燃氣熱水鍋爐煙氣余熱利用研究

傅強 李軍 王重陽 趙旭

摘 要：針對燃氣熱水鍋爐的排煙余熱量較大和煙氣視覺污染，本文分析了煙氣余熱回收和“煙氣消白”原理，主要介紹了間壁式換熱器和直接接觸式換熱器兩種回收技術，為燃氣鍋爐煙氣余熱回收奠定了基礎。

關鍵詞：燃氣熱水鍋爐;煙氣余熱;換熱器;消白

普通燃氣鍋爐的排煙溫度較高，蒸汽鍋爐排煙溫度約為100～150℃（省煤器后），熱水鍋爐排煙溫度約為80～110℃（省煤器后），造成了能源浪費和環境污染。煙氣中的余熱有很大一部分存在于水蒸氣潛熱之中，因而在降低煙氣溫度，回收顯熱的同時，將煙氣中的水蒸氣潛熱回收才能做到真正的煙氣全熱回收。燃氣鍋爐高溫煙氣的水蒸氣處于未飽和的狀態，因而必須通過降溫使水蒸氣冷凝析出。如果要將水蒸氣冷凝，必須將煙氣溫度降低到對應的露點溫度以下。因此，這要求煙氣余熱回收裝置必須具備較強的熱交換能力，將高溫煙氣降低到足夠低的溫度，將煙氣中的水蒸氣盡可能多地凝出，釋放盡可能多的潛熱。此部分煙氣的低溫余熱量較大，如何回收低溫余熱成為節約能源的重要措施。

吳佳蕾等[1]通過對煙氣冷凝余熱低溫技術的研究得出當排煙溫度由160℃降至30～50℃時，節能10%～13%;單臺鍋爐（70 MW）回收煙氣冷凝水70～160 t/d，除水率達27%～60%，減少了霧氣排放量，減排二氧化碳和氮氧化物10%以上。大型燃氣鍋爐煙氣冷凝余熱深度回收節能、節水、減排和凈化潛力巨大，經濟社會效益十分可觀。

1 燃氣鍋爐煙氣余熱回收

煙氣冷凝熱回收原理是在燃氣鍋爐之后設置煙氣冷凝熱換熱器，利用鍋爐尾部的低溫煙氣的余熱進行低溫換熱，通過系統中介水，置換出煙氣的低溫余熱，同時，采用天然氣燃燒驅動吸收式熱泵技術吸收中介水的熱量。

燃氣鍋爐的燃料是天然氣，主要成分是CH4，因此燃燒后的煙氣中會含有大量的水蒸汽，占煙氣比例的約16-17%（空氣過量系數1.1-1.25），當煙氣溫度降低時，尾氣中的水蒸氣飽和濕度也隨之降低;當溫度降低時，燃氣鍋爐尾氣中的水蒸氣隨之冷凝出，同時釋放大量的汽化潛熱，約占消耗燃氣低位發熱量的10%左右。這一比例，遠大于鍋爐散熱損失、燃氣不完全燃燒損失在總熱量中的比例。

鍋爐排放煙氣經冷凝熱回收后煙氣溫度降低，煙氣中的水份凝結后回收。本工程對于節能、節水、提高系統的綜合利用效率都有重要意義。鍋爐余熱系統原理圖，詳見下圖：

2 直接接觸式換熱器和間壁式換熱器

2.1 間壁式換熱器

間壁式換熱器位于煙道出口，中介水經間間壁式換熱器與鍋爐的排煙進行換熱，將煙氣溫度降低至30℃以下，中介水經換熱器加熱后進入吸收式熱泵機組作為低溫熱源，以燃氣作為吸收式熱泵機組的高溫熱源。熱網回水首先經過吸收式熱泵機組進行加熱，以此節約熱網回水在鍋爐中的吸熱量，之后進入鍋爐加熱至所需溫度。

由于間壁式換熱器的端差較大，為了使煙氣溫度降到露點以下，回收煙氣中的潛熱，換熱器的換熱面積需要很大。因此，此種形式換熱器需要一定的占地空間且阻力較大。另外，由于煙氣中析出大量冷凝水，冷凝水PH值呈酸性，因此對換熱器的腐蝕較為嚴重。如何解決防腐問題對延長換熱器的壽命較為重要。

2.2 直接接觸式換熱器

與間壁式不同的是，直接接觸式換熱器是煙氣和水直接接觸換熱換熱效果較好。若直接接觸式換熱器做成塔式換熱器，則煙囪可落于噴淋塔上方，二者合為一體;若換熱器為一腔體，則可從煙道中抽取一旁路煙道，之后回至原煙囪，此時換熱器可放置于熱泵機組頂部，亦可獨立放置。

2.3 兩種換熱方式的對比

間壁式換熱器屬于利用煙氣系統與水系統經過不同的管路進行換熱，相當于市場上常見的小型板式換熱器。直接接觸式則采用煙氣與水直接接觸的方式。

間壁式換熱系統中產生的酸性凝水直接對換熱器和熱泵機組產生腐蝕作用，使得設備的壽命明顯縮短。而接觸式系統通過加堿保證了凝水一直處于弱堿性狀態，換熱器和熱泵的壽命完全得以保證。

間壁式系統采用大量的換熱管進行管內外的熱量交換，因為管束數量龐大，使得煙氣的流通阻力增大，正常情況下煙氣壓損高達3000Pa，必須安裝大功率的風機才可保證排煙。而接觸式換熱則不存這樣的問題，彎頭、拐角、擋液板的壓力損失之和最大也不超過500Pa，基本上原鍋爐系統的風機的富余壓頭即可保證順利排煙。因為大功率風機的投運，也就造成間接式換熱系統的運行費用遠高于接觸式換熱系統。

2.4 消白系統

由于經過余熱利用后，煙氣中的冷凝水大部分已經析出。考慮在余熱回收換熱器后增加換熱器，利用熱網供水加熱煙氣，使最終排出的煙氣溫度高于露點溫度以達到消白的效果。

3 結論

（1）通過在燃氣熱水鍋爐尾部增加煙氣余熱利用裝置，一方面提高了燃氣的利用效率，另一方面達到了“煙氣消白”的效果，減少了視覺污染。

（2）余熱收集的形式一般包括直接接觸式換熱器和間壁式換熱器回收，兩種方式各有利弊，在實際應用中應綜合考慮項目實際情況。

（3）利用煙氣余熱回收系統，在外供熱量不變的情況下可以降低天然氣的消耗，降低運行能耗。同時，由于降低煙溫，回收了大量冷凝水，減少了供熱廠的水耗，具有較好的經濟效益。

參考文獻

[1]吳佳蕾等.大型燃氣鍋爐煙氣冷凝余熱深度回收技術方案與節能潛力分析[J].暖通空調，2016，46（3）。