吴瑞雪 1 王亮2 张洪洲3 吴亚东4 寿德5 张巧丽6
1 、2、3 新疆建筑设计研究院有限公司 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002
4 、5 、6 乌鲁木齐市供热行业管理办公室 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002
摘要：文章介绍了介绍了间壁式烟气余热回收技术的技术概况、原理及特点。针对70MW燃气热水锅炉采用间壁式烟气余热回收技术进行了理论计算,并对该种技术的适用范围及注进行了总结。排烟温度一定的情况下，各级热回收装置的进水温度或进风温度至关重要，进水/进风温度与烟气温度的温差越大，效果越好。
关键词：燃气锅炉 烟气余热回收 间壁式换热
一、概述
在供热领域，锅炉是能源利用与转化过程中最主要的设备，燃气在锅炉中燃烧后的产物就是烟气，天然气的烟气洁净，含硫量极低，易于实施水蒸气的冷凝。深度回收燃气锅炉烟气余热，可使燃气的高位热值得以利用，能源效率最多可提高15%。因此余热回收是提高能源利用率的重要手段。本文系统介绍了间壁式换热余热回收技术，旨在分析间壁式换热器在烟气余热回收中的应用，以便提高燃气锅炉能源的综合利用率、节约资源。
二、燃气锅炉烟气余热回收技术
燃气锅炉的热损失包括排烟热损失、气体不完全燃烧热损失、锅炉散热损失等，但排烟热损失占比最大。对烟气余热进行回收利用，就是要最大程度回收烟气中的热量。一般地，燃气锅炉的热效率为87%~93%，该热效率的计算是以天然气低位热值为基础的。天然气的高位热量是燃烧时水蒸气吸收的热量，这部分热量约为低位热值的8%，而这些热量往往随着烟气排放至大气中。如果可以将这部分热量回收利用，那么燃气的热效率可以超过100%，最高可达108%。若烟气余热回收技术实施后，将有效地降低供热企业的基本运行能耗，减少污染物的排放量，对一步推进节能减排工作起到推动作用，产生积极的影响。
1、显热回收技术
⑴、省煤器
省煤器又叫节能器，利用锅炉排放烟气的热量来加热锅炉给水，供热系统中省煤器通常利用高温烟气来对供热系统回水进行加热。目前，燃气锅炉排烟一般保持在 50℃以上，其露点一般为 55 ～ 60℃，要实现对烟气中余热的深度回收利用，前提就是要回收其中的潜热，通常可通过降低烟气温度，并使之低于露点。但就目前的热水供热系统而言，系统回水温度和烟气露点温度非常接近，两者之间温差很小，采用供热系统回水和烟气进行换热，尤其是显热部分换热驱动力不足，潜热回收效果不好，导致省煤器总体余热回收能力有待提高。
⑵、空气预热器
空气预热器是对燃气锅炉助燃空气进行加热的装置，其加热热源来自锅炉烟气余热。配置空气预热器可以起到两个方面的作用，一是降低排烟温度，减少排烟热损失；二是对助燃空气进行加热升温，有助于燃气的着火和燃烧，可降低不完全燃烧损失，提高锅炉热效率。但是，空气预热器设置可能存在一些问题。一是可能需要对锅炉鼓风机甚至燃烧机进行调整，增加工作难度；二是烟气比热与空气比热相差较大，致使烟气温降不明显（例如，空气升温 20℃，烟气可能只能降低几摄氏度），且存在腐蚀问题，这些因素限制了空气预热器对烟气余热的深度回收利用。
2、潜热回收技术
潜热回收技术针对显热回收技术存在的不足，以显热回收技术为基础，采用冷凝回收技术和装置来回收燃气锅炉排出的高温烟气中的显热和水蒸气凝结所释放的潜热，实现深度回收。潜热回收技术较之显热回收技术虽然在换热器形式上差别不大，但是其传热机理从单相对流换热转变为凝结式换热，换热效果更好。
⑴、冷凝器
在传统锅炉中,燃料在锅炉燃烧后,排烟温度相对较高,烟气中的水蒸汽仍处于气态,会带走大量的热量。烟气冷凝余热回收装置,利用温度较低的水或空气冷却烟气,实现烟气温度降低,靠近换热面区域,烟气中水蒸汽冷凝,同时实现烟气显热释放和水蒸汽凝结潜热释放,而换热器内的水或空气吸热而被加热,实现热能回收,提高锅炉热效率。
三、间壁式换热余热回收技术
目前，根据形式的不同，换热器主要有3种：热管式换热器、间壁式换热器以及直接接触式换热器。其中热管式换热器，由于介质腐蚀、管道较小容易堵塞等原因，在工程上的应用逐渐减少；且在供热行业中，冷源介质往往是低温回水或者空气，为减少对介质的污染并保护余热回收设备，工程上采用间壁式换热器更多。
间壁式换热是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。
间壁式换热是使用范围较广的天然气烟气余热回收方式，根据低温冷源不同可分为助燃空气+ 空气预热器、热网回水+热网回水预热器。以燃气锅炉为例，这两种形式的流程如图1和图2所示。
图一 助燃空气+空气预热器回收烟气余热流程 图二 热网回水+热网回水预热器回收烟气余热流程
单侧流体为气体的间壁式换热器在气体侧不发生相变的情况下，该侧的传热系数较低。在传热量和传热温差一定的条件下，传热系数低会造成间壁式换热器体型增大，因此，传热系数低成为间壁式换热器在烟气余热回收应用中的限制因素。
四、间壁式换热在实际改造工程中的应用
以70MW燃气热水锅炉为例，采用间壁式烟气余热回收技术对其进行改造，具体计算过程如下：
1、烟气余热回收工艺的计算条件
本可研报告70MW燃气热水锅炉一次水温度按额定工况130/70℃考虑，二次冷源的水温按《辐射供暖供冷技术规程》JGJ 142-2012中推荐的45/35℃地暖供回水温度考虑，室外空气温度按-20℃考虑。一次网及二次冷源均按流量充分，满足烟气降温的要求考虑。
各级节能器烟温/水温具体如下表：
上表中一级节能器、烟风热交换装置的出水或出风温度需通过后面计算确定。二级冷凝器的出水温度假定为45℃，虽然实际出水温度和外部冷源流量、冷凝器的换热面积及换热效率均有关系，但该温度如不确定，则冷凝器段的烟气余热回收量也无法确定（温度和热回收量相互耦合，想确定精确数值人工计算工作量太大），就无法进行相应的选型计算，故本计算二级冷凝器的出水温度假定为45℃。通过烟气余热回收技术参数理论计算换算表可得出各级装置热回收量，具体见下表：
1)、一级节能器设计计算
70MW燃气热水锅炉一次网额定供回水温差为130/70℃，额定流量为
一次水接管管径为DN450。
按上表一级节能器需吸收3500kW热量完全释放至一次网回水中，将一次网回水温度从70摄氏度提升至130℃，则需要一次网流量为
进入一级节能器的一次水管径为DN150。
当然如果在非额定工况，即一次网回水低于70℃，例如在初寒期或末寒期，一次网回水只要50-60℃时，上表中二级冷凝器中的部分热回收量在一级节能器中就可完成，但非额定工况千差万别，在本文中无法穷尽，故本次理论计算主要以额定工况为主，其他工况可以以此类推。
2)、二级冷凝器设计计算
二级冷凝器所接外部冷源（即地板辐射供暖系统）额定供回水温差为45/35℃。
按上表二级冷凝器需吸收6978kW（约14万平米的建筑面积耗热量）热量完全释放至地暖系统回水中，将地暖回水温度从35摄氏度提升至45℃，则需要地暖系统流量为
进入二级冷凝器的地暖系统管径为DN400。
从上面的计算结果可以看出对于单台70MW燃气热水锅炉，当外部冷源流量可达到600m3/h，则二级冷凝器可以完全吸收该级的烟气余热释放量。如流量超过600m3/h，则可再适当吸收本应由烟风换热器承担的热量，但如地暖系统流量过大，受地暖回水温度的影响，不可能将烟风换热器本应承担的热量全部吸收掉，而且该部分需要进行二次加热才能供给各建筑单体；反之如果地暖系统流量小于600m3/h，则烟气中所含的热量需由下一级烟风换热器（室外空气）进行吸收，至于是否一定能吸收掉，需通过计算确定。
3)、烟风换热器设计计算
烟风换热器需由室外-20℃的空气对烟气进行热量吸收，70MW燃气热水锅炉单台燃烧所需空气量约95000m3/h（考虑1.15的过剩空气系数）
按上表烟风换热器需吸收1803kW热量完全由室外空气吸收，则室外空气最终温度为
即室外空气温度可由-20℃升至33℃
从上面的计算结果可以看出由于空气的比热较小，虽然锅炉燃烧所需的空气量达到95000 m3/h，但仅使烟气降了5℃，吸收377kW的热量，空气温度就已升至33℃，与烟气的最终排放温度40℃相差不是太大。也就说明对于间壁式烟气余热回收装置，利用室外空气降温能力非常有限，可能会存在无法完全吸收烟气余热量的情况。
五、结论
(1)、烟气温度高于55℃时（在本可研计算条件下），回收热量主要以显热回收量为主。当烟温降至55℃以下时，烟气中冷凝水开始析出，同时释放大量冷凝热（潜热）。从55℃降至40℃，显热仅释放了238 kJ/m3，而潜热释放了3734 kJ/m3，释放出潜热量是显热量的15倍。所以说采用间壁式烟气余热回收工艺能否顺利将烟温降至40℃，55℃烟气开始冷凝以后的热回收过程至关重要。
(2)、利用一级节能器+二级冷凝器+烟风换热装置的间壁式烟气余热回收工艺，排烟温度一定的情况下，各级热回收装置的进水温度或进风温度至关重要。进水/进风温度与烟气温度的温差越大，效果越好。
(3)、受一次网回水温度的限值，一级节能器一般仅能将烟温降至70-75℃，初寒期及末寒期因为一网回水温度较低，可将烟温进一步降低，但无论如何一般很难将烟气降至冷凝温度以下。
(4)、二级冷凝器是整个间壁式烟气余热回收工艺中最重要的一环，该级冷凝器烟承担绝大部分的烟气潜热释放量。整个工艺能否实现关键是外部是否有足够流量的低温热水进入二级冷凝器与烟气进行换热。从上述计算过程可以看出对于单台46MW的燃气热水锅炉，如使二级冷凝器完全吸收相应热量就需要将一个近10万平米的建筑或小区的全部地暖回水引至锅炉房，如果是多台燃气锅炉并联运行，则需引回锅炉房的流量成倍增加。该建筑/小于离锅炉房较近还好，如较远，则外部专用管网的建设费用也非常大，最终是否划算需经济分析才能得出最终结论。
(5)、进入二级冷凝器的“冷源”最好选用地暖系统回水（温度越低越好），虽然空调回水一般也仅有40-50℃，但从上面计算可以看出，通过本级降温后的烟气温度约接近40℃越好，这样留给下一级的烟气降温压力不宜过大。另外水温和烟温太接近了，换热温差较小导致换热面积过大，一方面造价大幅攀升，换热器太大，对于安装空间的要求也高，能否顺利安装也是问题。
(6)、由于空气的比热较小，虽然室外低温空气量较大，但经过上述计算可以看出其对整个间壁式烟气余热回收总量的贡献率并不是特别大。但经过烟风换热装置后室外空气温升明显，无论是对锅炉燃烧还是节约空气加热量来说都是起到了节能的积极意义。
六、参考文献
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