煙氣余熱深度回收方法研究

謝正和，陳鵬，賈向東，劉英杰，朱迎春，李洋（北京源深節(jié)能技術(shù)有限責任公司，北京，100142）

?

煙氣余熱深度回收方法研究

謝正和，陳鵬，賈向東，劉英杰，朱迎春，李洋
（北京源深節(jié)能技術(shù)有限責任公司，北京，100142）

煙氣余熱深度回收技術(shù)是提高能源利用率的重要途徑。本文闡述了幾種具有代表性的煙氣余熱深度回收裝置，介紹了技術(shù)研究進展情況，并在此基礎(chǔ)上對煙氣余熱深度技術(shù)進行了展望。

煙氣余熱；深度回收；換熱器；熱電聯(lián)產(chǎn)

引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人們對能源的需求與日俱增，同時也對能源的品質(zhì)提出了更高的要求。我國的能源結(jié)構(gòu)主要以燃煤為主，占據(jù)總能源消耗的四分之三以上。煤炭燃燒產(chǎn)生的大量氮氧化物、硫氧化物、碳氧化物以及粉塵等物質(zhì)，是造成環(huán)境污染的主要因素。與煤炭相比，天然氣屬于清潔能源，其主要由甲烷組成，燃燒產(chǎn)生的煙氣中沒有粉塵和硫化物，大大降低了對環(huán)境的污染。在我國，隨著西部氣田的開發(fā)，天然氣這種高熱值清潔能源將得到廣泛的應(yīng)用。以北京為例，在未來幾年內(nèi)，中心城區(qū)的集中供暖系統(tǒng)將逐步實行煤改氣工程，即由燃煤鍋爐逐步改造為具有較高的熱值的燃氣鍋爐［1］。

目前，燃氣鍋爐的排煙溫度都很高（150°C～250°C），煙氣中夾帶有大量的水蒸汽，占煙氣成分的20%。如果直接排放，水蒸氣不僅會攜帶走有大量的汽化潛熱（占天然氣高位發(fā)熱量的10%～11%），導致鍋爐效率降低［2］。而且會導致空氣濕度增加，造成水霧以及霧霾的形成。雖然在相同供熱量的前提下，燃氣鍋爐氮化物的排放量相對于燃煤鍋爐顯著降低了，但是隨著燃氣鍋爐的普及，其排放的氮氧化物對環(huán)境的污染不容小視。因此，在加快實施燃煤改燃氣步伐的同時，開發(fā)具有高效煙氣余熱回收裝置對節(jié)能減排具有實質(zhì)性的意義。

1　煙氣余熱回收

提高燃氣鍋爐的熱效率的兩個主要途徑：一是提高燃氣系統(tǒng)的燃燒效率；二是提高排煙熱能利用率。因此，燃氣鍋爐的熱效率主要與過量空氣系數(shù)以及排煙的溫度有關(guān)。圖1為在不同排煙溫度下以及過量空氣系數(shù)下的鍋爐效率曲線。從圖中可以看出，隨著排煙溫度的逐漸降低，其鍋爐效率呈階梯式上升。在排煙溫度200°C時僅為86%左右，在高于露點的溫度范圍內(nèi)，其效率隨著溫度的下降緩慢升高。當煙氣溫度下降到露點一下時，由于煙氣的潛熱被吸收，且其效率顯著提升到96%左右［3］。傳統(tǒng)的燃氣鍋爐，為了防止低溫酸腐蝕，其排煙溫度設(shè)計為180°C左右，遠高于露點溫度，因此大量的顯熱和余熱被浪費。通過煙氣余熱回收技術(shù)，即在燃氣設(shè)備尾部增設(shè)冷凝水換熱器，對這些熱能加以利用，不僅可以減少燃料的消耗，而且可以為企業(yè)節(jié)約成本，提高經(jīng)濟效益。

圖1　不同過剩空氣系數(shù)、空氣含濕量為10g/kg下排煙溫度對燃氣鍋爐熱效率的影響

煙氣余熱回收技術(shù)的基本原理是通過高溫煙氣與低溫介質(zhì)（空氣、水等）之間的熱交換來實現(xiàn)的。通過冷凝介質(zhì)將鍋爐煙氣排放溫度降至露點以下，水蒸氣因冷凝釋放出大量的氣化潛熱，從而可將鍋爐的熱效率提高到100%以上。同時冷凝式鍋爐內(nèi)的水蒸氣冷凝后，可以溶解大部分的NOx、CO2，減少了煙氣對環(huán)境的污染。

對冷凝式鍋爐的研究始于1971年，法國煤氣公司和液化工業(yè)公司對冷凝式鍋爐進行了最早的研究，且于1972年建成了數(shù)個成功的示范系統(tǒng)。隨后歐美多家公司相繼設(shè)計出燃氣裝置的煙氣冷凝回收系統(tǒng)，并在西方發(fā)達國家的采暖等方面得到了廣泛應(yīng)用。然而，相比于西方國家，我國對燃氣冷凝式鍋爐的研究不多。近年來，隨著鍋爐改造步伐的加快，設(shè)計高效燃氣冷凝式鍋爐勢在必行。

2　燃氣冷凝式鍋爐

2.1直接接觸式冷凝鍋爐

根據(jù)換熱的方式不同，可以分為間接式和直接接觸式冷凝式鍋爐。直接接觸式冷凝式鍋爐，一般是以水為冷凝介質(zhì)，采用噴淋逆流方式流入煙氣氣流，冷凝水與煙氣在鍋爐內(nèi)發(fā)生直接的熱量交換。當有足夠數(shù)量的水時，煙氣將會被冷凝到絕對飽和溫度以下，即低于煙氣露點溫度。最終煙氣以低溫飽和水的狀態(tài)離開系統(tǒng)，而水以被加熱的形式離開系統(tǒng)。

直接接觸式冷凝式鍋爐的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示［4］，鍋爐冷凝水經(jīng)泵輸入6-給水霧化器，經(jīng)過霧化噴嘴霧化成細小水霧，從而增大了冷凝水與煙氣的傳熱傳質(zhì)比表面積，提高了鍋爐的傳熱效率。高溫煙氣經(jīng)1-煙氣進口自下而上流入，與從霧化器逆向流入的冷凝水進行直接換熱，在高溫煙氣顯熱被充分吸收的同時，其攜帶的水蒸氣釋放出大量的氣化潛熱而被冷凝，并伴隨著加溫后的冷凝水從8-出水座流出鍋爐。直接冷凝式鍋爐具有以下特點：

（1）有著很高的傳熱系數(shù)；

（2）結(jié)構(gòu)簡單，耗材小；

（3）無端差，易于小溫差傳熱；

（4）不存在傳熱面帶來的污垢熱阻，間壁熱阻；

（5）冷凝水與煙氣接觸時能起到洗氣的作用從而減少了煙氣中污染物的排放。

圖2　直接接觸式燃氣鍋爐煙氣余熱回收節(jié)能裝置結(jié)構(gòu)簡圖

2.2間接式冷凝式鍋爐

在間壁式煙氣余熱回收裝置的換熱過程中，冷凝液與高溫煙氣不發(fā)生直接接觸，熱量的傳遞僅通過中間的固體壁面來完成。由于間壁式換熱器冷熱工質(zhì)是間隔的，因此其換熱系數(shù)要低于直接接觸式換熱，在相同換熱量的前提下，所需的鍋爐體積大，換熱面耗材要高［5］。煙氣冷凝產(chǎn)生的冷凝水會吸收部分煙氣中的酸性氣體，導致冷凝液酸性（pH=5.5～6.5），在長期運行過程中會對換熱面材料造成嚴重腐蝕，同時由腐蝕產(chǎn)生的污垢會影響換熱面的換熱系數(shù)，導致鍋爐的換熱效率降低。常見的間接式換熱器有板式換熱器、管事?lián)Q熱器。板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各板片之間形成薄矩形通道，通過半片進行熱量交換。板式換熱器特殊的結(jié)構(gòu)及換熱原理使得其具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、傳熱效率高、熱損小、安裝和清洗方便等特點。在煙氣冷凝系統(tǒng)中具有很廣泛的應(yīng)用前景。

2.3熱管換熱器

傳統(tǒng)的換熱器主要采用管板式結(jié)構(gòu)，在回收余熱的過程中具有換熱器體積大、耗材大、煙氣阻力大、易產(chǎn)生低溫腐蝕等缺點，對系統(tǒng)的設(shè)計布局帶來不便。而熱管換熱器作為一種新型、高效的換熱元件可以解決上述問題［6］。以重力式熱管為例，如圖3所示，它主要由管殼，外部擴展受熱面、工質(zhì)組成。熱管是密封的，且在裝入工作液體前被抽真空。工作液體在熱端吸收熱量而沸騰汽化，產(chǎn)生的蒸汽流到冷端放出潛熱而凝結(jié)為液體，凝結(jié)液在重力的作用下回到熱端被再次加熱沸騰，如此反復，熱量不斷有工作液體從熱端傳遞至冷端，完成熱循環(huán)。熱管其特殊的結(jié)構(gòu)，使得其具有換熱系數(shù)高、流體阻力小、壁問可調(diào)控、安全可靠等特點［7］。

3　結(jié)束語

圖3　重力式熱管工作原理

隨著煙氣余熱深度回收技術(shù)中燃氣鍋爐的節(jié)能優(yōu)化不斷取得突破，熱管換熱器的研究與應(yīng)用也取得很大進步，目前吸收式熱泵技術(shù)與二者的結(jié)合集成大大降低了熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱能耗，大幅度提升了熱網(wǎng)的供熱能力，已經(jīng)在不少熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱的電廠得到了應(yīng)用和推廣，取得了良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

［1］李慧君， 王樹眾， 張斌， 林宗虎 （2003） 冷凝式燃氣鍋爐煙氣余熱回收可行性經(jīng)濟分析. 工業(yè)鍋爐 （2）:1-4.

［2］李慧君， 林宗虎 （2005） 燃氣鍋爐煙氣余熱回收實驗分析. 工業(yè)鍋爐 （6）:1-4.

［3］王志勇， 劉暢榮， 王漢青， 寇廣孝 （2010） 燃氣鍋爐煙氣熱損失及冷凝余熱回收. 煤氣與熱力 30 （6）:4-7.

［4］劉武標， 林世平， 陳鵬飛， 林晶 （2007） 新型燃氣鍋爐尾部煙氣余熱回收節(jié)能器的應(yīng)用研究. 能源工程 （3）:70-72.

［5］楊石， 顧中煊， 羅淑湘， 鐘衍 （2014） 我國燃氣鍋爐煙氣余熱回收技術(shù). 建筑技術(shù) 45 （11）:976-980.

［6］張欣， 趙清晨 （1998） 熱管換熱器在小型鍋爐上的應(yīng)用. 山西建筑 3:029.

［7］王紅濤， 李正茂， 時振堂 （2015） 熱管技術(shù)在煙氣余熱利用上的應(yīng)用研究. 當代化工 44 （6）:1324-1326.

Research Progress of Flue Gas Waste Heat Recovery

Zhenghe Xie， Peng Chen， Xiangdong Jia， Yingjie Liu， Yingchun Zhu， Yang Li
（Beijing Source Depth Energy Saving Technology Co. Ltd.， Beijing， 100142， China）

To solve the current energy and environment problems，must be to increase rate of energy to achieve energy conservation and emission reduction.The depth of the flue gas waste heat recovery technology for energy conservation and emissions reduction has substantial significance.This paper expounds several typical flue gas waste heat recovery units and its research progress，technology of flue gas waste heat was predicated.

Waste Heat in Flue Gas； Depth Recovery； Exchanger Co-generation of Heat and Power

E-mail: xiezh1981@163.com

TK11+5

A

2095-8412 （2016） 03-529-03

謝正和 （1981-），男，中級。研究方向：煙氣余熱回收。