燃气锅炉烟气冷凝余热回收技术简介

燃气锅炉烟气冷凝余热回收系统简介目前，我国天然气能源消费比例日益增加，天然气消耗总量正在逐年提升，尤其是冬季采暖期的日消耗量，国内天然气供应存在巨大缺口。

就北京市而言，燃气供热锅炉天然气消耗量约占全市天然气消耗量的14%，燃气供热锅炉作为天然气的主要消耗设备，提高燃气锅炉的热效率，对锅炉烟气余热进行深度回收利用是降低天然气消耗总量，解决天然气供不应求的重要手段。

近年来，随着我国不断加大对环境保护的投入，并且将其纳入“五位一体”总体布局中，将环境保护摆在突出位置大力推行清洁能源改造，调整国家能源利用结构，从源头上控制煤、石油等易造成污染的化石燃料的使用，提高天然气以及可再生能源的利用比例，已改善日益严重的大气污染等空气品质问题，从根源上减少雾霾天气产生，合力走出一个高使用效率、低污染排放的中国特色的、生态环境良好型的环境治理之路。

实施煤改天然气是清洁能源改造的重要手段之一。

天然气在我国能源消费结构中的比例日益加大，如图1-1 所示。

2015 年，天然气消费比重已由去年的 5.7%上升至8%。

根据国家2014-2020 年的能源发展的战略计划，据预测，2030 年，我国天然气消费比重将到达11%。

但由于我国的能源资源呈富煤、缺油、少气的结构，目前国内传统天然气产量与页岩气、煤层气等其他形式的天然气产量已远远无法满足消费需求，造成国内天然气的进口总量逐年增加，如图1-2 所示。

2016 年中国天然气消费量中净进口占到了34%，进口的管道天然气380 亿立方米，进口液化天然气（LNG）343 亿立方米，据统计，2017 年 1 月份至8 月份，LNG 的进口量309.2 亿立方米，同比上升了35%预计全年LNG 进口量将超过450 亿立方米。

根据2016 年版本的中国能源的统计年鉴以及国家能源局发布的相关数据，2016年天然气消费总量为2083 亿立方米，同比增长了6.6%。

天然气消费总量中各个消费结构占比如图1-3 所示，其中2016 年集中供热系统天然气的消耗量占消耗总量的14%。

因此在供暖期间，天然气消费的短时期需求量巨大，又考虑到2017 年全国北方各省进行的农村煤改气的清洁能源供热政策推行，国内用气量会进一步增大。

就北京市而言，2016 年天然气累计消费量160 亿立方米，2017~2018 年采暖期间最高峰的用量达到了 1.27 亿立方米。

目前北京市的总体供热面积8.4 亿平方米，其中居民供热为 6.2 亿平方米，公共建筑供热为 2.2 亿平方米，供热管线总长度约为 2 万公里。

全市的大小区域锅炉房约为3400 座，其中以燃气作为燃料的锅炉占比97%。

目前就北京城六区约3400 座的燃气锅炉房每个采暖季天然气的耗量达到了约344000 万立方米。

政府出台了一系列政策意见，严格控制天然气消费总量，加强能源运行过程中的精细化管理，提高天然气的资源化合理利用以及利用效率。

燃气锅炉作为集中供热的消费设备，提高锅炉热效率即提高天然气热能利用效率，进行节能改造能够有效减少天然气的使用总量，缓解国内天然气供给的压力。

在提高燃气锅炉热效率中，烟气余热回收利用是重要的手段，目前许多专家学者都针对烟气余热回收利用的方式、设备形式都做了深入的研究。

1.烟气余热回收技术现状随着北京市“煤改气”工作的不断推进，至2016 年北京市燃气锅炉达到9635 台，大部分燃气锅炉只做了初步的节能改造，只能简单的回收烟气中的显热，烟气中大部分热量随烟气排出，易造成“烟囱雨”、“白烟”等问题。

目前，随着技术的更新，已有通过改进燃烧器，提高燃烧性能的方式来提高燃气锅炉热效率，但是，烟气余热回收仍然是提高其热能利用率的重要方式。

天然气中主要组成成分为甲烷（CH4），其体积分数达90%以上，其燃烧后生成的烟气中含有大量水蒸气，在过量空气系数为 1.2 时，其体积分数约占16~18%（烟气水分含量取决于天然气的成分、湿度和过量空气系数以及燃烧用空气含湿量），烟气露点温度约在55℃左右，目前，大多数燃气锅炉的烟气排放温度在150℃左右，在排放的烟气中蕴含着大量的显热以及汽化潜热，如果将150℃的烟气降低至露点温度55℃以下的全部热量回收，锅炉热效率将提高约10%左右。

因此，如何将烟气温度降低至烟气露点温度以下成为目前典型余热回收方式中的关键。

国内外对锅炉烟气余热回收的技术研究由来已久，其发展经历了由简单显热回收利用到复杂的潜热回收机理研究的过程，余热利用的程度也一步步深入。

初期余热回收利用方式主要是利用烟气直接预热锅炉的进口空气及锅炉的循环回水，常用的设备为空气预热器和省煤器；但是由于空气的比热较小，空气预热器只能吸收较少的烟气热量；对于省煤器，由于锅炉的循环回水温度较高，造成其与烟气的换热温差较小，使得其对省煤器的换热面需求较大，因此受经济性和安装空间限制，初期只能将烟温降低至150℃左右，远高于燃气锅炉烟气平均露点温度55~60℃，烟气中仍然有大量的热量未能回收利用，尤其是烟气所蕴含的大量冷凝热量。

随着烟气余热回收利用技术研究的不断深入，在初期余热回收方式的基础上，提出了冷凝式烟气余热回收利用方式，其主要包括换热器型烟气余热回收技术、热泵型烟气余热回收技术以及其他余热回收技术等。

（1）换热器型烟气余热回收技术换热器型烟气余热回收技术的关键部件是换热器，根据换热器内部烟气与其他换热介质的换热方式不同可分为间接式换热器、直接接触式换热器和蓄热式换热器。

1）间接式换热器间接式换热器因为其内部换热过程烟气与水分不直接接触，因此其换热的水质没有污染，并且烟气与水由换热器分离两端，相对独立，对温度控制能力较强。

但是由于换热壁面有一定的换热热阻，其换热效果相对较低，这使得要达到相同换热效果，其换热面积要求更大，容易受安装空间限制，并且烟气在换热器内发生冷凝时，烟气中易容于水的酸性气体会使冷凝水呈酸性，对换热器造成腐蚀，因此此类换热器一般都要求具有较高的防腐能力。

目前典型的间接式换热器有翅片管式、热管式和板式三种。

翅片管式换热器是继光管式和螺旋管式之后发展而来的，其表面较为粗糙，增大了换热器的传热面积，并且能够将换热器管外流动的层流破坏成为紊流，从而达到强化换热的效果，在相同的流体流动条件下，其换热性能与光管式和螺旋管式换热器相比增强了50%以上。

翅片管式换热器引起表面特征的不同，其传热性能也有所不同，并且其加工工艺也有所不同。

尤风霞针对相邻管间不同间距的H 型翅片换热器的传热性能及阻力特性进行了数值模拟，结果表明管束流通面积最小处的平均流速影响着其传热性能和阻力特性，流速增加，传热性能增加，但阻力也随之增大。

HacıMehmet Şahin等人研究了不同翅片角的翅片管式换热器的传热性能以及传热过程中的阻力特性，结果显示最佳的斜翅角度为30°，此时将获得最佳的传热效果。

何雅玲等人对圆管和四种椭圆管型的翅片换热器的传热与流动热性进行了数值模拟研究，结果显示，与圆管相比，四种椭圆管型换热器的平均Nu 数都提高了10%以上。

热管式换热器一般有多根热管按照一定的排列顺序组成，中间用隔板将冷热流体隔开，利用热管内部工质的蒸发、冷凝过程中的相变实现热量传递，并且每根热管都能够独立运行。

目前由于热管换热器具有换热速率大、结构简单、阻力小、管壁温度可控等特点，在烟气余热回收中得到了广泛的应用。

王璐提出了一种热管式气气换热器，并结合实际工程案例进行研究分析，结果表明利用这种换热器进行余热回收后，锅炉天然气消耗量减少24%~28%。

Wei-Keng Lin等人针对金属波纹板有无热管，实验研究分析了层流热管换热器的性能，结果显示，热管金属波纹板的升温速度比没有热管的钢板快，添加热管能够迅速提高波纹板的温度提升速度，这也意味着热管为层流热管换热器传热速率的一个重要参数。

板式换热器有水-水换热，汽-水换热等形式，主要利用换热器内部带有波纹的金属板片进行换热，其内部结构较为精密，传热性能好，体积小，由于这两个特点使其受安装空间影响较小，应用范围更广。

目前学者针对板式换热器性能提升、结构优化设计等进行了多方面的研究，包括换热与压降性能研究、波纹板形式优化提升换热研究等。

2）直接接触式换热器直接接触式换热器为高低温换热介质直接接触的混合换热。

由其换热的形式又被叫做混合式换热器。

目前，常见的接触式换热器有填料型、鼓泡型、折流板型。

相对于间接式换热器，接触式换热凭借其热阻小，换热效率高，换热面积大，且具有一定的污染物减排的特点，其在石油、化工、城市供热等领域有着广泛的应用，也有大量的国内外研究学者在结构优化改造，实际应用效果等方面进行了大量的研究。

刘华在分析研究了直接式接触式换热器中烟气与水的换热效率影响因素之后，给出了其热工计算方法，并且将其应用到实际示范工程设计中，实际运行数据显示换热性能达到了预期效果。

姜小敏对直接接触式换热器填料段内的热质交换进行了分析研究，建立了填料段热质交换微分方程组，改进了热质交换过程参数分布于高度计算方法，并进行了试验验证，结果表明，数值计算结果与试验数据一致。

李峰研究了直接接触式换热器内雾化水滴的运动特征和烟气与水的热质交换热性，建立了烟气-水热质交换的微分方程，求得了数值解，结果表明，影响换热器内烟气-水热质交换性能的主要因数为换热器高度，喷淋水雾化粒径、水汽比。

有学者对鼓泡型换热器进行了深入研究，并且为了进一步强化换热，将其与其他形式进行整合，魏士超以正戊烷和水为换热介质，对采用了填料的鼓泡型换热器进行了实验研究，结果表明，以23.868L/min 的正戊烷流量，2.5mm 的分布器孔径进行实验时，其体积换热系数的大小约为未加时的 2 倍。

目前还有大量科研人员对烟气余热回收技术进行了对比研究，陈冲对间接式与直接接触式两种换热方式的技术特点进行研究，并且以一个电厂为例详细阐述了直接接触式换热方式对烟气余热回收的显著效果，并且指出换热后产生冷凝水的腐蚀性是这一方式应用推广的一大难点。

另外有些研究人员对小型燃气热水锅炉本体的换热结构进行改造，引入了浸没式燃烧技术，即首先将燃气与助燃空气进行混合，燃气燃烧后的高温烟气直接通入水中，使高温烟气与水直接进行热量交换。

浸没式燃烧换热锅炉的本质是将锅炉本体内部原有的间接加热的方式改造成为直接接触式的换热方式。

孟柳娟对浸没式燃烧锅炉的特性进行了分析，为燃气热水锅炉进行浸没式的改造设计、工程示范应用等提供了相关基础。

但这技术存在着一定的局限，锅炉出水温度不能太高、空气进风阻力较大，调节需求更加严格。

3）蓄热式换热器蓄热式换热器是利用换热器内蓄热体的蓄、放热来进行热量交换的。

其工作原理为冷热流体依次交替进入换热器内，热流体进去时将热量传递储存在蓄热材料内，冷流体通过时，蓄热材料放出热量传递给冷流体，如此反复。