燃气锅炉烟气余热深度回收技术应用

摘要：为了降低燃气锅炉的排烟温度、提升燃气锅炉的热效率，可采用间接接触式换热器或直接混合式换热器实现烟气余热深度回收。分别介绍了这两种技术的特点，并以河南某电厂为例，详细计算了设置直接混合式换热器前后的烟气参数，计算结果表明，该技术对烟气余热回收有显著成效，但冷凝液的高腐蚀性是推广中的一大难题。引言：随着我国优化能源结构，推进节能减排政策，燃气锅炉正在取代燃煤锅炉在城市生活、生产供热中的得到广泛应用，提高天然气利用水平也逐渐成为能源环境工程领域的一个重要课题。天然气燃烧后的烟气中含有体积分数达15％～20％的水蒸汽，排烟温度一般在150℃以上，燃气轮机配套的余热锅炉的排烟温度一般也可达到80℃，大量水蒸汽的汽化潜热得不到利用，随烟气排出，损失巨大。众所周知，燃气锅炉的热效率提升途径主要体现在降低排烟热损失q2、化学不完全燃烧损失q3，和散热损失q5。常规排烟温度的燃气锅炉，其排烟热损失q2一般为5％一8％，化学不完全燃烧损失q3，一般为0.5％，散热损失q5一般为1％～3％。由于燃气没有固体颗粒的机械不完全燃烧现象，则排烟热损失占整个效率损失的比例约70％～80％。国外早在20世纪70年代就已经研制出并运行排烟温度为40—50℃左右的冷凝式燃气锅炉。所谓“冷凝式燃气锅炉”就是采用冷凝式烟气换热器将燃气锅炉排烟中的水蒸汽冷凝回收，以达到提高锅炉效率、降低污染排放的燃气锅炉。由于燃气锅炉所用燃料中绝大部分为烃，其排烟中水蒸汽含量较高(远远大于煤燃料)，回收排烟中大量的烟气显热和水蒸汽潜热，可提高锅炉效率10％～15％，数量相当可观。为回收烟气中的余热，可采用间接接触式换热技术和直接混合式冷凝技术。

1、间接接触式换热技术

1.1热管式间接换热技术热管式换热器的工作原理为：采用由“管壳、吸液芯和端盖”组成的典型热管换热器，使热管内的吸液一端蒸发，另一端冷凝，往复循环实现烟气热量的吸收与传递。其技术特点为：①结构简单，换热效率相对其他间接换热节能技术高；②在传递相同换热量条件下，换热器的金属消耗量小于其他形式的间接换热器；③换热流体通过换热器时的阻力损失比其他间接式换热器的小，动力消耗小；④换热元件相互独立，对冷热流体间的隔离和换热影响小；⑤可方便调整冷热侧换热面积比，有效避免腐蚀性气体的露点腐蚀。

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热管式节能器的实质是一种热管大型化的复合相变换热器，它可以良好的控制换热器尾部壁面温度，从而使全部换热面温度接近而高于酸露点，从而在避免产生酸腐蚀的情况下，最大程度的回收烟气余热。复合相变热管式节能器回收的目标仍然是烟气的显热。

1.2列管式间接换热技术列管式换热器的工作原理为：采用由“管、壳”组成的典型列管换热器，使换热管内液体吸收管外的烟气热量，实现烟气热量的吸收与传递。其技术特点为：①结构简单，换热效率较高；②换热流体通过换热器时的阻力损失比其他间接式换热器大，动力消耗大；③换热元件相互独立，对冷热流体间的隔离和换热影响小；④可方便调整冷热侧换热面积比，有效避免有腐蚀性气体的露点腐蚀J。目前，列管式换热器在低温烟气汽化潜热提取上缺少成熟产品。1.3板式间接换热技术板式换热器的工作原理为：采用由“一系列具有一定波纹形状的不锈钢板片”组装而成的“烟侧、水侧”非对称型板式换热器，使换热器内水侧液体吸收烟气侧的烟气热量，实现烟气热量的吸收与传递。其技术特点为：①换热损失小，换热效率较高；②结构紧凑，重量轻，占地面积小；③在传递相同压力损失条件下，其换热系数比列管式高3～5倍，热回收率可达90％以上。板式换热器适用于较洁净介质的传热换热，其缺点是不能大型化。另外，这几种间接换热技术还有以下共同的特点：①无运动部件，维修保养简单，使用寿命长；②合适的烟气参数可节省能源5％～15％，投资回收期相对较长；③应用常规的间接接触式冷凝换热器对烟气进行余热回收，很难将烟气降低到露点温度以下，水蒸汽的凝结量较小，对烟气中的潜热回收有限，所需换热器体积庞大。2、烟气直接混合式冷凝技术直混式冷凝技术采用吸收式换热技术，即冷却水经专业设计布置的多个带压喷嘴覆盖塔截面，喷淋水经过热传导，在接触面让烟气实现大部分冷凝，不凝气体和少量无法冷凝烟气水蒸汽在低温下排放。喷淋水在下降过程中持续与较高温度烟气换热，起到再热循环水和预冷烟气的作用。该技术可将烟气温度降低至比冷却水温度低5～10℃，被加热的喷淋水可作为低位热源，进入热泵经提升温度后作为供暖热水。图1为烟气直接混合式冷凝塔的示意图。

如图1，烟气由底部烟气进口进入设备，自下而上经填料床与顶部喷淋下来的冷却水进行混合冷却，逆流换热，冷却后的烟气经顶部气水分离装置分离后由冷却塔顶部排出，冷却塔筒本身即是烟囱；循环冷却水由塔顶部进入装置，经由喷淋装置自上而下通过填料床与烟气混合，提取出烟气中的余热，被加热后的循环水由塔底部排出，经循环泵升压送至下一级。同时，直混式换热过程还伴随着烟气中NOx、硫化物等污染物溶解入循环水中，等同于烟气被循环水所洗涤处理，从而仅有少量不溶不凝气体从直混式冷凝节能器中被排出，有效减少最终排出烟气中的有害物质。而不断的烟气冷凝，使得一次侧的循环水逐渐增多，可通过加药装置调节凝结水的PH值，保证一次侧的相对清洁性和低酸性，保证系统的长期寿命。该技术有以下特点：①可根据客户热源条件量身定制；②节能效率高，可节省能源15％～30％，远比其他任何间接换热节能技术效率高；③低排放低污染，能使氮氧化物的排放量减少70％以上；④能实现无人值守；⑤安装周期短，使用寿命长；⑥维修保养费用低；⑦可多台(锅炉)烟气系统共用一套节能系统；⑧投资回报快，成本可在3～5年内回收。以河南某热电厂为例，该厂的余热锅炉烟气参数如表1所列。

该热电厂冬季工况的排烟温度为88.53℃，经估算，经过直混式冷凝塔后，可将2535.1t／h的烟气降至34℃左右，每小时可回收烟气热量76MW，其中显热44MW，潜热32MW，其数量是相当可观的。被回收的热量可将4668t／h的循环水由29℃加热至43℃，该部分的热水可作为热泵的低位热源。详细的换热参数见表2。

该电厂若使用了直接混合式冷凝技术，每小时可回收烟气余热76MW，按当地57GJ的热价，每年预期增加收益3000万元(按80天供暖期)，可节约标准煤1.77万吨，预期投资回收期为5年。

结语：常规的间接接触式换热技术虽然比较成熟，但对烟气中潜热的回收能力有限，随着对环保要求的不断提高，更有效的余热回收方式势在必行，而合理选择适宜的烟气余热回收装置，对于燃气锅炉的效率提高有着重要意义。直接混合式换热技术对回收烟气潜热有着显著成效，但是，当排烟温度低于烟气露点时，会形成具有高腐蚀性的酸眭冷凝液，对设备的使用寿命造成影响J，这也是该技术实际应用时的一大难题，但综合来说，直混式冷凝技术还是值得推广的。

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