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(huán)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(tài)，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(jié)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(jié)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(jié)能、節(jié)水、減排和凈化潛力巨大，經(jīng)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(tǒng)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(shù)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(fā)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(jīng)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(jié)能、節(jié)水、提高系統(tǒng)的綜合利用效率都有重要意義。鍋爐余熱系統(tǒng)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(jīng)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(jīng)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(wǎng)回水首先經(jīng)過吸收式熱泵機組進行加熱，以此節(jié)約熱網(wǎng)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(tǒng)與水系統(tǒng)經(jīng)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(tǒng)中產(chǎn)生的酸性凝水直接對換熱器和熱泵機組產(chǎn)生腐蝕作用，使得設備的壽命明顯縮短。而接觸式系統(tǒng)通過加堿保證了凝水一直處于弱堿性狀態(tài)，換熱器和熱泵的壽命完全得以保證。

間壁式系統(tǒng)采用大量的換熱管進行管內外的熱量交換，因為管束數(shù)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(tǒng)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(tǒng)的運行費用遠高于接觸式換熱系統(tǒng)。

2.4 消白系統(tǒng)

由于經(jīng)過余熱利用后，煙氣中的冷凝水大部分已經(jīng)析出?？紤]在余熱回收換熱器后增加換熱器，利用熱網(wǎng)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(tǒng)，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(jīng)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(jié)能潛力分析[J].暖通空調，2016，46（3）。