燃气锅炉尾气凝结回收研究进展

叶青青,张瑶瑶,田 雨,高志敏,齐 磊

(滨州学院 化工与安全学院，山东 滨州 256603)

随着我国经济的发展和能源消耗增加，节能减排技术以及清洁能源利用变得尤为重要。面对日趋紧张的能源供应形势和保护环境的迫切需求，在"创新、协调、绿色、开放、共享"新发展理念的引领下，中国经济将加速向绿色低碳的经济模式转型升级，绿色、低碳、高效也将成为中国能源转型的必然选择。

着眼于当下影响环境的几大因素，燃气锅炉的尾气排放仍然存在很大问题。燃气锅炉的尾气中存在大量的水蒸气和二氧化碳，如何将这些气体分别进行冷凝回收，甚至提纯利用，这就需要对燃气锅炉尾气处理过程进行系统研究和详细设计，进而达到能源高效利用和环境保护的目的。虽然国外已生产出高效冷凝型燃气锅炉，但其造价较高，很难在国内大规模推广应用。因此，对燃气锅炉尾气经济高效地凝结回收仍是当前研究的热点问题。国内外专家学者也在此领域进行了大量的研究，取得了一系列启发性成果，本文对国内外部分学者的有关文献进行了梳理和总结。

1 国内外研究现状

1.1 燃气锅炉尾气余热回收研究现状

1.1.1 国内研究现状

随着我国能源和环境压力的日益增加，燃气锅炉越来越广泛地应用于生产和生活中。作为重要的燃气锅炉节能技术烟气余热回收具有广阔的应用前景。早在2002年，李慧军等[1]就进行了冷凝式燃气锅炉烟气余热回收的可行性经济分析，燃气锅炉尾气对管道腐蚀性较小，在换热器采取合适材质后，可使烟温降至酸露点以下。另外燃气锅炉尾气中水蒸气含量较高，对这部分热量进行回收，既可以提高锅炉的热经济性，又可以吸收尾气中部分酸性氧化物，达到节能增效、保护环境的双重作用。张晓晖等[2]通过对天然气烟气特性的分析以及对冷凝式锅炉热效率的分析和计算得出,将烟气温度降低到露点温度以下对烟气进行余热回收有重要的实际意义。与煤和石油锅炉相比，将燃气锅炉改造为冷凝式余热回收锅炉更为经济环保。

天然气在凝结过程中，会放出大量热量，这是燃气锅炉余热回收的重要部分。针对这一过程，李慧君等[3]进行了天然气凝结与换热特性的研究，介绍了烟气在管束外面凝结时，烟气成分会产生变化，流体的速度也会变化。水冷管外壁气液膜的厚度受流速与管距的影响而多变。液体在凝结过程中会滴落，对下排管束气液膜产生影响。在最初，烟气温度变化较快，在冷凝后变慢，但是冷却水的温度会变化较快，这与汽化潜热有关。李晓伟等[4]结合Kuhn实验模拟管内含不凝性气体冷凝对流换热过程，得出凝结时对流换热系数与烟气里所含水蒸气的分压有关，其分压越大换热系数就会越大。含不凝性气体冷凝换热包括对流换热和凝结换热两部分，并且对流换热部分由于壁面水蒸气的凝结使得抽吸作用得到了强化。车得福等人[5]研究了经济的烟气出口温度。烟气中的水蒸气处于过热状态时，通过添加冷凝热交换器，对尾气中显热以及潜热量加以利用，锅炉效率可提高多达10%～15%。史晓军等[6]研究了湿蒸汽在低于露点温度后凝结放出显热与潜热。由于常规的管壳式换热器应用于此类凝结换热时体积庞大，因此采用了紧凑式换热器。研究表明随着入口烟气流速的增加，换热系数与压降均增加。王志勇等[7]以四川天然气为例，综合分析了燃气锅炉热损失的影响因素。烟气热损失随排烟温度的变化有两个差异区间,区间分界点温度是烟气露点。另外，排烟温度下降会导致烟气形成酸性冷凝液并引发设备腐蚀。因此,防腐是烟气冷凝余热回收时必须要考虑的技术问题。可采用防腐金属制造烟气余热回收设备或采取在设备表面涂刷防腐涂料等措施。马文姝等人[8]提出的新型冷凝式换热装置由涡街发生装置和换热器共同组成，综合了冷凝换热、抗腐蚀材料、可变出力调节控制、燃烧比例调节、供热模式转化等多个新型工程概念，实现高效换热。

1.1.2 国外研究现状

针对锅炉尾气换热，国外专家学者评估了影响烟气冷凝的主要因素，进行了多种换热器的研究与设计，并建立相应模型进行换热系统的性能计算。

Shi X等人[9]发现，水蒸气凝结时主要的传热传质阻力来自非冷凝性边界层，因此在设计换热流程时，要针对性地减弱或消除这一阻力。而Jia L[10]对湿烟气流在竖直管内的环形薄膜冷凝进行了理论和实验研究，结果水蒸气的冷凝增强了对流换热，因此壁温是影响湿烟气冷凝速度的重要因素。湿烟气中水蒸气的形成对冷凝速度和伴随的传热有重要影响，并且显热和潜热对总传热贡献的比例随雷诺数的变化而变化。

Kyudate Hwang[11]采用钛制耐腐蚀换热器，对冷凝器用于余热回收时的传热传质特性、烟气流量、进水温度、进水质量流量等参数进行了研究，同时实验研究了换热器管路的不同布置形式对换热效率的影响。实验结果表明，采用潜热回收换热器的燃气热水器的热效率比未采用潜热回收换热器的燃气热水器提高了10%左右。

Wang Y[12]从翅片管的排列方式和数量进行研究，发现含有10个翅片的翅片管的对流传热系数是未出现凝结时传热系数的4.1倍。左右对称的翅片管传热系数是光管传热系数的4～8倍，是中心对称翅片管传热系数的1.3～1.8倍。 Junde Li[13]在研究不凝气体对水蒸气凝结率的影响时发现，交错管束排列方式凝结换热明显比顺排燃气锅炉尾部烟气凝结换热及余热回收利用研究方式强烈，而且冷凝的对流换热系数要比没有冷凝时高 3～5 倍。

Jeong K[14]基于烟道内烟气与冷却水的能量与质量守恒定律，建立了烟气冷凝换热器系统传热传质过程的分析模型。利用解析模型计算了烟气出口温度、冷却水出口温度、水蒸气摩尔分数和水蒸气冷凝率等参数。采用中试热交换器对分析模型进行验证。作者提出以冷却水质量流量与进口烟气质量流量之比、进口冷却水温度及烟气流量与总传热表面积之比为函数来评价换热器系统的性能。

1.2 Laval喷管国内外研究现状

气体在高速流动时急剧膨胀会产生低温效应，这一效应目前较多应用于气体液化过程，且主要通过Laval喷管来实现。上述原理可应用于锅炉尾气的处理，尾气进入Laval喷管，在跨越喉部后达到超声速流动，而后进入渐扩段气体高速膨胀导致低温低压，促使尾气凝结，放出大量潜热。

Laval喷管内的液化率与凝结核及液滴生长密切相关。曹学文等[15]选取天然气的主要成分甲烷和二氧化碳构成的二元系，对Laval喷管内天然气自发凝结流动过程进行数值模拟研究。二氧化碳和甲烷混合气体进入Laval喷管后膨胀至超声速，温度降低，在喷管扩张段达到一定过冷度后二氧化碳气体发生凝结成核及液滴生长现象，形成气液两相流动，可实现二氧化碳的脱除和液体二氧化碳的回收利用。随着过冷度的增大，甲烷气体也会发生凝结成核及生长现象。

肖玉广等[16]分别对多工况下及不同膨胀率的喷管内的蒸汽凝结流动进行研究。喷管内蒸汽凝结都发生在超音速区。成核率对过冷度的变化非常敏感，成核率从峰值1023量级到接近零所对应的过冷度之差只有5K左右。凝结位置都发生在喉部位置下游，并且随着喷管膨胀率的减小，达到最大过冷度的速度变得相对缓慢，使凝结位置后移。

刘杨等[17]对Laval 喷管渐缩段线型、渐扩段张角及旋流器位置对Laval 喷管内压力分布和制冷性能的影响进行系统研究。渐缩段线型采用维托辛斯基曲线进行Laval喷管渐缩段的设计可以获得较好的制冷效果。 值得注意的是，Laval喷管( 加旋流器) 的旋流分离能力和制冷性能存在着明显的制约关系，在天然气液化过程中，需要在二者之间寻找一个平衡点，使得 Laval 喷管( 加旋流器) 可以取得较好的旋流效应和膨胀制冷效果。

Lamann G[18]对反射膨胀波与弱激波相结合的特殊激波管过程进行了分析和标定。该方法用于在短时间(0.5ms)内将载于氩中的水蒸气转移至已知过饱和状态。在此期间，稳定状态均匀成核，然后是凝聚生长。采用90°Mie-light散射技术测量了200～260K温度范围内的成核和生长速率，并与现有理论模型进行了比较。

Jassim E[19]对高压天然气在超声速喷嘴中流动时的状态进行了研究。改变通道长度可以影响冲击波的位置。虽然由于入口涡流引起的压力损失增加，但涡量在激波附近急剧增加。激波点之前的区域是细颗粒分离的主要区域，在需要细颗粒分离的实际应用中，具有合理强度的冲击可能是有利的。

3 结论

随着锅炉尾气冷凝回收技术的发展，燃气锅炉热利用效率不断提高。当前，锅炉尾气凝结回收工艺、换热器的选择、烟气冷凝水的处理利用、受热面的腐蚀、烟气凝结流动等已成为主要研究问题。在换热器的设计方面，注意减弱或消除来自非冷凝性边界层的传质传热阻力，结合相应的烟气特性与工程实际，建立模型并进行换热系统的评价，综合考量，实现高效换热。防腐方面，综合经济、环保等多方面因素后，受热面、换热器材料尽量采用防腐金属，选取合适的防腐涂层，定期做好设备的检修与维护。Laval喷管设计方面，应注意结合实际烟气特性，对Laval 喷管渐缩段线型、渐扩段张角及旋流器位置对 Laval 喷管内压力分布和制冷性能的影响进行系统研究。分析不同组分的成核率以及最大液化率，设计出适合工况的最优方案。

此外，在“节能”的同时，如何进一步提升烟气余热回收装置在"减排"方面的作用，做好冷凝酸液的回收处理工作，也是当前需考虑的问题。针对上述问题，该技术领域的专家学者尚需进行大量的研究与实践。