电厂燃气锅炉烟气余热回收利用技术

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电厂燃气锅炉烟气余热回收利用技术

燃气锅炉目前在各地集中供热系统中应用广泛。
目前燃气锅炉的烟气排放温度较高，通过降低烟气排放温度回收烟气余热，有助于提高燃气锅炉的供热效率，实现较明显的节能效果。

本文综述了烟气余热回收方向的典型应用技术，包括利用换热器回收烟气余热技术、利用热泵回收烟气余热技术。总结了上述技术在集中供热系统中的应用形式与特点。分析了目前烟气余热回收利用技术中存在的问题，指出了烟气冷凝余热回收过程中的烟气排放、冷凝液处理、设备防腐蚀和烟气净化等关键技术问题及时技术解决思路，为烟气余热回收利用技术的研究与应用提供参考。

目前燃气锅炉在各地集中供热系统中应用广泛。
蒸汽型燃气锅炉的排烟温度约为200~250℃左右，热水型燃气锅炉的排烟温度约为150~180℃左右，高排烟温度产生较大的热量损失。
常规省煤器或空预器只能回收部分显热，占天然气热值约10%的潜热未能被回收利用，燃气锅炉的运行供热效率仅达到80%—90%左右。
随着燃气锅炉排烟温度的降低，烟气理论可回收热量与锅炉理论供热效率将逐渐增大。当排烟温度降低至烟气露点温度后，燃气锅炉的理论热效率可显著增加。
如果将烟气的排放温度从180℃降至35~40℃，则燃气锅炉的供热效率预计可提高15.0%—13.9%。此外，在回收元气余热的同时回收烟气的水份，对提高锅炉供热效率，改善燃气锅炉的烟气污染物排放均具有重要的价值。
目前我国典型的烟气余热回收技术可分为两类：利用换热器回收烟气余热技术、利用热泵回收烟气余热技术。
本文综述了目前典型的燃气锅炉烟气余热回收技术，总结了上述技术特点以及在集中供热系统中的应用形式，指出现有烟气冷凝余热回收过程中仍然存在的关键技术问题和解决思路，为烟气余热回收利用技术与推广应用提供参考。
一、利用换热器回收烟气余热技术
换热器是烟气余热回收技术中被经常采用的应用形式。
合理选择换热器是烟气余热回收系统设计中的关键环节，根据换热方式不同，利用换热器回收烟气余热可分为间接接触式换热型和直接接触式换热型。
间接接触式余热回收换热器在换热时烟气与水不接触，换热后水质不受影响。
其对烟温、水温的控制能力较好。烟气冷凝过程中对烟气中的氮氧化物有一定的净化作用；烟气冷凝水呈酸性，对设备有一定的腐蚀性，因此间接接触式换热设备的防腐要求较高。
该形式换热器存在管壁热阻，传热系数相对较低；其结构相对复杂，换热面积较大，易受安装空间限制。
直接接触式余热回收换热器的传热传质系数高，潜热回收能力较大；冷凝过程中发生传热传质现象，烟气净化效果较间壁式好；喷淋溶液稀释了烟气冷凝水，对设备有冲洗作用，设备的防腐要求较低；直接接触式换热的传热系数较大，该形式的换热器结构紧凑，安装空间受限小。
1、间接接触式余热回收换热器
间接换热是指冷热介质在被壁面分开的空间里独立流动，冷热介质通过壁面进行换热。用于烟气余热回收的间接接触式换热器有翅片管换热器、热管换热器和板式换热器，其结构简图见图1。

   

翅片管式换热器是一种常见的间接接触式换热器，其翅片形状和结构种类繁多。翅片管换热器相对于一般换热器具有传热效率高、结构紧凑、材质可选、结垢少等优点。
翅片管换热器中，H型翅片管换热器因其特殊槽结构与耐磨防污的性能，近年来多用于锅炉余热回收。
1.2、热管换热器
热管换热器的工作原理是热管通过管内工质的蒸发和冷凝相变过程来传递热量。具有结构简单、体积小、重量轻、无运动部件、传热系数高等特点。
复合相变式换热器复合相变换热器被誉为中低温热源的一次世界性突破的技术，这项技术主要用在锅炉和换热器上，它的应用范围非常广阔，包括中石油，中石化，炼钢等几乎凡有换热器的地方都能用到这项技术。
复合相变换热器技术的亮点是在避免烟气低温腐蚀的前提下，降低排烟温度，进行余热回收和利用，达到提高锅炉热效率的目的。
已经在多家企业做了工程实例。以山东某热电公司两台130t/h燃气锅炉为例，在没有改造之前，排烟温度高达将近210℃，改造完以后稳定降到137℃左右，可将68吨22℃水加热到95℃左右供锅炉补水，大大提高了锅炉的热效率。
和一般热管换热器以及其他节能技术不同，复合相变换热器技术首次提出将换热器最低金属壁面温度定义为“第一设计要素”的理念，以及首次提出将对产生烟气低温结露和腐蚀具有关键性影响的最低壁面温度置于“可控可调状态”的创新概念。
该技术的核心在于“复合”和“相变”，即通过“相变段”的设置，并利用不同“强化传热技术”与不同“控制技术”的合理配置，借助于优化设计，改变包括热管技术在内的一般换热器壁面温度分布的“函数”特征，在始终保证金属壁面温度处于酸露点以上以避免出现低温结露和腐蚀的同时，为大幅度回收烟气低温余热提供了可能。
复合相变换热器中的“相变段”是整个技术得以实施的核心部件之一。
它将原热管换热器中相互独立的部分，通过优化设计构造成一个相互关联的整体，充分利用“相变换热”与“烟气横掠管束”相比其换热能力具有“量级性（102 以上）提高”的传热学特性，实现“相变段”金属壁面整体温度分布均匀、与烟气温度保持“较小梯度温降（温差10－20℃）”以及原则上“独立于被加热工质温度”的特殊功能。
与此同时，利用“相变段”的这一性能，预热进入前一级换热器（如末级空预器）工质的入口温度，保证整个设备同样免受低温腐蚀。此外，通过“相变段”或者其他增设部件换热量的调节，实现对整个设备可能出现的不同最低壁面温度的闭环控制，保证壁面温度恒定或可控可调，以适应燃料种类以及工况的变化。
这样，在保证设备安全运行的前提下，达到大幅度回收烟气余热的节能目的。
总之，作为一种涉及“设计原理”变更，高效可靠的原创性节能技术，复合相变换热技术的主要核心内涵为：
1、能够在锅炉的设计和改造中，大幅度降低烟气的排放温度，使大量中低温热能被有效回收，产生十分可观的经济效益；
2、在降低排烟温度的同时，保持金属受热面壁面温度处于较高的温度水平，远离酸露点的腐蚀区域，从根本上避免了结露腐蚀和由此发生的堵灰，大幅度降低设备的维护成本；
3、保证换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态，使复合相变换热器具有相当幅度的调节能力，使排烟温度和壁面温度保持相对稳定，并能适应锅炉的燃料品种以及负荷的变化；
4、在保留热管换热器具有高效传热特性的同时，通过适时排放不凝气体有效解决相变换热器可能出现的老化问题，大大延长设备的使用寿命。
它通过“相变段”水量的调节，可以对受热面最低壁温面度实现闭环控制，实现了壁面温度的恒定和调高调低。
1.3、板式换热器

板式烟气余热回收器的高温烟气与冷水流体分别在板间两侧流道流动，通过两者之间的传热板片进行换热。 2、直接接触式余热回收换热器 直接接触式换热是两种介质通过直接接触的方式进行传热传质的过程。根据接触结构分为多孔板鼓泡型、折流盘型和填料型，其结构见图2。

由于我国供热回水温度较高，一定程度上限制了直接接触式烟气余热回收器的应用。直接接触换热冷凝式燃气锅炉，见图3。通过烟气—水直接接触换热后的热冷凝液加湿空气，增大烟气湿度，从而提高烟气露点，使得烟气可以在80℃的回水温度下冷凝。

二、利用热泵回收烟气余热技术
天然气燃烧产生的烟气露点一般在55~65℃之间，若回收烟气冷凝余热，需要供热回水温度低于烟气露点温度范围。如果供热回水温度高于烟气露点温度，可以利用热泵回收烟气冷凝余热用于预热供热回水。
烟气余热回收装置与热泵联合利用的系统形式见图4，其中热泵形式可采用电压缩式热泵或吸收式热泵。目前对于利用吸收式热泵回收烟气余热的研究更为广泛，因其所需驱动热源可以用锅炉提供的蒸汽或热水提供。
但吸收式热泵投资成本较高且占用安装空间较大。根据锅炉容量的不同，适宜选取不同类型的热泵，0.01—10MW的锅炉适用于选用电压缩式热泵形式。

1、利用压缩式热泵回收烟气余热技术 利用电驱动压缩式热泵回收烟气余热技术是将电压缩式热泵与烟气冷凝余热回收装置结合，以烟气余热回收装置作为压缩式热泵的蒸发器；或以烟气余热回收装置内的循环水为压缩式热泵的低温侧热源，压缩式热泵提取低温侧热量后用于预热热网回水。系统流程见图5、6、7、8。     

2、利用吸收式热泵回收烟气余热技术 目前应用于烟气余热回收的吸收式热泵可分为闭式吸收式热泵和开式吸收式热泵两类。如图9、10、11、12、13

三、烟气余热回收技术在集中供热系统中的应用
烟气余热回收用冷介质通常为空气或水。空气加热后可用于锅炉的鼓风和原料及半成品烘干。
水加热后可用于锅炉补水预热、供热、供生活热水等，在烟气量较大、温度较高的情况下，可以将水加热成水蒸汽。在集中供热系统中烟气余热回收技术应用的典型方式按余热回收级数分为单级余热回收供热型和双级余热回收供热型，其中单级余热回收供热型可分为预热热网回水型与供生活热水型。
1、单级余热回收供热型（预热热网回水）

2、单级余热回收供热型（供生活用水）

3、双级余热回收供热型
该类型系统首先利用高温烟气加热热网回水达到供热用户需求的供水温度；其次再利用热泵机组回收利用低温烟气余热，利用热泵机组的高温侧加热热网回水达到供热用户需求的供水温度。

四、烟气冷凝余热回收过程中的关键技术问题
烟气余热回收利用中，除了需要考虑对于余热的利用，还须重视伴随余热利用而产生的相关关键技术问题。主要包括烟气降温后的烟气排放问题；由于烟气冷凝产生的酸性冷凝液处理问题；为减弱酸性冷凝液对设备产生的腐蚀，需要关注的设备腐蚀问题；为降低对环境的污染，烟气的净化问题以及集中供热系统中烟气余热回收技术应用的问题。
1、烟气排放问题
将烟气冷凝回收余热后，烟气被冷却至较低温度，并且排放烟气接近饱和状态，通过烟囱排放时烟气的抬升能力变弱。由于排放地点的位置与气候条件因素的影响，有可能造成烟气不能顺利从烟囱直接排出现象。需要再热方法就是将10%~20%的锅炉出口高温烟气利用旁通支路与冷凝后的烟气混合后再排出。
2、冷凝液处理问题
通过烟气冷凝余热回收利用技术，烟气中的水蒸气本冷凝，烟气在冷凝过程中会吸收部分烟气中的SO2、N0X等污染物，产生呈酸性的冷凝液体。冷凝液体的处理方法有稀释法、土壤吸收法和药剂处理法。通常稀释或中和处理后的冷凝液体被直接排入市政污水管网中，并未进行处理和再利用，造成了水资源的浪费。

3、设备防腐蚀问题 在烟气冷凝余热回收技术中，腐蚀现象直接影响了烟气余热回收装置的运行寿命。目前解决防腐问题有两种策略，一是提高设备的防腐能力，如采用高分子塑料换热器代替常规碳钢或不锈钢换热器，实现低温防腐的目的。或采用防腐镀膜技术。二是在烟气冷凝前进行净化处理，减少烟气中的S0X、N0X等酸性气体浓度，在并在余热回收循环水中加入碱性药剂以中和冷凝液中的酸性成分，减弱冷凝液体对设备的腐蚀。
4、烟气净化问题 烟气中的Nox是大气环境中PM2.5的二次转化前提，面对当前日益严重的雾霾天气，烟气净化迫在眉睫。 烟气净化主要集中在脱硫和脱硝两个方面。对于燃气锅炉排烟，烟气脱硝是主要的技术难点。现有烟气脱硝技术包括选择性催化还原法、非催化选择性还原法、吸附法、电子束照射法、臭氧氧化吸收法、液体吸收法等。现有的烟气脱硝技术各具特点，经过大量研究，取得了一定的研究成果。但均存在成本高、原材料消耗大等共性问题。
因此研制开发脱硝效率高、成本低廉的烟气脱硝净化技术是今后的发展方向。在应用烟气净化技术时，需要根据具体工程项目需求进行技术经济对比分析，确定适宜的烟气净化工艺。
5、系统集成与匹配优化问题 为了深度回收利用烟气中的潜热，用于烟气余热回收的循环水进水温度需要低于烟气露点温度，在利用烟气余热预热供热网回水时，需要控制供热网回水温度低于烟气露点温度。对于利用换热器回收烟气余热的技术。若采用低温热水供热系统，有利于提高烟气余热的回收效果。
对于中高温热水采暖系统，更适宜采用利用热泵回收烟气余热技术。
当前在集中供热系统中应用烟气余热回收技术时，大多采用的方式为在锅炉尾部直接串联烟气余热回收装置，直接串联造成排烟阻力增加，并且直接串联的方式对烟气余热回收设备的检修造成影响，因此需要在排烟管道设置旁通，此外，由于气候补偿技术，烟气余热回收装置的优化设计、加装烟气余热回收装置的供热系统在不同供热期内的运行策略以及与热泵的优化匹配均是烟气余热回收技术应用于集中供热系统中需要关注的重要问题。
五、结论
本文分析了当前我国典型的烟气余热回收利用技术及其在应用中存在的问题。综述了利用换热器回收烟气余热技术、利用热泵回收烟气余热技术的研究现状。剖析了典型烟气余热回收利用技术在集中供热系统中的应用形式及其特点，指出了烟气冷凝余热回收中的关键技术问题和解决思路。为烟气余热回收利用技术的研究与推广应用提供参考。

内容来源：烟气余热利用