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1、烟气冷凝热回收方案设计与计算燃气应用课程2010-2011学年春季学期大作业目录二、三、四、五、六、研究背景研究问题方案设计及计算1.2.A、I AVt-方案一计算、I A-A-方案二计算3.1 给定方案计算3.2 扩展方案设计及计算比较探讨出结田半总结思考课程总结研究背景1010101515错误!未定义书签。在北京，近几年出现了许多作为区域供热热源的中小型天然气锅炉，2005年北京 用于采暖的天然气耗量约20亿Nm3/年，如果50%的锅炉能够回收这些天然气燃烧的烟 气冷凝热，将节约天然气用量1-5亿Nm3/年。天然气价格按1-8元/Nm3计，则每年可减 少燃料费用2.7亿元。可见，实现天然气
2、烟气冷凝余热在采暖的应用，将会显示出巨大 的经济效益和社会效益。由于天然气的主要成分为甲烷，含氢量很高，因而燃烧后排出的烟气中含有大量的 水蒸气（容积成分接近20%）,水蒸气的汽化潜热占天然气高位发热量的比例为10%-11%， 若将烟气冷凝潜热回收，可较大幅度提高天然气的利用效率，因此回收利用烟气余热是 提高天然气利用效率的一种有效途径。目前，燃气锅炉回收烟气冷凝热利用系统是按照温度低的供热回水通过设置在锅炉 尾部的凝水换热器使烟气冷却，从而获取烟气的部分显热和水蒸气潜热。在空气温度低 的环境中，一些冷凝锅炉还在冷凝换热器后设置空气预热器，使烟气温度进一步降低， 冷凝热进一步得到利用，被加热的
3、空气进入锅炉燃烧。Gl-14%9tloutU锅炉G3iGl-1具体分析实际工程：锅炉工 作将产生较高温度的水，同时为 了避免低温水通入锅炉导致锈蚀 等一系列问题，需要对送进锅炉 的水有一定温度要求。另一方面, 房间侧采用地板采暖或者暖气片 采暖等不同形式所需要的供水温 度不一样（回水温度也相应不一 样），但都比锅炉出水温度低。 因此合理的安排利用锅炉高温出 水、房间低温回水、高温烟气等资源（如图1所示）满足各处温度需求的同时利用烟气 冷凝回收热减少能耗是一个很值得研究探讨的问题。、研究问题基于上述研究背景，课程设置研讨问题，分析比较采取下述两种不同的方案实现烟 气冷凝热回收时的效率：方案一：G
4、2-1t2.%*IGlr锅炉.此方案采用换热器+混水的方式, 具体图示如右图所示。从图中可以看出此方案通过将锅 炉中排出的高温烟气与房间回水通过 换热器进行换热从而实现烟气冷凝热 回收。之后被烟气初步加热的水与锅 炉出口的高温水进行混水从而实现锅炉入口水的预热同时将锅炉出口水温降至房间供 水温度要求。方案二:朗此方案采用吸收机的方式，具体图 示如右图所示。从图中可以看出此方案通过利用 吸收机，将锅炉出口的高温水作为吸收 机发生器的热源，将房间回水作为通过I 器和冷凝器的冷却水（从而实现对其加热的目的），将高 温烟气通过蒸发器的作用实现冷却：从而实现烟气冷凝热回收及各处水温的要求。对于两方案给定
5、以下参数:锅炉出水温度95C，锅炉进水温度60-70C；房间供水温度50C，房间回水温度35C（采用地板采暖方式）；查阅资料得通过空气预热器等装置后相应规模的燃气锅炉排烟温度约为130C ； 房间侧热负荷不变，因此可以假设房间侧水流量为1000kg/h。三、方案设计及计算本部分以上述题目中给定的两种方案为基础，利用给定参数进行设计计算，首先 对两给定方案进行计算分析；之后再根据发现的方案不足进行方案扩展设计及计算， 从而合理的做出两种方案的天然气利用效率（n）排烟温度（0曲线，以此分析比 较两方案的差异。1. 方案一计算按照上文方案一示意图上标注的字母表征各处水温及水流量。我们以换热器出口处
6、的水温t3作为变量，可以得到不同换热量下的排烟温度，进而计算出此一系列不同情 况下的天然气利用效率，得到nt曲线上一系列点。因此，我们先确定可行的t3范围。流量守恒：系统运行中需要保证各处的流量大于o,根据混水段能量守恒及质量守恒可以在EES 中编制程序计算各处的流量。t1_out=95%输入已知参数t2=t1_outt3_in=50t3_out=35t3=50t4=t3t1_in=70h1_out=ENTHALPY（Water,T=t1_out,x=0） % 计算各处水的焓值h2=h1_outh3_in=ENTHALPY(Water,T=t3_in,x=0) h3_out=ENTHALPY(
7、Water,T=t3_out,x=0) h3=ENTHALPY(Water,T=t3,x=0) h4=h3%此处计算流量取 G3=1 来分析%利用混水的能量守恒%利用混水的质量守恒h1_in=ENTHALPY(Water,T=t1_in,x=0)G3=1G1*h1_out-G2*h2+G4*h4=G3*h3_inG3*h3-G4*h4+G2*h2=G1*h1_inG1=G2+G3-G4由此可得如下计算结果：ITG12ITG23匚qITG4t3Run 10.59770.34-810.750435Run 20.270.8185牝Run 30.19920.09942Q.,900245Run 41.8
8、60E-157.242 E-1E150:Run 5-0 1992-0.074561.T2&55Run S-0.39850.113611.28560 _Run 1-0.5978-0 039-381.49865-Run S-0.79724.910E-1i11.79770从计算结果中可以看出，从Run5开始有流量变为负值，不合实际，因此可知t3的 温度范围必须在3550C范围内。之所以有此范围是因为要同时满足锅炉出水温度降为 50C和锅炉入水温度升为60-70C，因此，通过烟气换热后的回水温度不能过高，也即 相当于烟气和回水换的热量不能过大。排烟温度试探在上述初步确定t3范围后进一步结合烟气和房间回
9、水的换热进行计算。在前文EES程序基础上进一步编写程序计算与相应换热器出口回水温度t3对应的 排烟温度。G3=1000G1*h1_out-G2*h2+G4*h4=G3*h3_inG3*h3-G4*h4+G2*h2=G1*h1_inG1=G2+G3-G4q=34574.4B=G1*(h1_out-h1_in)/(q*0.8)设定的锅炉效率V=11.39*B 然气燃烧后产生11.39 体积的烟气%给定房间侧水流量为 1000kg/h%q 表征天然气的体积热值%B 表征锅炉加热所需的天然气体积， 0.8 为%V表征产生的烟气体积，查得1体积的天c=1.374631%c 表征烟气的体积比热，根据烟气组
10、分、各组分体积比及各组分的体积比热计算得到tO_in=13OQ0=G3*(h3-h3_out)%Q0表征换热器中水侧的换热量tO_out=tO_in-QO/(V*c)%先只考虑显热，以此算得的排烟温度估算t3范围以t3在3550C的范围代入进行运算可得如下计算结果：1.10ITG12ITG2?ITG34ITG4:ITtOaut5ITt3Run 1495246.71000751.7118.135 JRun 2398.6188.51000789.9-311.73SRun 3299132.61000833.7-1048勒Run 4199 381.91100Q882.6-252044Run 599.6
11、537.29100Q937.6-693747Run 69.012E-133.196E-1310001000-9.768E+1750由表中数据可以看出，由于天然气热值较大，导致其能加热的水量很大，因此可以 提供给烟气的热量相对很多而烟气量相对很少，因此烟气降温很低，换热器侧出水38C 时，可以看出此时试算出的温度(未考虑潜热)已为负值，因此进一步细算得到如下结 果。1.10：ITG12ITG23ITG34ITG45ITtoDUt5ITRun 1495246.71000751.7118.135.1Run 2491.7244.61000762.9106.135 2Run 3488.3242.5100
12、0754.293.9435.3Run 4485240.51000755.581 5935.4Run 54817238.41000766.769.0735.5Run 6478.4236.41000?6866.3B35.6Run 1475234.31000759.343.5135.7Run 8471.7232.31000760.630.4635.8Run 9468.4230.21000761.817.2235.9Run 10466.1223.21000763.13.79536烟气潜热计算6011 L2 13 L4 L5 L6 L7过量空气系数查得烟气露点温度与过 量空气系数关系如右图所示， 查图可
13、得对于本题分析中采 用的陕甘宁天然气在过量空 气系数a为1.1的情况下产生 的烟气其露点温度约为57C, 因此，对于换热器出水温度 35.6以上的情况进行显热+潜 热校核计算。关于烟气潜热计算的方法已有多篇文献进行论述，但是由于条件所限对于本问题的 解决并不适合，因此根据查得的文献采取了多种方法进行简化计算用以解决本问题中关 于烟气潜热计算的问题，其中下述方法比较好的达到了目的。在田贯三等用天然气烟气废热做低温热源热泵循环的分析一文中，通过干烟气 和饱和水蒸气的状态方程等得烟气饱和时的含湿量如下：18000-pd =vp(114.27+521.65a)/(1.024+9.64a) - pf其中pf 烟气的分压力，pvp水蒸气在温度T下的饱和蒸汽压 再根据天然气的组成等条件得到烟气中水蒸气冷凝率1满足如下等式:1680 + 46.53 xa申-d 111.616 +12.464 x (a-1)其中烟气中水蒸气冷凝率，申燃烧空气相对湿度根据此式可计算得到烟气中水蒸 气冷凝率与烟气温度关系如右图所示。为了直观的得到冷凝率与排烟温 度的关系，可以对曲线进行拟合得到二 者的关系式为：=-7
