基于燃气锅炉的烟气冷凝余热深度回收技术方案与节能潜力分析

党杰

摘要：随着全球环境污染的日益加剧，我国政府及民间各主体开始采取多种手段用以改善周边环境。文章针对大型燃气锅炉的烟气冷凝余热深度回收技术和节能潜力进行了分析并给出了烟气冷凝余热深度回收的技术方案。文章首先对我国当前能源利用情况以及冷凝式燃气锅炉的分类及形式进行了综述，其次对冷凝式燃气锅炉的工作原理和特点进行了技术性分析;最后以我国北方某既有大型燃气锅炉改造为例，对不同燃气锅炉烟气冷凝余热深度回收技术方案进行了总结。最终研究结果表明：对于该大型燃气锅炉而言，当排烟温度由175C下降至45C左右时，该大型燃气锅炉能够有效实现最高14%的节能效率;对于单台锅炉（70MW）而言，当排烟温度下降至45C左右时，能够有效回收烟气冷凝水75～155t/d，除水率最高可达65%，能够有效降低烟气排放量10%以上。

关键词：燃气锅炉;烟气冷凝;余热深度回收;节能潜力

中图分类号：X706;TU996

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）07-0158-04

0引言

随着全球自然环境的持续恶化，我国政府相继出台了一系列措施用以改善我国各地区的自然环境。自2015年开始，我国陆续开展了针对大型工业煤炉、民用燃煤取暖设备等的“煤改气”计划"。随着该计划的实施，近年来我国的大气环境质量得到了显著改善。然而，在“煤改气”的过程中也相继出现了一些问题，其中最为显著同时也是对百姓生活、企业经营影响最大的问题，在于我国天然气的储量问题。截至2017年底，我国已探明的天然气储量为5.50万亿m'，约占全球总探明储量的2.80%。出量少、价格高、对外依存度高已经成为我国通过“煤改气”改善自然环境计划中的最大难题。

1概述

1.1我国的天然气消费

现今世界上以煤炭作为主要能源的国家已经不多了，我国就是其中一个，在我国煤炭消费远高于世界平均水平，占总能源消费量的75%左右。煤炭是工业革命之后开始被广泛使用的，它是远古植物遗骸埋在地下经历了复杂的反应产生的碳化化石矿物，在我国煤炭的价格相对于石油和天然气来说比较便宜，而且存储量大，被广泛应用于人们的生产和生活中。但是，煤炭的大量应用会造成环境污染，煤炭燃烧会产生大量的二氧化硫、氮氧化物等污染物。在我国85%以上的SO，和接近80%的烟尘是由煤炭燃烧导致的，在世界城市污染排名中，前十的排名里我国占有四个城市，这些污染气体给生态环境带来了损害，同时也带来了环境压力。

2018年我国一次能源消费构成如图1所示用。从图中我们可以看出，较为清洁的化石能源中石油和天然气消费占比小，而煤炭占比比较大（污染环境），因此可以看出我国能源结构不合理。

我们从国内一些城市治理大气污染的结果看出，优化一次性能源的消费结构是改善大气污染的根本途径。优化一次性能源消费结构是改善大气污染的基础，天然气燃烧后基本不会排放烟尘和SO2，Nox的排放量比燃煤和燃油低很多，CO，的排放量也比燃煤和燃油低很多，而且，天然气的节能效果在生产、生活中的较为明显。

1.2冷凝式锅炉的形式和分类

根据冷凝式锅炉的特点，我们将其按如图2方法分类。

2冷凝式锅炉的工作原理和特点

冷凝式锅炉和传统锅炉相比，其可以将排烟温度降低至烟气露点之下，这是冷凝式换热器的作用。传统锅炉不能回收水蒸气中的潜热，它烟气中水蒸气的露点温度比烟气出口温度低用于防止低温腐蚀。传统锅炉尾部受热不均匀，排烟热损大，烟气中水蒸气不会发生冷凝，潜热也无法利用，而且烟气中的显热不能回收。但是冷凝式锅炉的设计恰恰可以弥补这些不足，还可以溶解CO2、NOx，进而可以减少CO，和NO，的排放，还能起到保护环境的作用。冷凝式锅炉具有如下特点.

2.1冷凝式换热器材质多变

将燃油、燃气锅炉增加冷凝式化热器是对传统锅炉进行余热回收改造的基础。而换热器一般成本比较高，那些燃烧重油和渣油的锅炉，会排放出大量的NO，和CO2，在冷凝式化热器的作用下，会产生酸性溶液，进而会产生腐蚀，所以对冷凝式化热器的材质要求比较高，因此材料价格和制造成本比较高。

防腐材料一般常用FERRITIC stainless steel、Austenitic stainless steel、AUSTENITIC-FERRITIC DUPLEX STAINLESS STEEL、Monel等。对冷凝液抗腐蚀性较好的还有铝和铝合金材料，但其使用效果不是很理想，会在使用中产生难溶液和锈痕，基于这种情况，铜就可以互补，所以铜和铜合金的应用就比较广泛，虽然铜的耐腐蚀性比铝差，但是铜不易产生锈痕和难溶液。因为塑料的耐腐蚀比较好，所以在欧洲国家，也有将塑料作为换热器材料使用的，天然气锅炉中使用冷凝式换热器已经有近50年的历史了，冷凝式换热器中应用到玻璃、陶瓷和塑料材料中的技术已经日渐成熟。

2.2节能效果好

冷凝式锅炉可以充分回收利用烟气和水蒸气，一般排烟温度低于52C，可以提高燃气锅炉的冷凝热。非冷凝式锅炉排烟温度一般在165C以上，可以降低锅炉的冷凝热”。冷凝式换热器使用时潜热可以被回收利用的的原理是：烟气在冷凝器中降温达到露点开始结露冷凝，释放汽化潜热，凝水量增多，可以被回收利用的就增多。冷凝水的量随着排烟温度的变化而变化。

2.3增强环境保护

燃料在锅炉中燃烧会释放酸性气体和CO.等温室气体，若不经处理直接排放就会对大氣层中的臭氧层造成严重的破坏。特别是小型锅炉，其储存量小，工作效率低，各类污染物的排放，势必会对坏境增加进一步负担%。冷凝水换热器的作用是将污染气体中的污染物溶于水并产生冷凝现象，直观性的减少污染物的排放。通过对德国某市小区燃气锅炉的改造，将以往的普通燃油锅炉供热改造为冷凝式换热器燃气锅炉。不仅整个小区的供暖成本大幅度降低，同时也减少了温室气体的排出。详情如表1所示。

3冷凝式锅炉烟气余热深度回收案例研究

3.1项目基本概述

排烟温度较高成为燃气锅炉的劣势之一，如：热水锅炉和蒸汽锅炉的排烟温度分别为150～200C、200～250C，较高的温度就很容易造成能源的浪费。余热中的烟气冷凝水含有大量的酸性物质，会对锅炉产生腐蚀作用。且会导致锅炉中的换热设备对余热资源再加工利用功能减弱。余热回收装置本身也有着制作成本高、体积较大等不利因素。

3.2节能分析参照

3.2.1锅炉输人热量

我国现将燃料的最低热值应用为计算元素，可得到锅炉输入热量的计算公式为

公式（1）中Q.（KW）为输入热量，H（kJ/M）为燃气低热值，B（M'/s）为燃气消耗。

3.2.2烟气冷凝热回收装置回收的热量

保温良好的冷凝热回收装置在计算回收热量时，需大体忽略散热损失。此时：冷凝热回收装置回收热量=烟气放出热量

3.2.3节能率

冷凝热回收装置的节能率=燃气利用低热值效率

3.2.4冷凝水量

当冷凝热回收装置出口烟温度低于烟气中硫酸蒸气等物质开始凝结时的温度时，冷凝水量的计算公式如下：

公式（2）中m，（kg/s）是烟气冷凝水回收量，Mg（kg/s）是烟气冷凝热回收装置烟气质量流量，ao、a;分别是出口烟气含湿量烟气、冷凝热回收装置进，单位为kg/kg。

4烟气冷凝余热深度回收可行性方案

以往的烟气余热回收技术大部分为多层次过滤换热，并且多层次换热采用的设备普遍造价高、占用面积大。下文根据此问题，将针对烟气冷凝余热的最大化回收列舉相关技术方案。

4.1方案1

方案1为：烟气冷凝余热加热锅炉回水或二次网供暖回水+自然空气冷却除湿方案。该方案的特点为：

1）想要削减冬季烟囱的排放总量，可以取用温度较低的间接供暖回水或加热锅炉回水，经过大气中空气的自然降温，从而减少烟气中的CO2的含量，减少对环境的污染。

2）在经济性能对比后，风机消耗的能源小于回收的热能，所以风机可作为余热回收时的辅助设备。

3）在安装空间有限的情况下，此方案占有绝对优势，且系统相对容易上手，有良好的可操控性。

4.2方案2

方案2为：烟气冷凝余热加热助燃空气和锅炉回水或2次网供暖回水方案。该方案的特点为：

1）在更为寒冷的区域，空气预热器可帮助加热空气温度，进而增强锅炉燃烧效率，大量回收烟气余热，也可间接性的降低锅炉排烟温度。

2）相比于空气换热器所占用的空间小且造价低，由更高的性价比。

3）适用于对助燃空气温度有上限要求的企业。

4.3方案3

方案3为：烟气冷凝余热加热助燃空气和锅炉回水与2次网供暖回水方案。该方案的特点为：

1）此方案可在企业无条件采用冷源来实现低温排烟时，最优化的利用烟气余热。

2）空气预热器可将烟气温度尽可能降低，采用锅炉回水换热，使换热面积小，传热温差大。

3）二次网供暖回水量少时，起到平衡调节的作用。

5不同烟气冷凝余热深度回收技术方案节能潜力分析及实测数据对比

5.1节能潜力分析

上述不同烟气冷凝余热深度回收技术方案节能潜力比较见表3。

由表了可知：

1）烟气冷凝热回收装置的进水温度与烟气温度是成正比关系的，进水温度越低，烟气温度也随之降低。回收烟气与回收冷水同样成正比关系，回收烟气余热越高，回收的凝水量越多。

2）锅炉排烟时，大气中空气温度会随之升高，此种方法适用于企业工厂场地小，资金短缺，等情况下，能够很好地利用余热来深度加温。

以上实施方案有其侧重点，在结合锅炉运行情况、企业经济技术水平和工厂空间等现实元素后，最终才可选择合适的方案，实现对自然环境的低碳排放。

5.2实测数据对比

对北方某住宅小区热水供暖锅炉房进行节能改造后跟踪监测得到的典型工况数据如表4所示。

实验结论

表4表明，锅炉排烟温度从139.88～146.47C降到43.67～49.78C，节能率为10.16%～12.06%。理论计算结果为：锅炉排烟温度从160C降到40～50C，节能率为10%～13%。计算数据与实测数据接近。

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