燃气热水锅炉烟气余热利用研究

傅强 李军 王重阳 赵旭

摘 要：针对燃气热水锅炉的排烟余热量较大和烟气视觉污染，本文分析了烟气余热回收和“烟气消白”原理，主要介绍了间壁式换热器和直接接触式换热器两种回收技术，为燃气锅炉烟气余热回收奠定了基础。

关键词：燃气热水锅炉;烟气余热;换热器;消白

普通燃气锅炉的排烟温度较高，蒸汽锅炉排烟温度约为100～150℃（省煤器后），热水锅炉排烟温度约为80～110℃（省煤器后），造成了能源浪费和环境污染。烟气中的余热有很大一部分存在于水蒸气潜热之中，因而在降低烟气温度，回收显热的同时，将烟气中的水蒸气潜热回收才能做到真正的烟气全热回收。燃气锅炉高温烟气的水蒸气处于未饱和的状态，因而必须通过降温使水蒸气冷凝析出。如果要将水蒸气冷凝，必须将烟气温度降低到对应的露点温度以下。因此，这要求烟气余热回收装置必须具备较强的热交换能力，将高温烟气降低到足够低的温度，将烟气中的水蒸气尽可能多地凝出，释放尽可能多的潜热。此部分烟气的低温余热量较大，如何回收低温余热成为节约能源的重要措施。

吴佳蕾等[1]通过对烟气冷凝余热低温技术的研究得出当排烟温度由160℃降至30～50℃时，节能10%～13%;单台锅炉（70 MW）回收烟气冷凝水70～160 t/d，除水率达27%～60%，减少了雾气排放量，减排二氧化碳和氮氧化物10%以上。大型燃气锅炉烟气冷凝余热深度回收节能、节水、减排和净化潜力巨大，经济社会效益十分可观。

1 燃气锅炉烟气余热回收

烟气冷凝热回收原理是在燃气锅炉之后设置烟气冷凝热换热器，利用锅炉尾部的低温烟气的余热进行低温换热，通过系统中介水，置换出烟气的低温余热，同时，采用天然气燃烧驱动吸收式热泵技术吸收中介水的热量。

燃气锅炉的燃料是天然气，主要成分是CH4，因此燃烧后的烟气中会含有大量的水蒸汽，占烟气比例的约16-17%（空气过量系数1.1-1.25），当烟气温度降低时，尾气中的水蒸气饱和湿度也随之降低;当温度降低时，燃气锅炉尾气中的水蒸气随之冷凝出，同时释放大量的汽化潜热，约占消耗燃气低位发热量的10%左右。这一比例，远大于锅炉散热损失、燃气不完全燃烧损失在总热量中的比例。

锅炉排放烟气经冷凝热回收后烟气温度降低，烟气中的水份凝结后回收。本工程对于节能、节水、提高系统的综合利用效率都有重要意义。锅炉余热系统原理图，详见下图：

2 直接接触式换热器和间壁式换热器

2.1 间壁式换热器

间壁式换热器位于烟道出口，中介水经间间壁式换热器与锅炉的排烟进行换热，将烟气温度降低至30℃以下，中介水经换热器加热后进入吸收式热泵机组作为低温热源，以燃气作为吸收式热泵机组的高温热源。热网回水首先经过吸收式热泵机组进行加热，以此节约热网回水在锅炉中的吸热量，之后进入锅炉加热至所需温度。

由于间壁式换热器的端差较大，为了使烟气温度降到露点以下，回收烟气中的潜热，换热器的换热面积需要很大。因此，此种形式换热器需要一定的占地空间且阻力较大。另外，由于烟气中析出大量冷凝水，冷凝水PH值呈酸性，因此对换热器的腐蚀较为严重。如何解决防腐问题对延长换热器的寿命较为重要。

2.2 直接接触式换热器

与间壁式不同的是，直接接触式换热器是烟气和水直接接触换热换热效果较好。若直接接触式换热器做成塔式换热器，则烟囱可落于喷淋塔上方，二者合为一体;若换热器为一腔体，则可从烟道中抽取一旁路烟道，之后回至原烟囱，此时换热器可放置于热泵机组顶部，亦可独立放置。

2.3 两种换热方式的对比

间壁式换热器属于利用烟气系统与水系统经过不同的管路进行换热，相当于市场上常见的小型板式换热器。直接接触式则采用烟气与水直接接触的方式。

间壁式换热系统中产生的酸性凝水直接对换热器和热泵机组产生腐蚀作用，使得设备的寿命明显缩短。而接触式系统通过加碱保证了凝水一直处于弱碱性状态，换热器和热泵的寿命完全得以保证。

间壁式系统采用大量的换热管进行管内外的热量交换，因为管束数量庞大，使得烟气的流通阻力增大，正常情况下烟气压损高达3000Pa，必须安装大功率的风机才可保证排烟。而接触式换热则不存这样的问题，弯头、拐角、挡液板的压力损失之和最大也不超过500Pa，基本上原锅炉系统的风机的富余压头即可保证顺利排烟。因为大功率风机的投运，也就造成间接式换热系统的运行费用远高于接触式换热系统。

2.4 消白系统

由于经过余热利用后，烟气中的冷凝水大部分已经析出。考虑在余热回收换热器后增加换热器，利用热网供水加热烟气，使最终排出的烟气温度高于露点温度以达到消白的效果。

3 结论

（1）通过在燃气热水锅炉尾部增加烟气余热利用装置，一方面提高了燃气的利用效率，另一方面達到了“烟气消白”的效果，减少了视觉污染。

（2）余热收集的形式一般包括直接接触式换热器和间壁式换热器回收，两种方式各有利弊，在实际应用中应综合考虑项目实际情况。

（3）利用烟气余热回收系统，在外供热量不变的情况下可以降低天然气的消耗，降低运行能耗。同时，由于降低烟温，回收了大量冷凝水，减少了供热厂的水耗，具有较好的经济效益。

参考文献

[1]吴佳蕾等.大型燃气锅炉烟气冷凝余热深度回收技术方案与节能潜力分析[J].暖通空调，2016，46（3）。