摘　要：介紹了基于吸收式換熱的煙氣余熱深度利用系統(tǒng)，對煙氣冷凝的凈化效果進(jìn)行了測試，對系統(tǒng)的排放進(jìn)行了分析與評價(jià)，為系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供重要參考。

關(guān)鍵詞：天然氣　煙氣　冷凝熱回收　深度利用

1　引言

鍋爐煙氣中蘊(yùn)含著大量的顯熱和潛熱，充分利用煙氣中的能量可減少能源消耗，從而實(shí)現(xiàn)污染物減排。天然氣鍋爐煙氣含濕量較高，水蒸汽冷凝過程會(huì)放出大量的汽化潛熱，同時(shí)產(chǎn)生大量的水，且天然氣雜質(zhì)較少，凝結(jié)水相對清潔，因此天然氣的煙氣余熱回收成為研究的熱點(diǎn)。在供熱系統(tǒng)中，燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收可以采取不同的技術(shù)路線。最常見的是在常規(guī)燃?xì)忮仩t尾部增設(shè)冷凝式換熱器，這方面的研究包括傳熱理論與實(shí)驗(yàn)研究^[1-4]、強(qiáng)化傳熱與防腐研究^[5-7]，冷凝換熱裝置的設(shè)備開發(fā)及示范工程的應(yīng)用等^[8-9]。

燃?xì)忮仩t煙氣的露點(diǎn)溫度在55℃左右，只有被加熱介質(zhì)溫度低于55℃才能回收煙氣中的冷凝熱，在30℃甚至以下才能取得更好的熱回收效果，在我國的集中供熱領(lǐng)域，熱網(wǎng)回水溫度一般在50℃以上，因此不能充分回收煙氣冷凝熱。這種直接在燃?xì)忮仩t尾部增設(shè)冷凝式換熱器的方法往往只能回收煙氣的部分潛熱，不能實(shí)現(xiàn)冷凝熱的深度回收。

近年來隨著吸收式換熱技術(shù)^[10-11]的日趨成熟，利用吸收式換熱技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的深度利用，系統(tǒng)利用吸收式熱泵制造一種低溫冷媒，使得煙氣的排煙溫度更低，余熱回收更徹底，因?yàn)樗魵獗淮罅坷淠聛?，煙囪不冒白煙，?jié)能和環(huán)保效果均更為顯著，這種技術(shù)路線逐步得到了業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可并備受關(guān)注。文獻(xiàn)^[12]介紹了這種技術(shù)，并就該系統(tǒng)及余熱回收裝置進(jìn)行了傳熱理論與實(shí)驗(yàn)研究、冷凝換熱裝置的設(shè)計(jì)和設(shè)備開發(fā)，并陸續(xù)在幾個(gè)鍋爐房中成功應(yīng)用。隨著新技術(shù)的應(yīng)用，水蒸氣被冷凝的量越來越大，煙氣中的COx、NOx等污染物會(huì)溶于冷凝液中，從而減少了直接排放到大氣環(huán)境中的各種污染物濃度，其減排總量多大?該技術(shù)使系統(tǒng)的排煙溫度越來越低，可以做到近常溫排放，排煙溫度的降低對污染物擴(kuò)散的影響如何?本文針對煙氣余熱深度利用技術(shù)的環(huán)境排放問題進(jìn)行研究，研究結(jié)論將對該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供重要的參考。

1　基于吸收式換熱的煙氣余熱深度利用系統(tǒng)

圖1所示是一種利用吸收式熱泵的燃?xì)忮仩t房煙氣余熱回收系統(tǒng)，吸收式熱泵以天然氣為驅(qū)動(dòng)能源，驅(qū)動(dòng)吸收式熱泵產(chǎn)生冷水對煙氣余熱進(jìn)行回收，該冷水即中間介質(zhì)水與煙氣的換熱過程可以采用直接接觸式換熱或者間接換熱器進(jìn)行換熱，使煙氣降溫至露點(diǎn)溫度以下，煙氣中的水蒸汽凝結(jié)放熱，達(dá)到回收煙氣余熱及水分的目的。熱網(wǎng)回水首先通過吸收式熱泵進(jìn)行加熱，然后進(jìn)入燃?xì)忮仩t加熱至設(shè)計(jì)溫度后供出，完成熱網(wǎng)水的加熱過程。

利用該技術(shù)可使系統(tǒng)排煙溫度降低到30℃以下，提高燃?xì)饽茉蠢眯?span lang="EN-US">10％以上，目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在北京總后鍋爐房、竹木廠鍋爐房等工程中應(yīng)用，取得了較好的節(jié)能效果。通過實(shí)際運(yùn)行觀測發(fā)現(xiàn)對煙囪冒白煙的削減作用明顯。這種技術(shù)的增量投資一般在3年以內(nèi)可以回收。

2　煙氣冷凝對排煙組分的凈化機(jī)理

煙氣冷凝對排煙組分的凈化是復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程。煙氣冷凝是煙氣中水蒸汽在換熱壁面上冷凝成液膜或細(xì)小的水滴，繼而匯聚成大水滴或細(xì)小液流，在這過程中，煙氣中的不同組分將會(huì)溶入冷凝水溶液中，或者與冷凝水溶液發(fā)生反應(yīng)，煙氣中的有害物質(zhì)得以凈化，使得排煙中有害氣體含量降低。

煙氣冷凝過程中NOx的凈化：氮的氧化物有NO，NO2，N2O，N2O5等，統(tǒng)稱NOx。構(gòu)成大氣污染和光化學(xué)煙霧的主要是NO，NO2。鍋爐煙氣中氮的氧化物主要是NO，NO2含量較少。NO稍溶于水，NO2易溶于水，形成亞硝酸和硝酸水溶液。NO2溶于水的反應(yīng)式為：2NO2+H2O＝HNO3+HNO2。

3　煙氣冷凝的凈化效果測試

煙氣冷凝可減少排煙中的有害物質(zhì)，但其凈化效果受到多種因素的影響。這些因素有冷凝液量、燃料種類、熱交換介質(zhì)的溫度等。有研究發(fā)現(xiàn)^[3]：煙氣冷凝對NOx的凈化效果與煙氣中SO2的存在與否有關(guān)。在煙氣中無SOx存在時(shí)，煙氣冷凝對NOx的凈化效果較好，一般對NOx的吸收率能達(dá)到10％～20％：煙氣中有SO2存在時(shí)，煙氣冷凝對NOx的凈化效果明顯降低，一般對NOx的吸收率在10％以下。由于SO2的親水性強(qiáng)于NOx，煙氣中有SO2存在時(shí)，SO2與水的作用抑制了NOx與水的作用，使得煙氣冷凝對NOx的凈化效果降低。針對本文所示系統(tǒng)，因?yàn)橄到y(tǒng)排煙溫度更低，冷凝液量更大，其凈化效果需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用直接噴淋式煙氣冷凝換熱器，這種直接接觸方式的優(yōu)勢在于：極大地增加了煙氣一水兩相流體的接觸面積，瞬間完成傳熱和傳質(zhì)，達(dá)到強(qiáng)化換熱的效果。

3．1　測試方案

測試情景：對系統(tǒng)的熱力工況進(jìn)行了測試，分別在不開啟煙氣余熱回收系統(tǒng)(工況1)及開啟煙氣余熱回收系統(tǒng)并進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行工況(工況2)進(jìn)行了測試，基于兩組測試結(jié)果定量分析余熱回收裝置效果。煙氣系統(tǒng)的測點(diǎn)及測試內(nèi)容如下：

(1)測點(diǎn)位置：測試在余熱回收煙氣系統(tǒng)管道開設(shè)采樣孔，有效內(nèi)徑100mm，開孔位置如圖lA、B、C三點(diǎn)所示；

(2)測試內(nèi)容：煙氣參數(shù)溫度、含氧量和煙氣污染物濃度(CO、C02、NO、NO2、NOx)。

3．2　測試數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)工況l：余熱回收關(guān)閉，僅燃?xì)忮仩t運(yùn)行。

該工況下，燃料消耗量為1572Nm³／h，總供熱量14MW。

系統(tǒng)工況2：余熱回收開啟，燃?xì)忮仩t與吸收式熱泵同時(shí)運(yùn)往。

該工況下，燃?xì)忮仩t燃料消耗量為1572Nm³／h，吸收式熱泵燃料消耗量為358.5Nm³／h，系統(tǒng)總供熱量為19.01MW，其中鍋爐供熱量14MW，余熱回收系統(tǒng)供熱5.02MW(其中含1.9MW煙氣余熱)。工況2與工況1相比系統(tǒng)供單位熱量lMWh的燃料消耗量由112.3Nm³燃降低到l01.6Nm³，供熱節(jié)能率為9.5％。

兩個(gè)情景下的煙氣采樣分析結(jié)果如下：

從以上數(shù)據(jù)可以看出，同樣消耗lNm³天然氣，排放因子減少了5.73%。

4　煙氣余熱深度利用系統(tǒng)排放分析與評價(jià)

4．1　系統(tǒng)排放總量分析

采用兩種系統(tǒng)供應(yīng)相同的熱量1MWh，系統(tǒng)1的排放總量＝112.3Nm³×0.75g／Nm³燃?xì)猓?span lang="EN-US">84.225g；系統(tǒng)2的排放總量＝101.6Nm³×0.707g／Nm³燃?xì)猓?span lang="EN-US">71.831g，總排放減少了14.7％。分析其貢獻(xiàn)率包含兩部分，一部分是因?yàn)槿剂系墓?jié)省降低了排放總量，這部分貢獻(xiàn)即節(jié)能貢獻(xiàn)率約為9.5％，另一部分是采用了吸收式煙氣余熱回收裝置使得污染物濃度降低，對總排放量的貢獻(xiàn)。

4．2　排煙溫度降低對擴(kuò)散的影響分析

該項(xiàng)煙氣余熱回收技術(shù)對污染物擴(kuò)散的影響可以從兩個(gè)方面分析，隨著排煙溫度的降低，一方面：煙氣余熱回收量逐漸增大，供相同的熱量節(jié)省了燃料，燃料的節(jié)省會(huì)使NOx排放速率減小，NO2的最大落地濃度減小；另一方面，隨著煙氣溫度的降低，污染物不宜擴(kuò)散，煙氣本體的NO2的最大落地濃度增加，兩種因素的作用一正一負(fù)，因此需要對兩方面分別分析其綜合效果。

4．2．1排煙溫度和燃料節(jié)省對擴(kuò)散的影響

為了清除的分析兩種因素的影響，首先假設(shè)排煙溫度不變的條件下，僅分析節(jié)省燃料對排放的影響；然后假設(shè)燃料消耗量不變，僅分析排煙溫度降低對排放的影響。將相關(guān)參數(shù)輸入Screen3模型(《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》(HJ2.2—2008)中推薦的估算模式)計(jì)算，得到最大落地濃度和最大落地距離。圖2為節(jié)省燃料對NOx最大落地濃度的影響，隨著余熱回收程度的增加，燃料會(huì)逐漸節(jié)省，隨著燃料節(jié)省比率的增大，NOx最大落地濃度逐漸減小，當(dāng)從顯熱回收段進(jìn)入潛熱回收段后，落地濃度顯著降低。圖3為降低排煙溫度對落地濃度的影響，隨著排煙溫度的降低，落地濃度逐漸增加，趨勢較為明顯。

綜合分析正負(fù)兩方面因素，將其繪制在一張圖中，如圖4所示，排煙溫度降低對落地濃度的增加要明顯比燃料的節(jié)省更為顯著，說明排煙溫度降低是主要影響因素，綜合起來落地濃度是隨著煙氣溫度的降低逐漸增大的。圖5為兩個(gè)因素對最大落地距離的影響，隨著煙氣的深度利用，無論是排煙溫度降低還是燃料量的節(jié)省均會(huì)使最大落地距離逐漸減小，同樣，排煙溫度降低是主要影響因素。

4．2．2實(shí)際兩種工況污染物擴(kuò)散情況分析

將實(shí)測的煙氣參數(shù)和N0x排放濃度輸入sereen3模型，得到最大落地濃度和最大落地距離，見表2，落地濃度隨排放源距離(距離煙囪的距離)的變化如圖6所示。

根據(jù)模型測算結(jié)果，余熱回收工況NOx最大落地濃度略有增加，增加了2.88mg／m³。從圖中可見，余熱回收工況NOx落地濃度達(dá)到峰值后，隨排放距離衰減速率大于燃?xì)忮仩t供熱工況，即余熱回收工況雖然最大落地濃度略有增加，但是迅速衰減，在距離排放源300米以后，兩種工況的排放就基本相當(dāng)了。無論是哪一種工況，其排放均遠(yuǎn)低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)中的二類區(qū)NO21h平均值(200mg／m³)；且余熱回收工況最大落地距離減小了l7.6％，減小了污染范圍。

以上研究分析說明了隨著煙氣排煙溫度的降低，對擴(kuò)散的總體影響較小，在煙氣余熱回收技術(shù)的推廣應(yīng)用過程中，針對利用該項(xiàng)技術(shù)的燃?xì)忮仩t房，均不必要重新進(jìn)行環(huán)境影響評價(jià)。

6　結(jié)論

隨著煙氣余熱深度利用技術(shù)的出現(xiàn)，使系統(tǒng)的排煙溫度越來越低，可以做到近常溫排放，本文針對其環(huán)境排放問題進(jìn)行研究，研究了煙溫度的降低對污染物擴(kuò)散的影響，得出以下結(jié)論：

(1)系統(tǒng)減排總量的結(jié)論：通過對煙氣余熱深度利用系統(tǒng)的進(jìn)行實(shí)測得出：測試工況下，系統(tǒng)排放總量減少了14.7％，分析其貢獻(xiàn)率包含兩部分，一部分是因?yàn)槿剂系墓?jié)省降低了排放總量，這部分貢獻(xiàn)即節(jié)能貢獻(xiàn)率約為9.5％，另一部分是采用了吸收式煙氣余熱回收裝置使得污染物濃度降低，對總排放量的貢獻(xiàn)約為5.2％。

(2)最大落地濃度的影響分析得出：因?yàn)楣?jié)能的燃料節(jié)省和排煙溫度降低均對最大落地濃度產(chǎn)生影響，隨著燃料的節(jié)省，最大落地濃度減小，隨著排煙溫度的降低，最大落地濃度增加。排煙溫度降低對落地濃度的影響更為顯著使得總的趨勢是隨著排煙溫度的降低，最大落地濃度增大。

(3)最大落地距離的影響分析得出：因?yàn)楣?jié)能的燃料節(jié)省和排煙溫度降低均使最大落地距離減小，排煙溫度降低是減小最大落地距離的主要影響因素。

(4)通過實(shí)際煙氣余熱回收與否兩種工況的濃度對比分析，得出：余熱回收工況NOx最大落地濃度略有增加，但是迅速衰減。無論是哪一種工況，其排放均遠(yuǎn)低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)中的二類區(qū)NO2lh平均值(200mg／m³)；且余熱回收工況最大落地距離減小了l7.6％，減小了污染范圍。

以上研究分析說明了隨著煙氣排煙溫度的降低，對擴(kuò)散的總體影響較小，在煙氣余熱回收技術(shù)的推廣應(yīng)用過程中，針對利用該項(xiàng)技術(shù)的燃?xì)忮仩t房，均不必要重新進(jìn)行環(huán)境影響評價(jià)。

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本文作者：趙璽靈　付林　李鋒　陳春寅

作者單位：清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系