烟气余热深度回收方法研究

谢正和，陈鹏，贾向东，刘英杰，朱迎春，李洋（北京源深节能技术有限责任公司，北京，100142）



烟气余热深度回收方法研究

谢正和，陈鹏，贾向东，刘英杰，朱迎春，李洋
（北京源深节能技术有限责任公司，北京，100142）

烟气余热深度回收技术是提高能源利用率的重要途径。本文阐述了几种具有代表性的烟气余热深度回收装置，介绍了技术研究进展情况，并在此基础上对烟气余热深度技术进行了展望。

烟气余热；深度回收；换热器；热电联产

引言

随着我国经济的发展，人们对能源的需求与日俱增，同时也对能源的品质提出了更高的要求。我国的能源结构主要以燃煤为主，占据总能源消耗的四分之三以上。煤炭燃烧产生的大量氮氧化物、硫氧化物、碳氧化物以及粉尘等物质，是造成环境污染的主要因素。与煤炭相比，天然气属于清洁能源，其主要由甲烷组成，燃烧产生的烟气中没有粉尘和硫化物，大大降低了对环境的污染。在我国，随着西部气田的开发，天然气这种高热值清洁能源将得到广泛的应用。以北京为例，在未来几年内，中心城区的集中供暖系统将逐步实行煤改气工程，即由燃煤锅炉逐步改造为具有较高的热值的燃气锅炉［1］。

目前，燃气锅炉的排烟温度都很高（150°C～250°C），烟气中夹带有大量的水蒸汽，占烟气成分的20%。如果直接排放，水蒸气不仅会携带走有大量的汽化潜热（占天然气高位发热量的10%～11%），导致锅炉效率降低［2］。而且会导致空气湿度增加，造成水雾以及雾霾的形成。虽然在相同供热量的前提下，燃气锅炉氮化物的排放量相对于燃煤锅炉显著降低了，但是随着燃气锅炉的普及，其排放的氮氧化物对环境的污染不容小视。因此，在加快实施燃煤改燃气步伐的同时，开发具有高效烟气余热回收装置对节能减排具有实质性的意义。

1　烟气余热回收

提高燃气锅炉的热效率的两个主要途径：一是提高燃气系统的燃烧效率；二是提高排烟热能利用率。因此，燃气锅炉的热效率主要与过量空气系数以及排烟的温度有关。图1为在不同排烟温度下以及过量空气系数下的锅炉效率曲线。从图中可以看出，随着排烟温度的逐渐降低，其锅炉效率呈阶梯式上升。在排烟温度200°C时仅为86%左右，在高于露点的温度范围内，其效率随着温度的下降缓慢升高。当烟气温度下降到露点一下时，由于烟气的潜热被吸收，且其效率显著提升到96%左右［3］。传统的燃气锅炉，为了防止低温酸腐蚀，其排烟温度设计为180°C左右，远高于露点温度，因此大量的显热和余热被浪费。通过烟气余热回收技术，即在燃气设备尾部增设冷凝水换热器，对这些热能加以利用，不仅可以减少燃料的消耗，而且可以为企业节约成本，提高经济效益。

图1　不同过剩空气系数、空气含湿量为10g/kg下排烟温度对燃气锅炉热效率的影响

烟气余热回收技术的基本原理是通过高温烟气与低温介质（空气、水等）之间的热交换来实现的。通过冷凝介质将锅炉烟气排放温度降至露点以下，水蒸气因冷凝释放出大量的气化潜热，从而可将锅炉的热效率提高到100%以上。同时冷凝式锅炉内的水蒸气冷凝后，可以溶解大部分的NOx、CO2，减少了烟气对环境的污染。

对冷凝式锅炉的研究始于1971年，法国煤气公司和液化工业公司对冷凝式锅炉进行了最早的研究，且于1972年建成了数个成功的示范系统。随后欧美多家公司相继设计出燃气装置的烟气冷凝回收系统，并在西方发达国家的采暖等方面得到了广泛应用。然而，相比于西方国家，我国对燃气冷凝式锅炉的研究不多。近年来，随着锅炉改造步伐的加快，设计高效燃气冷凝式锅炉势在必行。

2　燃气冷凝式锅炉

2.1直接接触式冷凝锅炉

根据换热的方式不同，可以分为间接式和直接接触式冷凝式锅炉。直接接触式冷凝式锅炉，一般是以水为冷凝介质，采用喷淋逆流方式流入烟气气流，冷凝水与烟气在锅炉内发生直接的热量交换。当有足够数量的水时，烟气将会被冷凝到绝对饱和温度以下，即低于烟气露点温度。最终烟气以低温饱和水的状态离开系统，而水以被加热的形式离开系统。

直接接触式冷凝式锅炉的结构示意图如图2所示［4］，锅炉冷凝水经泵输入6-给水雾化器，经过雾化喷嘴雾化成细小水雾，从而增大了冷凝水与烟气的传热传质比表面积，提高了锅炉的传热效率。高温烟气经1-烟气进口自下而上流入，与从雾化器逆向流入的冷凝水进行直接换热，在高温烟气显热被充分吸收的同时，其携带的水蒸气释放出大量的气化潜热而被冷凝，并伴随着加温后的冷凝水从8-出水座流出锅炉。直接冷凝式锅炉具有以下特点：

（1）有着很高的传热系数；

（2）结构简单，耗材小；

（3）无端差，易于小温差传热；

（4）不存在传热面带来的污垢热阻，间壁热阻；

（5）冷凝水与烟气接触时能起到洗气的作用从而减少了烟气中污染物的排放。

图2　直接接触式燃气锅炉烟气余热回收节能装置结构简图

2.2间接式冷凝式锅炉

在间壁式烟气余热回收装置的换热过程中，冷凝液与高温烟气不发生直接接触，热量的传递仅通过中间的固体壁面来完成。由于间壁式换热器冷热工质是间隔的，因此其换热系数要低于直接接触式换热，在相同换热量的前提下，所需的锅炉体积大，换热面耗材要高［5］。烟气冷凝产生的冷凝水会吸收部分烟气中的酸性气体，导致冷凝液酸性（pH=5.5～6.5），在长期运行过程中会对换热面材料造成严重腐蚀，同时由腐蚀产生的污垢会影响换热面的换热系数，导致锅炉的换热效率降低。常见的间接式换热器有板式换热器、管事换热器。板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。板式换热器特殊的结构及换热原理使得其具有结构紧凑、占地面积小、传热效率高、热损小、安装和清洗方便等特点。在烟气冷凝系统中具有很广泛的应用前景。

2.3热管换热器

传统的换热器主要采用管板式结构，在回收余热的过程中具有换热器体积大、耗材大、烟气阻力大、易产生低温腐蚀等缺点，对系统的设计布局带来不便。而热管换热器作为一种新型、高效的换热元件可以解决上述问题［6］。以重力式热管为例，如图3所示，它主要由管壳，外部扩展受热面、工质组成。热管是密封的，且在装入工作液体前被抽真空。工作液体在热端吸收热量而沸腾汽化，产生的蒸汽流到冷端放出潜热而凝结为液体，凝结液在重力的作用下回到热端被再次加热沸腾，如此反复，热量不断有工作液体从热端传递至冷端，完成热循环。热管其特殊的结构，使得其具有换热系数高、流体阻力小、壁问可调控、安全可靠等特点［7］。

3　结束语

图3　重力式热管工作原理

随着烟气余热深度回收技术中燃气锅炉的节能优化不断取得突破，热管换热器的研究与应用也取得很大进步，目前吸收式热泵技术与二者的结合集成大大降低了热电联产集中供热能耗，大幅度提升了热网的供热能力，已经在不少热电联产集中供热的电厂得到了应用和推广，取得了良好的经济效益和环境效益。

［1］李慧君， 王树众， 张斌， 林宗虎 （2003） 冷凝式燃气锅炉烟气余热回收可行性经济分析. 工业锅炉 （2）:1-4.

［2］李慧君， 林宗虎 （2005） 燃气锅炉烟气余热回收实验分析. 工业锅炉 （6）:1-4.

［3］王志勇， 刘畅荣， 王汉青， 寇广孝 （2010） 燃气锅炉烟气热损失及冷凝余热回收. 煤气与热力 30 （6）:4-7.

［4］刘武标， 林世平， 陈鹏飞， 林晶 （2007） 新型燃气锅炉尾部烟气余热回收节能器的应用研究. 能源工程 （3）:70-72.

［5］杨石， 顾中煊， 罗淑湘， 钟衍 （2014） 我国燃气锅炉烟气余热回收技术. 建筑技术 45 （11）:976-980.

［6］张欣， 赵清晨 （1998） 热管换热器在小型锅炉上的应用. 山西建筑 3:029.

［7］王红涛， 李正茂， 时振堂 （2015） 热管技术在烟气余热利用上的应用研究. 当代化工 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

谢正和 （1981-），男，中级。研究方向：烟气余热回收。