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摘要：燃气锅炉供热方式所排放的烟气中蕴含大量的余热，直接排放造成了能源浪费和环境污染，为了提高烟气余热回收效率，进一步减少PM2.5的排放。借鉴吸收式热泵技术与高效换热技术或低温热水管网耦合集成思想，设计了一套简易高效的烟气冷凝余热回收利用系统。该系统采用多次间接换热+直接接触换热技术，对烟气进行深度降温和洗涤净化，对实现低温烟气冷凝余热的高效梯级利用和“节能减排”具有重大的理论与现实意义。
关键词：烟气；冷凝；余热；回收利用
1、引言
为了进一步改善大气环境，减少PM2.5的排放，天然气这种清洁能源在供热用能结构中的比重正在逐年增加。燃气锅炉是北方地区使用天然气的主要设备，也是硫化物和氮氧化物的主要排放源。与煤、油等燃料相比，天然气中氢元素含量很大，燃烧生成的高温烟气中携带大量水蒸气，这其中蕴含了大量的可利用烟气余热和水蒸气潜热，直接排放造成了能源浪费和环境污染[1-5]。若将烟气余热完全回收，按燃料低位发热量计算，燃气锅炉的理论热效率可达到110%以上。因此，烟气余热回收是一项提高燃气锅炉效率的关键技术，也是一项重要的具有广阔应用前景的燃气锅炉节能技术。
常规的烟气余热回收过程中，由于受到设备易腐蚀、换热率低和经济性差的限制，实际烟气温降较小，排烟温度往往在露点温度以上，仅能回收部分显热，而烟气露点温度以下的低温余热回收利用效率较低，所蕴含大量的潜热未被利用，具有较大的节能潜力。因此，若能实现烟气的深度降温，不仅可以高效回收煙气中水蒸气的冷凝潜热，提高燃气锅炉的热效率，减轻对大气环境的热污染，将燃烧产物进行处理，达到减少环境有害物排放的目的。近年来有学者提出采用吸收式热泵技术与高效换热技术或低温热水管网耦合集成技术，实现烟气的深度回收利用，但装置较为复杂，初投资较高。
目前提出的采用吸收式热泵技术与高效换热技术或低温热水管网耦合集成技术[6-9]，虽然可以实现烟气的深度回收利用，但系统装置较为复杂，初投资较高。针对上述问题，基于前人的研究经验，设计制作了一个简易高效的烟气冷凝余热回收利用装置。
2、系统方案设计
2.1 装置组成
本装置主要由喷淋冷却塔、集热水箱、鼓泡器、过滤除尘器、水泵、除雾器、无动力风帽以及水封等部件组成。装置及部件二维平面图如图1所示。其中，鼓泡式换热器[10]是一种气-液接触与反应装置，具有结构简单、传质传热快、混合均匀、无移动部件及操作维护费用低等优点。直接喷淋换热器[11]的换热原理是进口含尘、饱和温度以上的烟气首先通过细雾洗涤，气体雾化喷嘴或高压细雾喷嘴产生的细水雾与烟气接触后，瞬间蒸发为水蒸气，使烟气达到饱和。烟气饱和后，所含的二氧化硫等酸性成分会被液化和高温氧化，有利于深度脱硫除酸。
2.2 循环流程
一方面，低温烟气经粗效过滤网预处理后，通过烟气管道进入水箱，在通过底部的鼓泡器鼓出，与水直接接触形成烟气气泡，极大地增加了烟气和水两相流的接触面积，水吸收烟气中水蒸气的冷凝潜热实现了深度降温，且对烟气进行洗涤净化，降温净化后的烟气进入排烟道，在烟道上方设有无动力风帽，产生负压引导烟气流出。另一方面，水箱里被加热后的水被水泵从水箱内抽出，进入上部的喷淋室进行喷淋，与室外空气进行充分的热质交换，降温后的水通过水封进入水箱，而被加热加湿后的空气通过除雾器后，经过引风机回炉膛内进行锅炉预热和助燃，从而提高整体余热回收利用效率。此外，采用烟气和水直接接触上午鼓泡吸收方式，可将烟气中硫化物和氮氧化物等污染物溶于冷凝水，并通过控制水的PH值，有效克服了烟气的露点腐蚀问题。
2.3 关键技术问题
1）提高了烟气余热回收利用的效率
通过设计优化烟气余热深度回收的系统流程，有效减少了热损失，提高烟气余热回收利用效率，并实现烟气余热高效梯级回收利用装置的一体化。
2）保证集热水箱水温的稳定
为了实现烟气的持续有效降温，需把被加热的热水送入上部的喷淋冷却塔，采用喷淋方式与室外空气进行充分的热质交换，降温后的水通过水封进入水箱。
3）解决烟气带来的露点腐蚀问题
采用烟气鼓泡吸收换热的气水直接接触方式，可将烟气中硫化物和氮氧化物等污染物溶于冷凝水，并通过控制水箱里水的PH值，有效克服了烟气的露点腐蚀问题。
图1 烟气冷凝回收装置的平面流程图
3、技术经济性分析[12，13]
1）能量来源广泛，我国工业余热资源较为丰富，特别是燃煤燃油锅炉所排放的烟气中蕴含大量的余热。
2）集热/蒸发/鼓泡/喷淋四位一体的换热箱一体化设计、整体性好，结构紧凑、形式新颖、简单实用，适用性强，初投资低。
3）除尘净化效果好，首先采用简单高效的风袋除尘技术，对低温烟气进行预处理，然后通过鼓泡吸收直接接触方式对烟气进行洗涤净化，从而减少PM2.5的排放，降低了环境污染。
4）能源回收利用效率高，装置采用多次间接换热+直接接触换热技术，高效回收利用水蒸气的冷凝潜热和烟气温降的显热，而且被加热加湿后的空气通过除雾器后，经过引风机回炉膛内进行锅炉预热和助燃装置，实现了能量的梯级利用。此外，鼓泡器与喷淋塔形成闭式循环水系统，经过多次传热过程，不仅利用其热量，深度降温，也节约了水资源。
5）经济性好，采用鼓泡蒸发和喷淋等直接接触式换热装置，烟气流动阻力较小，可将烟气中硫化物和氮氧化物等污染物溶于冷凝水，并通过控制鼓泡器中水的PH值，有效克服了烟气的露点腐蚀问题。
稳态运行指标：余热回收率是评价余热回收效果的重要指标：
式中，为实际回收余热量，为理论回收余热量，指燃气锅炉排烟降到基准温度时释放的热量，KW.
假设烟气的进气温度为，流量为，烟气的出口温度为，得到的冷凝水量为，水蒸气汽化潜热为，冷水的进口温度为，出口温度为，流量为。 根据热力学第一定律，余热回收利用系统的能量平衡为：
4、装置特色
这种改进的新型烟气余热深度回收冷凝装置，采用多次间接换热+直接接触换热技术（鼓泡式+喷淋式），高效回收利用水蒸气的冷凝潜热和烟气温降的显热，而且被加热加湿后的空气通过除雾器后，经过引风机回炉膛内进行锅炉预热和助燃装置，实现了能量的梯级利用。此外，系统采用闭式循环水系统，经过多次传热过程保证水温不变，持续对烟气深度降温，与此同时节约大量水资源。作为一项重要的的燃气锅炉节能技术，在北方供暖及工业生产中，该系统符合社会持续发展的理念，具有广阔的应用前景和较高的商品化潜力。
5、结论
基于常规烟气余热回收过程中，实际烟气温降较小，设备易腐蚀、换热率低和经济性差的问题，设计了一个简易高效的烟气冷凝余热回收利用装置。该装置采用一体化设计，结构简单、适应性好，充分回收利用烟气余热，并对烟气进行了净化，提高能源二次利用效率，减少污染物的排放，且有效克服了烟气的露点腐蚀问题，体现了“节能减排，绿色环保”的理念。
参考文献：
[1]王志勇，刘畅荣，王汉青，等 .燃气锅炉烟气热损失及冷凝余热回收[J]. 煤气与热力，2010，30（6）：4-7.
[2]耿克成，田贯三，付林，等.天然气烟气冷凝热效率计算及影响因素分析[J].煤气与热力，04，24（8）：427-431.
[3]穆连波.燃气锅炉烟气余热回收热泵系统应用与分析[J].暖通空调，2014，44（12）：49-54.
[4]吴华新.低位烟气余热深度回收利用状况评述（Ⅱ）-传热过程与技术应用研究[J].热能动力工程，2012，27（4）：399-405.
[5]张立琋，贺锋，朱春伟，光伏驱动的鼓泡加湿-热泵海水淡化装置研究[J].太阳能学报，2016，37（5）：1346-1357.
[6]史明闯，余晓明，朱祥政，等.燃气- 蒸汽联合循环与吸收式热泵的综合应用研究[J].建筑节能，2015，43（4）：42-45.
[7]刘华，周贤，付林.烟气与水冷凝换热影响因素实验研究[J].暖通空调，2015，45（7）：90-95.
[8]王娟.燃气供热厂锅炉烟气深度余热回收工程[J].建筑节能，2013，41（6）：32-36
[9]徐俊芳，王随林，潘树源，史永征.天然气锅炉烟气冷凝热回收利用技术工程应用方案讨论[J].暖通空调. 2009，5：8-12.
[10]管小平. 大型鼓泡塔中布气方式与列管内构件对流动的影响研究[D]. 浙江大学，2015.
[11]刘晨. 喷淋换热在低温余热回收中的应用[J]. 硫酸工业，2017（7）.
[12]杨石二，顾中煊，罗淑湘，钟衍.我国燃气锅炉烟气余热回收技术.建筑技术，2014，45（11）：976-980.
[13]鞠碩华，颜丽娟，廉学军. 烟气余热回收利用技术经济分析.区域供热.2014（2）：20-23.
通讯作者：
田兴旺（1981.12-），男，讲师。
基金项目：
论文受到2017年国家级大学生创新创业训练计划项目资助。
关键词：烟气；冷凝；余热；回收利用
1、引言
为了进一步改善大气环境，减少PM2.5的排放，天然气这种清洁能源在供热用能结构中的比重正在逐年增加。燃气锅炉是北方地区使用天然气的主要设备，也是硫化物和氮氧化物的主要排放源。与煤、油等燃料相比，天然气中氢元素含量很大，燃烧生成的高温烟气中携带大量水蒸气，这其中蕴含了大量的可利用烟气余热和水蒸气潜热，直接排放造成了能源浪费和环境污染[1-5]。若将烟气余热完全回收，按燃料低位发热量计算，燃气锅炉的理论热效率可达到110%以上。因此，烟气余热回收是一项提高燃气锅炉效率的关键技术，也是一项重要的具有广阔应用前景的燃气锅炉节能技术。
常规的烟气余热回收过程中，由于受到设备易腐蚀、换热率低和经济性差的限制，实际烟气温降较小，排烟温度往往在露点温度以上，仅能回收部分显热，而烟气露点温度以下的低温余热回收利用效率较低，所蕴含大量的潜热未被利用，具有较大的节能潜力。因此，若能实现烟气的深度降温，不仅可以高效回收煙气中水蒸气的冷凝潜热，提高燃气锅炉的热效率，减轻对大气环境的热污染，将燃烧产物进行处理，达到减少环境有害物排放的目的。近年来有学者提出采用吸收式热泵技术与高效换热技术或低温热水管网耦合集成技术，实现烟气的深度回收利用，但装置较为复杂，初投资较高。
目前提出的采用吸收式热泵技术与高效换热技术或低温热水管网耦合集成技术[6-9]，虽然可以实现烟气的深度回收利用，但系统装置较为复杂，初投资较高。针对上述问题，基于前人的研究经验，设计制作了一个简易高效的烟气冷凝余热回收利用装置。
2、系统方案设计
2.1 装置组成
本装置主要由喷淋冷却塔、集热水箱、鼓泡器、过滤除尘器、水泵、除雾器、无动力风帽以及水封等部件组成。装置及部件二维平面图如图1所示。其中，鼓泡式换热器[10]是一种气-液接触与反应装置，具有结构简单、传质传热快、混合均匀、无移动部件及操作维护费用低等优点。直接喷淋换热器[11]的换热原理是进口含尘、饱和温度以上的烟气首先通过细雾洗涤，气体雾化喷嘴或高压细雾喷嘴产生的细水雾与烟气接触后，瞬间蒸发为水蒸气，使烟气达到饱和。烟气饱和后，所含的二氧化硫等酸性成分会被液化和高温氧化，有利于深度脱硫除酸。
2.2 循环流程
一方面，低温烟气经粗效过滤网预处理后，通过烟气管道进入水箱，在通过底部的鼓泡器鼓出，与水直接接触形成烟气气泡，极大地增加了烟气和水两相流的接触面积，水吸收烟气中水蒸气的冷凝潜热实现了深度降温，且对烟气进行洗涤净化，降温净化后的烟气进入排烟道，在烟道上方设有无动力风帽，产生负压引导烟气流出。另一方面，水箱里被加热后的水被水泵从水箱内抽出，进入上部的喷淋室进行喷淋，与室外空气进行充分的热质交换，降温后的水通过水封进入水箱，而被加热加湿后的空气通过除雾器后，经过引风机回炉膛内进行锅炉预热和助燃，从而提高整体余热回收利用效率。此外，采用烟气和水直接接触上午鼓泡吸收方式，可将烟气中硫化物和氮氧化物等污染物溶于冷凝水，并通过控制水的PH值，有效克服了烟气的露点腐蚀问题。
2.3 关键技术问题
1）提高了烟气余热回收利用的效率
通过设计优化烟气余热深度回收的系统流程，有效减少了热损失，提高烟气余热回收利用效率，并实现烟气余热高效梯级回收利用装置的一体化。
2）保证集热水箱水温的稳定
为了实现烟气的持续有效降温，需把被加热的热水送入上部的喷淋冷却塔，采用喷淋方式与室外空气进行充分的热质交换，降温后的水通过水封进入水箱。
3）解决烟气带来的露点腐蚀问题
采用烟气鼓泡吸收换热的气水直接接触方式，可将烟气中硫化物和氮氧化物等污染物溶于冷凝水，并通过控制水箱里水的PH值，有效克服了烟气的露点腐蚀问题。
图1 烟气冷凝回收装置的平面流程图
3、技术经济性分析[12，13]
1）能量来源广泛，我国工业余热资源较为丰富，特别是燃煤燃油锅炉所排放的烟气中蕴含大量的余热。
2）集热/蒸发/鼓泡/喷淋四位一体的换热箱一体化设计、整体性好，结构紧凑、形式新颖、简单实用，适用性强，初投资低。
3）除尘净化效果好，首先采用简单高效的风袋除尘技术，对低温烟气进行预处理，然后通过鼓泡吸收直接接触方式对烟气进行洗涤净化，从而减少PM2.5的排放，降低了环境污染。
4）能源回收利用效率高，装置采用多次间接换热+直接接触换热技术，高效回收利用水蒸气的冷凝潜热和烟气温降的显热，而且被加热加湿后的空气通过除雾器后，经过引风机回炉膛内进行锅炉预热和助燃装置，实现了能量的梯级利用。此外，鼓泡器与喷淋塔形成闭式循环水系统，经过多次传热过程，不仅利用其热量，深度降温，也节约了水资源。
5）经济性好，采用鼓泡蒸发和喷淋等直接接触式换热装置，烟气流动阻力较小，可将烟气中硫化物和氮氧化物等污染物溶于冷凝水，并通过控制鼓泡器中水的PH值，有效克服了烟气的露点腐蚀问题。
稳态运行指标：余热回收率是评价余热回收效果的重要指标：
式中，为实际回收余热量，为理论回收余热量，指燃气锅炉排烟降到基准温度时释放的热量，KW.
假设烟气的进气温度为，流量为，烟气的出口温度为，得到的冷凝水量为，水蒸气汽化潜热为，冷水的进口温度为，出口温度为，流量为。 根据热力学第一定律，余热回收利用系统的能量平衡为：
4、装置特色
这种改进的新型烟气余热深度回收冷凝装置，采用多次间接换热+直接接触换热技术（鼓泡式+喷淋式），高效回收利用水蒸气的冷凝潜热和烟气温降的显热，而且被加热加湿后的空气通过除雾器后，经过引风机回炉膛内进行锅炉预热和助燃装置，实现了能量的梯级利用。此外，系统采用闭式循环水系统，经过多次传热过程保证水温不变，持续对烟气深度降温，与此同时节约大量水资源。作为一项重要的的燃气锅炉节能技术，在北方供暖及工业生产中，该系统符合社会持续发展的理念，具有广阔的应用前景和较高的商品化潜力。
5、结论
基于常规烟气余热回收过程中，实际烟气温降较小，设备易腐蚀、换热率低和经济性差的问题，设计了一个简易高效的烟气冷凝余热回收利用装置。该装置采用一体化设计，结构简单、适应性好，充分回收利用烟气余热，并对烟气进行了净化，提高能源二次利用效率，减少污染物的排放，且有效克服了烟气的露点腐蚀问题，体现了“节能减排，绿色环保”的理念。
参考文献：
[1]王志勇，刘畅荣，王汉青，等 .燃气锅炉烟气热损失及冷凝余热回收[J]. 煤气与热力，2010，30（6）：4-7.
[2]耿克成，田贯三，付林，等.天然气烟气冷凝热效率计算及影响因素分析[J].煤气与热力，04，24（8）：427-431.
[3]穆连波.燃气锅炉烟气余热回收热泵系统应用与分析[J].暖通空调，2014，44（12）：49-54.
[4]吴华新.低位烟气余热深度回收利用状况评述（Ⅱ）-传热过程与技术应用研究[J].热能动力工程，2012，27（4）：399-405.
[5]张立琋，贺锋，朱春伟，光伏驱动的鼓泡加湿-热泵海水淡化装置研究[J].太阳能学报，2016，37（5）：1346-1357.
[6]史明闯，余晓明，朱祥政，等.燃气- 蒸汽联合循环与吸收式热泵的综合应用研究[J].建筑节能，2015，43（4）：42-45.
[7]刘华，周贤，付林.烟气与水冷凝换热影响因素实验研究[J].暖通空调，2015，45（7）：90-95.
[8]王娟.燃气供热厂锅炉烟气深度余热回收工程[J].建筑节能，2013，41（6）：32-36
[9]徐俊芳，王随林，潘树源，史永征.天然气锅炉烟气冷凝热回收利用技术工程应用方案讨论[J].暖通空调. 2009，5：8-12.
[10]管小平. 大型鼓泡塔中布气方式与列管内构件对流动的影响研究[D]. 浙江大学，2015.
[11]刘晨. 喷淋换热在低温余热回收中的应用[J]. 硫酸工业，2017（7）.
[12]杨石二，顾中煊，罗淑湘，钟衍.我国燃气锅炉烟气余热回收技术.建筑技术，2014，45（11）：976-980.
[13]鞠碩华，颜丽娟，廉学军. 烟气余热回收利用技术经济分析.区域供热.2014（2）：20-23.
通讯作者：
田兴旺（1981.12-），男，讲师。
基金项目：
论文受到2017年国家级大学生创新创业训练计划项目资助。