摘　要：介紹了基于吸收式換熱的煙氣余熱深度利用系統，對煙氣冷凝的凈化效果進行了測試，對系統的排放進行了分析與評價，為系統的推廣應用提供重要參考。

關鍵詞：天然氣　煙氣　冷凝熱回收　深度利用

1　引言

鍋爐煙氣中蘊含著大量的顯熱和潛熱，充分利用煙氣中的能量可減少能源消耗，從而實現污染物減排。天然氣鍋爐煙氣含濕量較高，水蒸汽冷凝過程會放出大量的汽化潛熱，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溫度在55℃左右，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制造一種低溫冷媒，使得煙氣的排煙溫度更低，余熱回收更徹底，因為水蒸氣被大量冷凝下來，煙囪不冒白煙，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COx、NOx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濃度，其減排總量多大?該技術使系統的排煙溫度越來越低，可以做到近常溫排放，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。

1　基于吸收式換熱的煙氣余熱深度利用系統

圖1所示是一種利用吸收式熱泵的燃氣鍋爐房煙氣余熱回收系統，吸收式熱泵以天然氣為驅動能源，驅動吸收式熱泵產生冷水對煙氣余熱進行回收，該冷水即中間介質水與煙氣的換熱過程可以采用直接接觸式換熱或者間接換熱器進行換熱，使煙氣降溫至露點溫度以下，煙氣中的水蒸汽凝結放熱，達到回收煙氣余熱及水分的目的。熱網回水首先通過吸收式熱泵進行加熱，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。

利用該技術可使系統排煙溫度降低到30℃以下，提高燃氣能源利用效率10％以上，目前該項技術已經在北京總后鍋爐房、竹木廠鍋爐房等工程中應用，取得了較好的節能效果。通過實際運行觀測發現對煙囪冒白煙的削減作用明顯。這種技術的增量投資一般在3年以內可以回收。

2　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汽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凈化，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主要是NO，NO2。鍋爐煙氣中氮的氧化物主要是NO，NO2含量較少。NO稍溶于水，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+H2O＝HNO3+HNO2。

3　煙氣冷凝的凈化效果測試

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^[3]：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SOx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，因為系統排煙溫度更低，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噴淋式煙氣冷凝換熱器，這種直接接觸方式的優勢在于：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。

3．1　測試方案

測試情景：對系統的熱力工況進行了測試，分別在不開啟煙氣余熱回收系統(工況1)及開啟煙氣余熱回收系統并進入穩定運行工況(工況2)進行了測試，基于兩組測試結果定量分析余熱回收裝置效果。煙氣系統的測點及測試內容如下：

(1)測點位置：測試在余熱回收煙氣系統管道開設采樣孔，有效內徑100mm，開孔位置如圖lA、B、C三點所示；

(2)測試內容：煙氣參數溫度、含氧量和煙氣污染物濃度(CO、C02、NO、NO2、NOx)。

3．2　測試數據分析

系統工況l：余熱回收關閉，僅燃氣鍋爐運行。

該工況下，燃料消耗量為1572Nm³／h，總供熱量14MW。

系統工況2：余熱回收開啟，燃氣鍋爐與吸收式熱泵同時運往。

該工況下，燃氣鍋爐燃料消耗量為1572Nm³／h，吸收式熱泵燃料消耗量為358.5Nm³／h，系統總供熱量為19.01MW，其中鍋爐供熱量14MW，余熱回收系統供熱5.02MW(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lMWh的燃料消耗量由112.3Nm³燃降低到l01.6Nm³，供熱節能率為9.5％。

兩個情景下的煙氣采樣分析結果如下：

從以上數據可以看出，同樣消耗lNm³天然氣，排放因子減少了5.73%。

4　煙氣余熱深度利用系統排放分析與評價

4．1　系統排放總量分析

采用兩種系統供應相同的熱量1MWh，系統1的排放總量＝112.3Nm³×0.75g／Nm³燃氣＝84.225g；系統2的排放總量＝101.6Nm³×0.707g／Nm³燃氣＝71.831g，總排放減少了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。

4．2　排煙溫度降低對擴散的影響分析

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，NO2的最大落地濃度減小；另一方面，隨著煙氣溫度的降低，污染物不宜擴散，煙氣本體的NO2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其綜合效果。

4．2．1排煙溫度和燃料節省對擴散的影響

為了清除的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。將相關參數輸入Screen3模型(《環境影響評價技術導則大氣環境》(HJ2.2—2008)中推薦的估算模式)計算，得到最大落地濃度和最大落地距離。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為降低排煙溫度對落地濃度的影響，隨著排煙溫度的降低，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，將其繪制在一張圖中，如圖4所示，排煙溫度降低對落地濃度的增加要明顯比燃料的節省更為顯著，說明排煙溫度降低是主要影響因素，綜合起來落地濃度是隨著煙氣溫度的降低逐漸增大的。圖5為兩個因素對最大落地距離的影響，隨著煙氣的深度利用，無論是排煙溫度降低還是燃料量的節省均會使最大落地距離逐漸減小，同樣，排煙溫度降低是主要影響因素。

4．2．2實際兩種工況污染物擴散情況分析

將實測的煙氣參數和N0x排放濃度輸入sereen3模型，得到最大落地濃度和最大落地距離，見表2，落地濃度隨排放源距離(距離煙囪的距離)的變化如圖6所示。

根據模型測算結果，余熱回收工況NOx最大落地濃度略有增加，增加了2.88mg／m³。從圖中可見，余熱回收工況NOx落地濃度達到峰值后，隨排放距離衰減速率大于燃氣鍋爐供熱工況，即余熱回收工況雖然最大落地濃度略有增加，但是迅速衰減，在距離排放源300米以后，兩種工況的排放就基本相當了。無論是哪一種工況，其排放均遠低于《環境空氣質量標準》(GB3095—2012)中的二類區NO21h平均值(200mg／m³)；且余熱回收工況最大落地距離減小了l7.6％，減小了污染范圍。

以上研究分析說明了隨著煙氣排煙溫度的降低，對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，針對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。

6　結論

隨著煙氣余熱深度利用技術的出現，使系統的排煙溫度越來越低，可以做到近常溫排放，本文針對其環境排放問題進行研究，研究了煙溫度的降低對污染物擴散的影響，得出以下結論：

(1)系統減排總量的結論：通過對煙氣余熱深度利用系統的進行實測得出：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％。

(2)最大落地濃度的影響分析得出：因為節能的燃料節省和排煙溫度降低均對最大落地濃度產生影響，隨著燃料的節省，最大落地濃度減小，隨著排煙溫度的降低，最大落地濃度增加。排煙溫度降低對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，最大落地濃度增大。

(3)最大落地距離的影響分析得出：因為節能的燃料節省和排煙溫度降低均使最大落地距離減小，排煙溫度降低是減小最大落地距離的主要影響因素。

(4)通過實際煙氣余熱回收與否兩種工況的濃度對比分析，得出：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《環境空氣質量標準》(GB3095—2012)中的二類區NO2lh平均值(200mg／m³)；且余熱回收工況最大落地距離減小了l7.6％，減小了污染范圍。

以上研究分析說明了隨著煙氣排煙溫度的降低，對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，針對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。

參考文獻：

[1]賈力，吳冬梅，齊巍．混合氣體橫向沖刷水平管時對流冷凝換熱的機理研究[J]．熱科學與技術，2007，6(3)：209-213

[2]李慧君，羅忠錄，程剛強，等．天然氣鍋爐煙氣換熱特性的分析[J]．動力工程，2006，26(4)：467-471．

[3]李慧君，林宗虎．燃氣鍋爐煙氣余熱回收實驗分析[J]．工業鍋爐，2004，88(6)：1-4．

[4]笪耀東，車得福，莊正寧，等．高水分煙氣對流冷凝換熱模擬實驗研究[J]．工業鍋爐，2003，77(1)：12-15．

[5]王隨林．新型防腐鍍膜煙氣冷凝換熱器換熱實驗研究[J]．煤氣與熱力，2010，30(3)：20-24．

[6]劉重陽，劉貴昌，王隨林，等．Ni-Cu-P化學鍍層的制備及其耐煙氣冷凝液的腐蝕性能[J]．材料保護，2011，44(3)：8-10．

[7]葛海霞，王隨林，穆連波，等．煙氣冷凝熱能回收利用裝置的優化[J]．暖通空調，2011，40(1)：113-116．

[8]車德福．冷凝式鍋爐及系統．機械工業出版社，2002．

[9]趙欽新，查爽，康子晉，鄭蕾．冷凝式鍋爐及工程應用[J]．工業鍋爐．2003，(4)：1-9．

[10]付林，江億，張世鋼．基于Co-ah循環的熱電聯產集中供熱方法[J]．清華大學學報．2008．48(9)：1377-1380．

[11]趙璽靈，付林，張世鋼．吸收式氣-水換熱技術及其應用研究[J]．湖南大學學報2009，36(12)：146-150

[12]趙璽靈，付林，江億．天然氣供熱中煙氣余熱利用潛力及途徑[J]．區域供熱．2013，3：41-45．

[13]孫金棟，賈力，陳鐵兵．煙氣冷凝環保分析[J]．北京建筑工程學院學報．2000．16(3)：9-11.

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