摘　要：介紹基于吸收式換熱的燃?xì)忮仩t房煙氣余熱深度利用系統(tǒng)流程，對煙氣冷凝的凈化效果進(jìn)行測試，對煙氣排放量及排煙溫度降低對煙氣擴(kuò)散的影響進(jìn)行了分析與評價。

關(guān)鍵詞：吸收式換熱：  煙氣余熱；  冷凝熱回收；  排煙溫度；  落地濃度

Analysis on Influence of Reducing Flue Gas Temperature of Gas-fired Boiler on Flue Gas Diffusion

Abstract：The deep utilization system process of the boiler flue gas waste heat based on absorption-type heat exchange is introduced．The purification effect of the flue gas condensation is tested．The influence of flue gas emission and temperature reduction on flue gas diffusion is analyzed and evaluated．

Keywords：absorption-type heat exchange；flue gas waste heat；condensing heat recovery；flue gas temperature；ground concentration

1　概述

鍋爐煙氣中蘊(yùn)含著大量的顯熱和潛熱，充分利用煙氣中的熱量可以減少能源消耗，從而實現(xiàn)污染物減排。天然氣鍋爐煙氣含濕量較高，水蒸氣冷凝過程會放出大量的氣化潛熱，同時產(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。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驗研究^[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煙氣的露點在55℃左右(過剩空氣系數(shù)在1.15時)，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)可以實現(xiàn)煙氣余熱的深度利用，系統(tǒng)利用吸收式熱泵產(chǎn)生一種低溫冷介質(zhì)，使得煙氣的排煙溫度更低，余熱回收更徹底，水蒸氣被大量冷凝下來，節(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)行了傳熱理論與實驗研究、冷凝換熱裝置的設(shè)計和設(shè)備開發(fā)，并陸續(xù)在幾個鍋爐房中成功應(yīng)用。隨著新技術(shù)的應(yīng)用，水蒸氣被冷凝的量越來越大，煙氣中的碳氧化物、氮氧化物等污染物會溶于冷凝液中，從而減少了直接排放到大氣環(huán)境中的各種污染物的量，其減排總量多大?該技術(shù)使系統(tǒng)的排煙溫度越來越低，可以做到低于30℃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。

2　基于吸收式換熱的煙氣余熱利用系統(tǒng)

將吸收式換熱的理念應(yīng)用到燃?xì)忮仩t的煙氣余熱回收中，其流程見圖1。在燃?xì)忮仩t房增設(shè)吸收式熱泵與煙氣冷凝換熱器，吸收式熱泵以天然氣為驅(qū)動能源，產(chǎn)生冷介質(zhì)，該冷介質(zhì)與煙氣在煙氣冷凝換熱器中換熱，換熱過程可以采用直接接觸式換熱器或者間接換熱器，使系統(tǒng)排煙溫度降至露點以下，煙氣中的水蒸氣凝結(jié)放熱，達(dá)到回收煙氣余熱及水分的目的。熱網(wǎng)回水首先進(jìn)入吸收式熱泵中被加熱，然后進(jìn)入燃?xì)忮仩t加熱至設(shè)計溫度后供出，完成熱網(wǎng)水的加熱過程。燃?xì)忮仩t的排煙進(jìn)入煙囪底部，被置于煙氣冷凝換熱器頂部的引風(fēng)機(jī)抽出，與吸收式熱泵的排煙混合后進(jìn)入煙氣冷凝換熱器中，系統(tǒng)排煙溫度降低到30℃以下后送入煙囪中排放至大氣。在煙囪抽出煙氣與送回?zé)煔饪谥g增設(shè)隔板。我們的實驗系統(tǒng)采用直接接觸式煙氣冷凝換熱器。

利用該技術(shù)可使系統(tǒng)供熱效率(系統(tǒng)供熱量與輸入系統(tǒng)中的燃?xì)獾牡臀粺崃恐?span lang="EN-US">)提高l0％以上。目前該項技術(shù)已經(jīng)在北京總后鍋爐房余熱回收工程、北京竹木廠鍋爐房余熱回收工程中應(yīng)用，取得了較好的節(jié)能效果。這種技術(shù)的增量投資(包括吸收式熱泵、煙氣冷凝換熱器及配套水泵、閥門等設(shè)備的投資)一般在3a以內(nèi)可以回收。

3　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氣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)得以去除，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)煙霧的物質(zhì)主要是NO、NO2，其他忽略不計。鍋爐煙氣中氮的氧化物主要是NO，而NO2含量較少。NO稍溶于水，溶解量忽略不計。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+H2O9HNO3+HNO2。

4　直接接觸式煙氣冷凝換熱凈化效果測試

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)^[13]：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SO2存在時，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，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，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)，系統(tǒng)比傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t的排煙溫度更低，冷凝液量更大，其凈化效果需要進(jìn)行實驗研究。實驗系統(tǒng)中采用直接接觸式煙氣冷凝換熱器，這種方式的優(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。

4.1　測試方案

對系統(tǒng)的兩種工況進(jìn)行了測試，工況1是不開啟煙氣余熱回收系統(tǒng)，工況2是開啟煙氣余熱回收系統(tǒng)?；趦山M測試結(jié)果定量分析余熱回收裝置效果。在余熱回收煙氣系統(tǒng)中設(shè)采樣孔，采樣孔有效內(nèi)直徑為100mm，開孔位置如圖1中的A、B、C三點所示，A點位于鍋爐的排煙口處，B點位于吸收式熱泵的排煙口處，C點位于煙囪總出口處。A、B點的數(shù)據(jù)用于日常分析和校核，本文主要分析C點的數(shù)據(jù)，具體測試數(shù)據(jù)見表1。

4.2　測試數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)工況1：余熱回收系統(tǒng)關(guān)閉，僅燃?xì)忮仩t運行。該工況下，燃料消耗量為1572m³／h，總供熱量為14.0MW。

系統(tǒng)工況2：余熱回收系統(tǒng)開啟，燃?xì)忮仩t與吸收式熱泵同時運行。該工況下，燃?xì)忮仩t燃料消耗量為1572m³／h，吸收式熱泵燃料消耗量為358.5m³／h，系統(tǒng)總供熱量為19.01MW，其中鍋爐供熱量為14MW，余熱回收系統(tǒng)供熱量為5.01MW(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(1MW·h)的燃料消耗量由112.3m³天然氣降低到101.6m³，供熱節(jié)能率，為9.5％。供熱節(jié)能率等于工況2燃?xì)夂牧颗c工況1燃?xì)夂牧恐钆c工況1燃?xì)夂牧恐取?span lang="EN-US">

表1中，兩個工況下的煙氣采樣分析結(jié)果是以煙囪總出口處(C點)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。表1中*為折算值，是將工況1的NOx排放速率折算到與工況2供應(yīng)相同的供熱量條件下的NOx排放速率。表1中排放因子定義為每1m³天然氣燃燒后排放的NOx的質(zhì)量?？梢钥闯觯瑯酉?span lang="EN-US">1m³天然氣，工況2比工況1排放因子減少了5.73％。

5　煙氣余熱深度利用系統(tǒng)排放分析與評價

5.1　系統(tǒng)排放總量分析

設(shè)兩種工況供應(yīng)相同的熱量(1MW·h)，工況1的排放總量＝112.3m³×0.75g／m³＝84.225g；工況2的排放總量＝101.6m³×0.707g／m³＝71.831g，總排放量比工況1減少了14.7％。分析其貢獻(xiàn)率包含兩部分，一部分是因為燃料的節(jié)省降低了排放總量，這部分貢獻(xiàn)即節(jié)能貢獻(xiàn)率，約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5.2％。

5.2　排煙溫度降低對煙氣擴(kuò)散的影響分析

該項煙氣余熱回收技術(shù)對污染物擴(kuò)散的影響可以從兩個方面分析。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)省會使NOx排放速率減小，NOx的最大落地濃度減??；另一方面，隨著煙氣溫度的降低，污染物不易擴(kuò)散，煙氣本體的NOx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，從而得出其綜合效果。

5．2．1排煙溫度和燃料節(jié)省對煙氣擴(kuò)散的影響

為了清楚地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。采用HJ 2.2—2008《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》中推薦的模式進(jìn)行計算，利用Screen3軟件進(jìn)行模擬，該軟件采用高斯模型進(jìn)行計算。具體輸入數(shù)據(jù)見表2。

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為降低排煙溫度對最大落地濃度的影響，隨著排煙溫度的降低，最大落地濃度逐漸增加，趨勢較為明顯。

綜合分析正負(fù)兩方面因素，排煙溫度降低對NOx最大落地濃度的影響要比燃料的節(jié)省對NOx最大落地濃度的影響更為顯著，說明排煙溫度降低是主要影響因素，綜合起來NOx最大落地濃度是隨著煙氣溫度的降低逐漸增大的。

5．2．2實際兩種工況污染物擴(kuò)散情況分析

表2中木表示折算值，是將工況1排放量折算到與工況2相同供熱量條件下的數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是指101325Pa、0℃，工況1煙氣排放量對應(yīng)狀態(tài)為101360Pa、54.1℃，工況2煙氣排放量對應(yīng)狀態(tài)為101310Pa、22.3℃。NOx最大落地濃度和最大落地距離見表2。落地濃度隨落地距離(落地處與煙囪的距離)的變化見圖4。

根據(jù)模型測算結(jié)果，余熱回收工況(工況2)NOx最大落地濃度略有增加，增加了2.88mp。g／m³。從圖4中可見，余熱回收工況NOx落地濃度達(dá)到峰值后，隨落地距離衰減速率大于燃?xì)忮仩t供熱工況(工況1)，即余熱回收工況雖然NOx最大落地濃度略有增加，但是迅速衰減，在距離煙囪300m以后，兩種工況的NOx落地濃度就基本相當(dāng)了。無論是哪一種工況，其NOx落地濃度均遠(yuǎn)低于GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二類區(qū)NO2的1h平均值(200mg/m³)。余熱回收工況最大落地距離減小了17.6％，減小了污染范圍。

6　結(jié)論

①系統(tǒng)減排總量：通過對煙氣余熱深度利用系統(tǒng)進(jìn)行實測得出，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，一部分是燃料的節(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％。

②NOx最大落地濃度的影響因素：燃料節(jié)省和排煙溫度降低均對NOx最大落地濃度產(chǎn)生影響。隨著燃料的節(jié)省，NOx最大落地濃度減??；隨著排煙溫度的降低，NOx最大落地濃度增加。排煙溫度降低對NOx最大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，NOx最大落地濃度增大。

③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GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二類區(qū)NO2的1h平均值(200mg/m³)；且余熱回收工況最大落地距離減小了17.6％，減小了污染范圍。

④隨著排煙溫度的降低，對煙氣擴(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，利用該項技術(shù)的燃?xì)忮仩t房均不必要重新進(jìn)行環(huán)境影響評價。

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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