烟囱,我们随处可见,它的存在可追溯到人类钻木取火时代,有人的地方就有烟囱。饮食炊事、工农商任何行业生产都离不开它,如今科技的发展带动了社会生产力的大幅度提高,同时也需要大量地进行化石能源的热值转换应用,烟囱更是个不可缺少的热值转换废弃物排放通道设施,大家都知道越来越多、越来越高、越来越大的烟囱以及城市中遍地的燃油汽车排烟管(也是烟囱),都是当今社会环境空气的污染源、是雾霾笼罩大地的罪魁祸首,人们现在对烟囱是爱恨交加。这么多年来我们对环境污染治理“煤改气”“煤改电”清洁供能,实事求是地讲:“我们只是自欺欺人地把污染源烟囱从一个地方转移到了另一个地方”,从国家全局层面来说:烟囱污染源NOx的排放总量没有减少,优质能源消耗总量没有减少。在可再生能源成本还居高不下、应用还不稳定的年代,能否彻底废除烟囱、真实减少污染源,怎么才能获取低成本的清洁供能真实有效方法?

我国是个多煤、少气、贫油的国家,天然气对外依存度已经达到了40%。我国巨量的天然气资源进口,季节性供需的矛盾更加突显,天然气冬季市场热值价格逐年上涨,从“气荒”一眨眼蔓延到了离谱的价格等等新问题,2018年冬季供热出现了“保供”的新词汇,近几年掩耳偷铃式地推行“煤改气”“煤改电”,已经造成国家及许多地方政府财政资金不堪重负,还保证不了城镇居民的温暖过冬,供热价格超越了普通居民温暖过冬的经济负担能力,投入了巨量的财力、物力及人力,雾霾却还是每年要卷土重来,病急乱投医得不偿失。城镇化的大力推进需要确保进城居民有能力安全温暖过冬为前提,当务之急是应该寻求靠谱、安全、高效、绿色、低成本的清洁供能方式。

笔者今天先解析一下天然气燃气锅炉在运行时烟囱里所排放的废弃物质量及含量值,天然气主要由甲烷(85%)和少量乙烷(9%)、丙烷(3%)、氮(2%)和丁烷(烟1%)组成,还有少量的氮气、氧气、二氧化碳和硫化物,天然气燃烧后生成H2O(水)和其他化学残留物质。天然气每立方燃烧热值为8000大卡至8500大卡,每公斤液化气燃烧热值为11000大卡,气态液化气的比重为0.55,每立方液化气燃烧热值为25200大卡,目前天然气主要是以资源性燃料应用(是替代煤炭的优质燃料资源)。

甲烷燃烧方程式:

1、完全燃烧:CH4+2O2=CO2+2H2O

甲烷 + 氧气 → 二氧化碳 + 水蒸气

2、不完全燃烧:2CH4+3O2=2CO+4H2O

甲烷 + 氧气 → 一氧化碳 + 水蒸气

天然气锅炉排烟尾气最高温度大约在120℃〜180℃左右(冷凝锅炉排烟温度一般低于以上数据),因此天然气锅炉烟囱所排放的废热能量还有19%以上,意味着天然气燃料在热值转换过程中将有19%燃料热值通过烟囱排放到了大气环境中,这些通过烟囱排放的高湿、废热气体还增加了室温气体排放量,排放的其他化学污染物也在影响及恶化人类生存环境空间。

笔者研究发现,我国诸多能源专家、学者、专业技术人员长期以来在燃气锅炉烟气余热回收技术研究上,一直停留在采用烟道式气水换热器(湿式回收、干式回收)进行回收余热应用思维上,这类技术摆脱不了燃气锅炉烟囱的存在,也无法做到烟囱尾气排放温度低于环境温度,更称不上余热全额回收。笔者在2018年〜2019年初大胆地进行了新的应用方法案例实践:证明雾霾治理彻底拔除烟囱、真实地降低污染源总量不是件难事,实践结果证明烟囱里所排放的废弃物,全额回收废热变废为宝得到额外经济效益收获,这是一种多方受益的创新型环保科技节能减排新举措。特别对天然气作燃料的燃气锅炉后置烟囱完全取消后、所获得排放废弃物变废为宝经济效益,将远远大于燃煤锅炉的废热回收效益,还将回收了具有商品价值大量的水资源。彻底颠覆了能源经济行业传统守旧思维,最终尾气排放温度达到低于环境温度的负排放值,为我国走安全、绿色、低成本、清洁供能开创出了一个崭新的道路。科技创新力量日新月异,只有想不到、没有做不到。

图示:燃气锅炉设备系统原理

图示:燃气锅炉排烟热值损失量化曲线

天然气燃气热水(蒸汽)锅炉 + 电空气源(能、热泵)热水机组模块化组合应用、复合转换生产供能装置,应用电空气源热水机组对燃气锅炉烟道直接冷凝(制冷)式全热回收废热,可达到燃气锅炉烟囱废热的深度回收利用,甚至可达到燃气锅炉烟囱尾气最终温度负排放,理论计算可提高优质能源的转换生产效率达160%。本装置特征是把环境气象温度下空气中的可再生热值能量与燃气锅炉或其他含有废热烟囱尾气等废热能量有机结合,使以上的二种热值能量在进行有比例混合后进入电空气源热水机组吸热后进行再生利用,本装置可全额回收天然气燃烧后尾气中的低品位废热潜热能量以及水泵换热隔离器防水隔音箱内运行设备的自然散发的低品位废热能量,其核心原理就是采用低品位烟囱废热能量杠杆撬动电空气源热水机组制热效率COP值,并解除电空气源热水机组在我国低温地区冬季运行期间熔霜周期性反循环热损量的困扰,这样可大幅度获取人们可用的温度对口低品位热值能量,把该可用的热值能量输送至燃气热水锅炉,提升至终端用户真正可用温度对口高品位热值能量,最终供终端用户冬季供暖、保温以及工业生产工艺同等品位热值能量应用需求。当然资源能源温度能量的供给侧与需求侧应保持数据互动,保持在按需取能、以需定供、供需平衡的工作状态,从而实现一次资源能源及优质电能热值能量利用效率最大化、有效化、低成本。如果在清洁供能整体系统上设置公平、合理的热值计量计价器具回归热值商品属性,技术方法上促使终端用户珍惜热值,养成全民良好的行为节能习惯,冬季供热天然气资源消耗总量保守预计可减少35%~50%左右。

本装置能有效全热回收各类烟囱内高焓值尾气废热、及其他关联设备机体散热的低焓值废热能量,有效减少一次资源能源优质天然气、电能的消耗总量,杜绝了能量转换生产过程中的废热能量浪费。合理搭配供热系统设备同等规模项目,可降低项目装机总容量约>30%左右,供热站占地面积可节省50%(按现状常规采用燃气锅炉供热系统作比较),模块化组合方式,有利于产品标准型、规模型制造,便于不同地区能量需求项目的低成本、高质量、快速度设计配置迎合工厂化制造实施,更有利于供能站按需灵活调整应用模块,减少资源能量转换生产设备的闲置浪费,提高设备利用率。中温储能罐、高温储能罐同步应用,将极大地发挥电空气能热水机组的吸热效率优势,发挥燃气热水锅炉具有制取高温热水的优势,优势互补提高供能站综合效率,降低供能成本,其次中温储能罐、高温储能罐具有降低能量转换的设备启停频率,有效延长主设备的使用寿命。水解冷凝式烟囱尾气排放物全热回收技术,省了SCR脱硝装置、劳民伤财的低氮燃烧器改造费用,同时可为国家节约大量的水资源消耗量。供能站依据各类传感器的数据,可建立完整的自动化运行模式,结合现代科技互联网、云计算技术、APP运行维护数据无线管理,实现无人值守供能站,最终实现没有烟囱及污染物排放、无人值守的数字式供能站,本装置在集约型区域集中供热项目系统上的应用效果最为显著;本装置与燃气发电烟囱尾气、光伏电站、电力储能装置结合组合应用效果会更好;本装置也适用与和燃气蒸汽锅炉结合组合应用(所回收的热值可加热燃气蒸汽锅炉补水以及供其他生活用热、生产工艺用热)。

慧模块化供能站硬件设施工艺流程

图示:燃气锅炉+电空气源热水机组组合供能装置

图示:燃气锅炉+电空气源热水机组组合供能(热)站

实践案例:

一种采用电空气源热水机组全热回收低品位烟气潜化热能高效利用的组合装置,包括电空气源(热泵)热水机组、燃气热水锅炉、一次(二次)循环水泵、中温储能罐、高温储能罐、(换热隔离器、冷凝水处理池、防水隔音箱)等,案例为终端用户供热。

热值能量转换生产、储存、消费工艺流程设置:项目地供热环境气象温度<+13℃,系统供热回水温度<+26℃。本装置可自动启动供能循环水泵,管网水流开关信号指令启动燃气热水锅炉和电空气源热水机组进行能量转换生产高温热水。供能循环水泵把<+26℃温度回水直接输送至电空气源热水机组加热,加热至>+35℃中温水送至中温储能罐,>+35℃中温热水流向燃气热水锅炉提升热值品位,加热至>+47℃高温水送至高温储能罐再送至各终端房间供暖、保温,以此达到温暖过冬。

装置技术节点:燃气热水锅炉高温高湿烟气直接输送至电空气源热水机组蒸发器吸入端与环境空气混合后由热水机组吸入。本案例热值转换生产侧与热值需求侧形成了一个热值能量转换生产、储藏、消纳承压闭式循环系统,装置在供热消耗天然气资源的同时需要消耗电力能源。

检测点运行数据记录测试条件:气象环境温度+5℃,供热温度+50℃,回水温度+26℃,温差24℃,时间内水流量0.8吨,累积运行时间7天。

累积7天运行时间数据记录:2019年1月15日17:00时〜2019年1月22日17:00时,气象环境平均温度:+3.0℃,平均湿度:75%,供热面积:400平方米(独立二联体建筑保温良好),房间温度24小时恒定+18.5℃〜+22.5℃,各房间温度的舒适性由终端用户在以上范围内自由设定。天然气总消耗量:103立方米,电力消耗量:104千瓦时,按天然气供给价3.30元/立方米,电力供给价0.60元/千瓦时。由此计算得出资源消耗费用结果:401.4元/400平方米/7天,每平方米每天平均供热费用:0.143元/平方米。如冬季供热天数:120天〜150天,那么供热资源成本费用在17.16〜21.45元/平方米,预计年供热费用降低了约50%以上。结语:本技术在保证终端用户温暖舒适过冬的前提下,节能减排效果相当明显。所以经测算应用资源能量就地转换消纳的燃气分布式供能方式,其能量应用成本将远远低于长距离输送工业低品位余热热值应用输送成本。

本案例实践证明:就地转换消纳能源转换生产过程中,废热能量全热回收技术的可行性和可靠性。简易的应用方法:燃气热水锅炉低品位、高焓值的湿热烟气热值能量直接供至电空气源热水机组蒸发器端,与环境气象低温含湿空气混合后由电空气源热水机组自然吸入,做到废热温度负排放。冷凝式收集处理一次能源燃烧烟气化学污染物最终实现室温气体负排放、并且充分做到实现能源站气体排放质量洁净度高(注:本案例技术所列各热值温度等数据,依据项目地平均气象环境温度等条件,应作适应性范围最优修正)。

能源人挑战自我,科技创新无止境,知识产权的保护为当代知识分子、科技人员和勇于创新的技术人员保驾护航,梦回蓝天白云,追求和谐社会的中国梦,需要当代能源人去努力和研究。能源人为能源的合理利用、变废为宝出谋划策是一种使命,积极提供、寻找和参与建设更加优秀、更加廉价的清洁供能系统的技术和路径是一种责任。

本装置技术优势:

实现:没有烟囱的供源站;

实现:减少优质能源消耗总量;

实现:热值按需供给能量智慧生产;

实现:一次能源转换废热全额回收利用;

实现:气电融合降低终端用户能源费用支出;

实现:全面提高综合能源服务公司运行经济效益;

实现:冷凝式尾气排放物回收技术节省SCR装置费用;

实现:冷凝式尾气排放物回收技术节省低氮燃烧器更换费用;

笔者感悟:作为一个多年从事能源行业的能源人,首先要感谢团队人员的协同、理解、鼓励、支持、探讨,以及在节能减排环保行业大家勇于承担社会责任的姿态。

此类技术的实施与应用:1、主要取决于对能源生产端、用户端生产工艺能量综合应用状况的深入了解;2、取决于对能源转换系统热值能量流向,具有独特的见解和因地制宜创新思维、因项对策地合理配置、搭建运营技术;3、填补天然气能源无效巨量消耗的黑洞。

作者:郭四均

2019年02月15日

上海虹铂环保科技有限公司

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