天然气烟气余热利用与减氮协同系统的研究

The key issues in the efficient and cleaning heating are to improve the heating efficiency and to reduce the NOx emissions. This research has proposed a new integrated system to the flue gas waste heat recovery and the decreased nitrous emission. The system comprises of heating and humidification of air, and cooling and desiccation of flue gas, the two of which operate together to realize the integration of surplus heat recovery and purification of exhausted gas. The research will be conducted on mechanism, process optimization. The specific research contents are as follows: heat and mass transfer mechanism, the effect of air humidification on the combustion stability and NOx emission, thermal parameters feature analysis of the total system, and optimization of the heat exchange network. It will be revealed that the collaboration mechanism of heat exchange, mass transfer and pollutant transfer in the cases of the direct-contact between flue gas and water. We would develop a comprehensive design method, the effect of air humidification on the combustion stability and de-NOx emission, the thermal parameters feature analysis, and the optimal configuration and thermodynamic parameters of the system, in order to achieve a high efficiency of waste heat recovery and a good de-NOx result. The verification will be done by experiments. This research program organically combines the waste heat application and emission reduction, providing an exploratory way for study on efficient and clean utilization of natural gas.

提高天然气的供热效率、降低NOx排放是高效清洁供热的关键。课题提出一种天然气烟气余热利用与减氮协同的新系统，提出的系统由空气加热加湿环节和烟气降温减湿环节组成，两环节共同作用实现烟气余热深度利用与减排，并就这种新系统的机理、工艺流程开展理论和实验研究。具体研究内容包括：单塔的热质传递机理研究、空气加湿对燃烧稳定性及NOx排放的影响研究、全系统的热学参数特征分析及换热流程的优化研究。通过研究，掌握烟气-水直接接触式热质传递过程的传热、传湿、传污染物协同机理，提出单塔的设计方法；掌握空气加湿对燃烧稳定性及减排NOx的影响机理；掌握全系统的热学特征参数，提出全系统的最佳热力学参数和配置方法，以期达到较高的余热利用效率和减氮效果，最终通过实验验证理论的可行性。课题将天然气的烟气余热利用与减排有机结合，为天然气高效清洁供热提供探索性的思路和方向。

针对于燃气锅炉排烟温度高、烟气余热量大、氮氧化物排放量高的特点，本课题提出了一种基于空气-烟气全热交换的烟气余热利用与减氮系统，该系统以燃气锅炉的助燃空气和热网回水为低温冷源，梯级回收烟气余热。课题对系统中的关键设备喷淋塔展开研究，分析了喷淋塔内烟气与空气进行的热质交换过程，建立了喷淋水与烟气热质交换的计算模型，研究了水滴粒径、水气比、喷淋温度对排烟温度的影响。运用耗散对喷淋塔内的热质交换过程展开研究，研究表明一段式喷淋过程中存在的较大损失，采用分段喷淋可以减小损失，提高换热效率。对整个系统进行了热力学参数分析，该系统利用天然气燃烧“定湿源”的特性，通过对助燃空气进行加热加湿，提高了锅炉排烟的露点温度。在烟气余热回收系统内部，烟气与空气进行大焓差的热质交换过程，烟气状态变化存在饱和线非线性的特征，热质交换效率受到限制。本文计算了余热回收系统进行热质交换的效率极限，提出了不完善度作为系统优化的指标，并且提出了利用渗透热质交换替代以水为中间介质的喷淋换热的新思路。依据本课题的理论研究成果，开展了实验研究，实验结果表明，在助燃空气进口温度9.3℃，热网回水温度44.6℃的条件下实现排烟温度30.5℃。搭建了基于渗透热质交换的余热回收系统实验台，验证了烟气与空气进行渗透热质交换的可行性。经过对比，渗透热质交换的显热效率和潜热效率分别比喷淋换热效率高21.22%和24.99%。本课题针对于助燃空气加湿对锅炉内燃烧的影响以及氮氧化物的减排进行了理论及实验研究。研究表明，助燃空气加湿并不会使锅炉内的燃烧恶化，仅会降低燃烧温度，这有助于减少热力型氮氧化物的生成。本文探索了氮氧化物减排与余热回收一体化方案，进行了多种氮氧化物减排实验，取得较好的减排效果。本课题对基于空气-烟气全热交换的余热回收与减氮系统进行了多角度的理论及实验研究，掌握了系统内部的热质交换规律，以期为余热回收系统的应用提供指导。