換熱成本P1為輸送成本P2為則成本函數(shù)可表示為根據(jù)式（9）可得由式（7）、式（8）得微分方程又因由式（2）、式（6）、式（10）~式（13）可解得當E很小時，輸送成本很小，換熱成本較高，因此要降低出口水溫以擴大換熱溫差，降低換熱成本；當E很大時，輸送成本很高，換熱成本很低，應該盡量提高出水溫度以減少單位熱量所需要的輸送水量?？梢宰C明，成本函數(shù)式（9）若存在極值點，則該極值點必為極小值點，其函數(shù)圖如圖5所示。所以式（14）所求解的廠必能使相應x下的P最小。3.2參數(shù)選取取T0=20°C,T1=45°C,Tg=180°C,Tco=59°C,Tc=40°C;按照燃燒學相關(guān)理論［15］，過剩空氣系數(shù)取1.05時，煙氣焓值計算結(jié)果如圖2所示，QL二226.7kJ?kg-1、QS=137,4kJ-kg-1;綜合文獻［14,16］的研究結(jié)果，氣-水傳熱系數(shù)k分別取30、40、50W?（m2K）-1進行對比。4.1不同成本比下成本函數(shù)變化趨勢研究P的函數(shù)特性，根據(jù)實際物理意義可計算出0<x<0.888,高于0.888時進入冷卻段的水量太小，無法帶走煙氣顯熱段的熱量。圖6顯示了不同成本系數(shù)比時成本函數(shù)的〃波谷”的變化趨勢，波谷表明在某個分流系數(shù)處（極值點）能使成本達到最小值；但是在分流系數(shù)很大（高于0.8）時，成本會陡然上升，因此出水溫度要求較高時需要謹慎考慮分流量過大引起的成本陡然增加。如圖7所示，當成本系數(shù)比2.8<^<10時，隨著成本比的減小，成本函數(shù)的波谷趨于消失，除了在分流系數(shù)很大時成本仍保持陡增趨勢外，其他段內(nèi)分流系數(shù)對成本的影響明顯趨于減弱。如圖8所示，當成本系數(shù)比卜2.8時，成本函數(shù)失去〃波谷”，顯現(xiàn)出隨分流系數(shù)單調(diào)遞增趨勢。4.2最優(yōu)分流系數(shù)的確定4.1節(jié)中的分析表明，成本函數(shù)的極值點（最優(yōu)分流系數(shù)）只有在&高于一定下限值時才能出現(xiàn)，這個極值點即最優(yōu)分流系數(shù)。k=40W-（m2-K）-1時代的下限值為2.81。E高于下限值時，極值點即是成本最低的最優(yōu)分流系數(shù)。圖9計算出了不同傳熱系數(shù)下成本比與極值點的對應關(guān)系，圖10表示了最優(yōu)分流系數(shù)對應的成本系數(shù)比及出水溫度關(guān)系，如果此最優(yōu)成本所對應的出水溫度不能達到用戶要求的溫度，則應當增大分流系數(shù)x以提高出水溫度，直至滿足溫度要求。在低于下限值時，成本與分流系數(shù)呈正相關(guān)性，可參見圖8。分流系數(shù)越大，成本越高，此時要根據(jù)用戶對熱水溫度的要求盡量減少分流系數(shù)。以傳熱系數(shù)k二40W?（m2K）-1為例，圖11表示了成本比為2時不同分流系數(shù)導致不同的出水溫度，若實際應用中需求的熱水溫度為t,則最優(yōu)的分流系數(shù)對應于圖中的P點。煙氣余熱深度回收存在巨大的節(jié)能潛力。本文分析了煙氣余熱深度回收的熱力學特性，提出了余熱回收的三種不同模式，并作了分析；基于分流模式建立了以成本為優(yōu)化目標的數(shù)學模型，并且根據(jù)實際情況以及物理意義對模型結(jié)果進行了綜合分析，得出了以下結(jié)論。(1)實際低溫煙氣余熱回收中應該考慮冷卻段與冷凝段的熱力學特性，進行分段梯級回收。(2)分流模型有利于實現(xiàn)煙氣余熱的梯級利用，使一部分熱水品位升高，突破直流模式的低溫限制。(3)成本系數(shù)比高于下限值時［k=40W-(m2-K)-1時，下限值為2.81］,—定可以找到成本函數(shù)的極值點x,使成本最低；低于下限值時［k=40W?(m2K)-1時，下限值為2.81］，不存在分流系數(shù)的極值點，此時在保證用戶溫度要求的前提下應盡量減少分流系數(shù)以降低成本。(4)當最優(yōu)成本不能保證用戶需求溫度時，應該增大分流系數(shù)使出水溫度達到要求。C1——換熱成本系數(shù)C2——輸送成本系數(shù)cp 水的比熱容，kJ?kg-1K-1k—冷卻段換熱器傳熱系數(shù)，W?(m2K)-1——水側(cè)質(zhì)量流量，kg?s-1P,P1,P2——分別為成本、換熱成本、輸送成本QL,QS——分別為煙氣冷凝段放熱量、煙氣冷卻段放熱量，kJ?kg-1Tc,Tco,Tg——分別為煙氣冷凝溫度、煙氣冷凝起始溫度、煙氣入口溫度，°CT0,T1,T2——分別為熱水進口溫度、熱水中間溫度、熱水出口溫度，C△T——冷卻段平均換熱溫差，Cx——分流系數(shù)E——成本比【相關(guān)文獻】[1]WangLi（王麗）.Thestudyofheatexchangerincondensinggas-firedwaterheater[D].Shanghai:TongjiUniversity,2006[2]LiHuijun（李慧君），WangShuzhong（王樹眾），ZhangBin（張斌），LinZonghu（林宗虎）.Economicanalysisofthefeasibilityofreclaimingresidualheatoffluegasofacondensationboilerburninggas[J].IndustrialBoiler,2003（2）:1-4[3]WangZhiyong（王志勇），LiuChangrong（劉暢榮），WangHanqing（王漢青）,KouGuangxiao（寇廣孝）.Gas-firedboilerfluegasheatlossandcondensationheatrecovery[J].Gas&Heat,2010,30（6）:4-7[4]CheDF,LiuY,GaoC.Evaluationofretrofittingaconventionalnaturalgasfiredboilerintoacondensingboiler[J].EnergyConversionandManagement,2004,45:3251-3266[5]Mihelic-BogdanicA,BudinR,SutlovicI.Condensateandfluegasesheatrecovery[J].EnergyandEnvironment,2002,2:19-24[6]YangLijun（陽利軍）.Studyoftheanti-corrosiondepositsandcoatingsonthenew-stylegascondensingexchanger[D].Dalian:DalianUniversityofTechnology,2006[7]LiuGuichang,YangLijun,WangLida,WangSuilin,LiuChongyang,WangJing.CorrosionbehaviorofelectrolessdepositedNi-Cu-Pcoatinginfluegascondensate[J].Surface&CoatingsTechnology,2010,204:3382-3386[8]ShiXiaojun,CheDefu,AgnewBrian,GaoJianmin.Aninvestigationoftheperformanceofcompactheatexchangerforlatentheatrecoveryfromexhaustfluegases[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2011,54:606-615[9]FujiiT,NagataT,ShinzatoK.Condensationofwatervaporandheattransferfromhumidairtohorizontaltubesinabank[J].RefrigerationofJSRAE,1982,57:787-798[10]OsakabeM,YagiK,ItohT,YagiK.Condensationheattransferofactualfluegasonhorizontaltubes//Proc.5thASME/JSMEJointThermalEngineeringConference[C].USA,1999,1:1-8[11]OsakabeM,TanakaO,KawakamiA.Predictionandbehaviorofheatexchangerforlatentheatrecoveryofexhaustfluegas[J].JournalofJSME,SeriesB,2000,66:2471-2477[12]JiaL,PengXF,YanSunJD,LiXP.Effectsofvaporcondensatio