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燃气锅炉烟气余热深度回收技术研究杨博超

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第12期作者：杨博超

[导读] 摘要：为有效降低燃气锅炉的热损失，最大限度地提升天然气能源的利用效果，加强对燃气锅炉烟气余热的回收与再利用是降低锅炉能耗、提高热效率的主要方式。

        内蒙古城市规划市政设计研究院有限公司内蒙古呼和浩特 010000
        摘要：为有效降低燃气锅炉的热损失，最大限度地提升天然气能源的利用效果，加强对燃气锅炉烟气余热的回收与再利用是降低锅炉能耗、提高热效率的主要方式。传统燃气锅炉在排烟过程中会产生大量的热损耗，不仅容易污染环境质量，而且影响了企业经济效益的提升。在全社会大力提倡节能环保的形势下，对传统燃气锅炉进行优化改造，促使其烟气余热能够得到有效的回收与再利用，是实现企业可持续发展的重要体现。
        关键词：燃气锅炉；烟气余热；回收
        引言
        余热是指从能量利用系统或设备中废弃或排出的热量，包括排出的热载体中所释放的高于环境温度的热量和可燃性废弃物的低发热量。排放余热的热载体可以是固体、液体或气体物质，余热分布在多种能源消耗系统和设备中。据统计，我国工业余热的回收率仅为34.9%。能源消耗中排放的低品位余热具有量大、面广等特点，但对这部分能量的回收利用面临投资高、难度大等系列问题。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，烟气中N2、H2O和CO2分别占70.66%、17.08%和9.70%（体积比），另外还有O2、SO2等其他组分。燃气锅炉排烟中蕴藏着巨大的余热资源，具有能量数额巨大、能量等级不高和开发潜力较大等显著特点。本文针对供热系统的燃气锅炉烟气余热回收技术进行研究，提出适合供热系统燃气锅炉的烟气余热深度回收利用技术，旨在提高燃气锅炉能源的综合利用率、节约资源。
        一、锅炉烟气余热回收原理
        锅炉属于高能耗设备，传统燃气锅炉的排烟温度非常高，具有较大的热能利用空间，故降低锅炉的排烟热损耗对提高锅炉的能源利用率有重要作用。燃气锅炉以天然气为原料，天然气在完全燃烧状态下会转化成二氧化碳和水。如果温度降低，烟气中的水蒸气饱和湿度也随之降低；当温度降低到水蒸气的冷凝临界点时，水蒸气就会随之冷凝析出，此过程会带走大量汽化潜热，这部分热量具有较大的回收利用价值，可用于锅炉的加热采暖管网提质升温。通过增加燃气锅炉尾部受热面积用于提高热负荷，利用烟气余热回收设备将水蒸气冷凝释放的热量进行转换，并采用吸收式热泵技术将烟气中的余热水中热量进行吸收，用以加热供热管网的回水，由此完成锅炉燃气余热回收再利用过程。
        二、燃气锅炉烟气余热回收再利用技术
        1.相变换热器的相变技术
        相变换热器中最突出的特点体现在“相变”理论上，该理论是对壁面温度控制机理更加详细的表述，从理论层面对控制低温腐蚀具有较大说服力的阐述。相变换热器中的变相模块，就是通过对燃气锅炉热管换热器进行整体化设计，让热管换热器的温度梯度始终维持在一个变化幅度较小的范围内。将气化潜热与液化潜热交替进行，以2243KJ/KG的热容量进行高效传热。当变相模块发生相变的时候，相变换热器就会根据锅炉的运行工况对水量参数进行调整收集，从而为提升调控壁面温度的准确度提供可靠依据。相变换热器在实际运行期间，通常以循环介质量和介质所处的工况作为调剂量进行使用，以此来不断提升调控壁面温度的准确性。
        2.热泵回收余热技术
        要想充分回收烟气冷凝余热，供热回水的温度应该低于烟气露点的温度，为了达到这一目的可以使用热泵回收烟气余热技术对余热进行回收处理，其中可以将这种技术具体分为利用压缩式热泵回收烟气余热的技术和利用吸收式热泵回收烟气余热的技术。热泵的性能系数可以保持在1.8左右。首先前者是将压缩式热泵与烟气冷凝余热回收装置相结合，烟气余热回收装置作为整个装置的蒸发器，或者将回收装置内循环产生的循环水作为压缩式热泵的低温侧热源。对于利用吸收式热泵回收烟气余热技术来说，热泵可以分为闭式吸收式和开式吸收式两种，对于这种热泵来说，其采用的盐溶液多数为强电解质，因此往往存在较强的腐蚀性，设备在运行过程中，材料受到盐溶液腐蚀会出现剥落现象极易导致溶液污染或者设备堵塞。为了有效防止解决这一问题，可以利用溶液改性的方法对设备金属表面进行涂层处理，能够在一定程度上起到防腐蚀的效果。

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        3.冷凝锅炉
        燃气锅炉烟气里面的水蒸气具有较大的热能利用价值，传统烟气回收方式仅能对烟气表面的显热进行回收，却不能回收利用水蒸气里的潜在热能，导致水蒸气里大量的潜热未被充分回收利用，使得锅炉的热效率提升程度仍有很大空间。据调查每1标准立方米天然气完全燃烧后，可节省燃气8%左右。每1标准立方米天然气完全燃烧后，冷凝水回收量0.65KG烟气中的C02减排量下降40%，N0X减排量下降60%。将冷凝锅炉余热回收装置应用于传统燃气锅炉中，不仅能实现对烟气中显热的高效利用，同时将水蒸气中大量的潜热应用到余热锅炉系统回水系统中，能满足人们生活用水加热和锅炉的补水需求。在增加锅炉热效率的同时，还将烟气里的氮氧化物吸收进冷凝液中，使得烟气里酸性气体的比例明显降低，减少了对大气的污染。基于燃气锅炉烟气里拥有大量水蒸气的特点，故应用冷凝锅炉余热回收装置具有较高的适用性。相较于烟气里面水蒸气比例一般的燃油锅炉，也具有较大的应用潜力。不过仍需结合燃油锅炉的工作原理和构造特点进行深入研究。燃煤锅炉因烟气里水蒸气含量比例很低，不适于此项技术。
        4.热管优化技术
        热管是燃气锅炉余热回收装置中的重要组成部件，该部件的主要功能是对汽化潜能进行能量传递。典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3X（10-1---10-4）Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁毛细多材料中的吸液芯充满液体后加以密封。因此，对燃气锅炉余热回收再利用，可从提高热管的热传递效率出发，降低热管传递过程中造成的热损失。热管的体积较小，但是热管的传热原理表明，热管具有较高的传热效率，是实现锅炉节能的重要途径。为有效提高热管的热传递效率，可从优选热管材料、优化组合热管换热器形式入手。如组合后的换热器中一半热管对空气进行加热，另一半热管则用以加热热水。
        三、燃气锅炉烟气余热回收过程中的关键性问题
        在燃气锅炉烟气余热回收过程中，相关人员除了要重视对烟气余热的充分利用，还应该对运行处理过程中产生的一些列问题加以分析和解决。例如烟气排放问题、冷凝液处理问题、设备防腐问题和烟气净化问题等。
        1.烟气排放问题。完成烟气余热回收处理后，烟气通常处于较低的温度环境，且在烟气饱和状态中，排放的烟气接近于饱和的状态，烟气排放能力降低，久而久之容易导致烟气排出不畅等现象，因此为了防止解决这一问题，一方面可以采用烟气再热，即将一部分高温烟气与冷凝后烟气进行混合，是烟气温度达到一定要求在进行排出的方法，另一方面可以采用提升风机动力的方法将烟气排出。
        2.冷凝液处理问题。在采取冷凝技术对烟气余热回收过程中，烟气中的水蒸气发生冷凝反应，并吸收烟气中存在的氧化硫或者氧化氮等存在污染的气体呈现弱酸性。为了防止冷凝液对设备造成腐蚀，通常可采用稀释法、土壤吸收法以及药剂处理法等进行处理。
        3.烟气净化问题。锅炉烟气余热回收过程中的烟气净化问题也是当前人们广泛关注的重点问题之一，当前烟气净化的主要工作分为烟气的脱硫处理和脱销处理两方面，具体方法包括催化还原法、吸附法、臭氧氧化法以及液体吸收法等，各项技术方法在实际操作中都取得了一定的实用效果。但同样这些方法也存在一些问题，例如经济成本普遍较高、技术操作较复杂等，因此研究开发相对价格低廉、操作简便的技术成为了目前的首要工作。
        结束语
        总结来说，随着环境问题以及能源问题的不断加剧，燃气锅炉在生产生活中已得到了广泛的认可，其中锅炉烟气余热回收技术作为重要的节能环保技术得到了越来越多工作者的重视。在具体发展中，烟气余热回收技术也面临了各种问题和挑战，因此，该领域的专家学者应该就此进行进一步的探索与研究，使烟气余热回收装置在节能减排方面发挥出自身应有的作用。
        参考文献
        [1]王玉青.燃气热水锅炉烟气余热深度回收系统分析与应用[J].区域供热,2016(2):70-76.
        [2]张群力,张秋月,曹明凯,等.燃气锅炉烟气余热回收利用技术研究[J].建筑科学,2016(6):133-141.