摘　要：介紹基于吸收式換熱的燃氣鍋爐房煙氣余熱深度利用系統流程，對煙氣冷凝的凈化效果進行測試，對煙氣排放量及排煙溫度降低對煙氣擴散的影響進行了分析與評價。

關鍵詞：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，同時產生大量的水，且天然氣雜質較少，凝結水相對清潔，因此天然氣的煙氣余熱回收成為研究的熱點。在供熱系統中，燃氣鍋爐煙氣余熱回收可以采取不同的技術路線。最常見的是在常規燃氣鍋爐尾部增設冷凝式換熱器，這方面的研究包括傳熱理論與實驗研究^[1-4]、強化傳熱與防腐研究^[5-7]、冷凝換熱裝置的設備開發及示范工程的應用等^[8-9]。

燃氣鍋爐煙氣的露點在55℃左右(過?？諝庀禂翟?span lang="EN-US">1.15時)，只有被加熱介質溫度低于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域，熱網回水溫度一般在50℃以上，因此不能充分回收煙氣冷凝熱。這種直接在燃氣鍋爐尾部增設冷凝式換熱器的方法往往只能回收煙氣的部分潛熱，不能實現冷凝熱的深度回收。

近年來隨著吸收式換熱技術^[10-11]的日趨成熟，利用吸收式換熱技術可以實現煙氣余熱的深度利用，系統利用吸收式熱泵產生一種低溫冷介質，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，節能和環保效果均更為顯著，這種技術路線逐步得到了業內人士的認可并備受關注。文獻[12]介紹了這種技術，并就該系統及余熱回收裝置進行了傳熱理論與實驗研究、冷凝換熱裝置的設計和設備開發，并陸續在幾個鍋爐房中成功應用。隨著新技術的應用，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境中的各種污染物的量，其減排總量多大?該技術使系統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散的影響如何?本文針對煙氣余熱深度利用技術的環境排放問題進行研究，研究結論將對該技術的推廣應用提供重要的參考。

2　基于吸收式換熱的煙氣余熱利用系統

將吸收式換熱的理念應用到燃氣鍋爐的煙氣余熱回收中，其流程見圖1。在燃氣鍋爐房增設吸收式熱泵與煙氣冷凝換熱器，吸收式熱泵以天然氣為驅動能源，產生冷介質，該冷介質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，使系統排煙溫度降至露點以下，煙氣中的水蒸氣凝結放熱，達到回收煙氣余熱及水分的目的。熱網回水首先進入吸收式熱泵中被加熱，然后進入燃氣鍋爐加熱至設計溫度后供出，完成熱網水的加熱過程。燃氣鍋爐的排煙進入煙囪底部，被置于煙氣冷凝換熱器頂部的引風機抽出，與吸收式熱泵的排煙混合后進入煙氣冷凝換熱器中，系統排煙溫度降低到30℃以下后送入煙囪中排放至大氣。在煙囪抽出煙氣與送回煙氣口之間增設隔板。我們的實驗系統采用直接接觸式煙氣冷凝換熱器。

利用該技術可使系統供熱效率(系統供熱量與輸入系統中的燃氣的低位熱量之比)提高l0％以上。目前該項技術已經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用，取得了較好的節能效果。這種技術的增量投資(包括吸收式熱泵、煙氣冷凝換熱器及配套水泵、閥門等設備的投資)一般在3a以內可以回收。

3　煙氣冷凝對排煙組分的凈化機理

煙氣冷凝對排煙組分的凈化是復雜的傳熱傳質過程。煙氣冷凝是煙氣中水蒸氣在換熱壁面上冷凝成液膜或細小的水滴，繼而匯聚成大水滴或細小液流。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生反應，煙氣中的有害物質得以去除，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，統稱NOx。構成大氣污染和光化學煙霧的物質主要是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，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、熱交換介質的溫度等。有研究發現^[13]：煙氣冷凝對NOx的凈化效果與煙氣中SO2的存在與否有關。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，系統比傳統燃氣鍋爐的排煙溫度更低，冷凝液量更大，其凈化效果需要進行實驗研究。實驗系統中采用直接接觸式煙氣冷凝換熱器，這種方式的優勢在于：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，達到強化換熱的效果。

4.1　測試方案

對系統的兩種工況進行了測試，工況1是不開啟煙氣余熱回收系統，工況2是開啟煙氣余熱回收系統?；趦山M測試結果定量分析余熱回收裝置效果。在余熱回收煙氣系統中設采樣孔，采樣孔有效內直徑為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點的數據用于日常分析和校核，本文主要分析C點的數據，具體測試數據見表1。

4.2　測試數據分析

系統工況1：余熱回收系統關閉，僅燃氣鍋爐運行。該工況下，燃料消耗量為1572m³／h，總供熱量為14.0MW。

系統工況2：余熱回收系統開啟，燃氣鍋爐與吸收式熱泵同時運行。該工況下，燃氣鍋爐燃料消耗量為1572m³／h，吸收式熱泵燃料消耗量為358.5m³／h，系統總供熱量為19.01MW，其中鍋爐供熱量為14MW，余熱回收系統供熱量為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，供熱節能率，為9.5％。供熱節能率等于工況2燃氣耗量與工況1燃氣耗量之差與工況1燃氣耗量之比。

表1中，兩個工況下的煙氣采樣分析結果是以煙囪總出口處(C點)的數據進行對比分析。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的質量?？梢钥闯?，同樣消耗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排放分析與評價

5.1　系統排放總量分析

設兩種工況供應相同的熱量(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％。分析其貢獻率包含兩部分，一部分是因為燃料的節省降低了排放總量，這部分貢獻即節能貢獻率，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，對總排放量的貢獻約5.2％。

5.2　排煙溫度降低對煙氣擴散的影響分析

該項煙氣余熱回收技術對污染物擴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，供相同的熱量節省了燃料，燃料的節省會使NOx排放速率減小，NOx的最大落地濃度減?。涣硪环矫?，隨著煙氣溫度的降低，污染物不易擴散，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，因此需要對兩方面分別分析，從而得出其綜合效果。

5．2．1排煙溫度和燃料節省對煙氣擴散的影響

為了清楚地分析兩種因素的影響，首先假設排煙溫度不變的條件下，僅分析節省燃料對排放的影響；然后假設燃料消耗量不變，僅分析排煙溫度降低對排放的影響。采用HJ 2.2—2008《環境影響評價技術導則大氣環境》中推薦的模式進行計算，利用Screen3軟件進行模擬，該軟件采用高斯模型進行計算。具體輸入數據見表2。

圖2為節省燃料對NOx最大落地濃度的影響。隨著余熱回收程度的增加，燃料會逐漸節省，隨著燃料節省比率的增大，NOx最大落地濃度逐漸減小，當從顯熱回收段進入潛熱回收段后，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據。標準狀態是指101325Pa、0℃，工況1煙氣排放量對應狀態為101360Pa、54.1℃，工況2煙氣排放量對應狀態為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。

根據模型測算結果，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落地濃度達到峰值后，隨落地距離衰減速率大于燃氣鍋爐供熱工況(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了。無論是哪一種工況，其NOx落地濃度均遠低于GB 3095—2012《環境空氣質量標準》中的二類區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　結論

①系統減排總量：通過對煙氣余熱深度利用系統進行實測得出，測試工況下，系統排放總量減少了14.7％。分析其貢獻率包含兩部分，一部分是燃料的節省降低了排放總量，這部分貢獻即節能貢獻率，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，對總排放量的貢獻約為5.2％。

②NOx最大落地濃度的影響因素：燃料節省和排煙溫度降低均對NOx最大落地濃度產生影響。隨著燃料的節省，NOx最大落地濃度減?。浑S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，其排放均遠低于GB 3095—2012《環境空氣質量標準》中的二類區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，對煙氣擴散的總體影響較小，在煙氣余熱回收技術的推廣應用過程中，利用該項技術的燃氣鍋爐房均不必要重新進行環境影響評價。

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本文作者：趙璽靈  付林  李鋒  陳春寅

作者單位：清華大學建筑技術科學系