燃气锅炉烟气冷凝余热回收技术简介

燃气锅炉烟气冷凝余热回收系统简介
目前，我国天然气能源消费比例日益增加，天然气消耗总量正在逐年提升，尤其是冬季采暖期的日消耗量，国内天然气供应存在巨大缺口。

就北京市而言，燃气供热锅炉天然气消耗量约占全市天然气消耗量的14%，燃气供热锅炉作为天然气的主要消耗设备，提高燃气锅炉的热效率，对锅炉烟气余热进行深度回收利用是降低天然气消耗总量，解决天然气供不应求的重要手段。

近年来，随着我国不断加大对环境保护的投入，并且将其纳入“五位一体”总体布局中，将环境保护摆在突出位置大力推行清洁能源改造，调整国家能源利用结构，从源头上控制煤、石油等易造成污染的化石燃料的使用，提高天然气以及可再生能源的利用比例，已改善日益严重的大气污染等空气品质问题，从根源上减少雾霾天气产生，合力走出一个高使用效率、低污染排放的中国特色的、生态环境良好型的环境治理之路。

实施煤改天然气是清洁能源改造的重要手段之一。

天然气在我国能源消费结构中的比例日益加大，如图1-1 所示。

2015 年，天然气消费比重已由去年的 5.7%上升至8%。

根据国家2014-2020 年的能源发展的战略计划，据预测，2030 年，我国天然气消费比重将到达11%。

但由于我国的能源资源呈富煤、缺油、少气的结构，目前国内传统天然气产量与页岩气、煤层气等其他形式的天然气产量已远远无法满足消费需求，造成国内天然气的进口总量逐年增加，如图1-2 所示。

2016 年中国天然气消费量中净进口占到了34%，进口的管道天然气380 亿立方米，进口液化天然气（LNG）343 亿立方米，据统计，2017 年 1 月份至8 月份，LNG 的进口量309.2 亿立方米，同比上升了35%预计全年LNG 进口量将超过450 亿立方米。

根据2016 年版本的中国能源的统计年鉴以及国家能源局发布的相关数据，2016年天然气消费总量为2083 亿立方米，同比增长了6.6%。

天然气消费总量中各个消费结构占比如图1-3 所示，其中2016 年集中供热系统天然气的消耗量占消耗总量的14%。

因此在供暖期间，天然气消费的短时期需求量巨大，又考虑到2017 年全国北方各省进行的农村煤改气的清洁能源供热政策推行，国内用气量会进一步增大。

就北京市而言，2016 年天然气累计消费量160 亿立方米，2017~2018 年采
暖期间最高峰的用量达到了 1.27 亿立方米。

目前北京市的总体供热面积8.4 亿平方米，其中居民供热为 6.2 亿平方米，公共建筑供热为 2.2 亿平方米，供热管线总长度约为 2 万公里。

全市的大小区域锅炉房约为3400 座，其中以燃气作为燃料的锅炉占比97%。

目前就北京城六区约3400 座的燃气锅炉房每个采暖季天然气的耗量达到了约344000 万立方米。

政府出台了一系列政策意见，严格控制天然气消费总量，加强能源运行过程中的精细化管理，提高天然气的资源化合理利用以及利用效率。

燃气锅炉作为集中供热的消费设备，提高锅炉热效率即提高天然气热能利用效率，进行节能改造能够有效减少天然气的使用总量，缓解国内天然气供给的压力。

在提高燃气锅炉热效率中，烟气余热回收利用是重要的手段，目前许多专家学者都针对烟气余热回收利用的方式、设备形式都做了深入的研究。

1.烟气余热回收技术现状
随着北京市“煤改气”工作的不断推进，至2016 年北京市燃气锅炉达到9635 台，大部分燃气锅炉只做了初步的节能改造，只能简单的回收烟气中的显热，烟气中大部分热量随烟气排出，易造成“烟囱雨”、“白烟”等问题。

目前，随着技术的更新，已有通过改进燃烧器，提高燃烧性能的方式来提高燃气锅炉热效率，但是，烟气余热回收仍然是提高其热能利用率的重要方式。

天然气中主要组成成分为甲烷（CH4），其体积分数达90%以上，其燃烧后生成的烟气中含有大量水蒸气，在过量空气系数为 1.2 时，其体积分数约占16~18%（烟气水分含量取决于天然气的成分、湿度和过量空气系数以及燃烧用空气含湿量），烟气露点温度约在55℃左右，目前，大多数燃气锅炉的烟气排放温度在150℃左右，在排放的烟气中蕴含着大量的显热以及汽化潜热，如果将150℃的烟气降低至露点温度55℃以下的全部热量回收，锅炉热效率将提高约10%左右。

因此，如何将烟气温度降低至烟气露点温度以下成为目前典型余热回收方式中的关键。

国内外对锅炉烟气余热回收的技术研究由来已久，其发展经历了由简单显热回收利用到复杂的潜热回收机理研究的过程，余热利用的程度也一步步深入。

初期余热回收利用方式主要是利用烟气直接预热锅炉的进口空气及锅炉的循环回水，常用的设备为空气预热器和省煤器；但是由于空气的比热较小，空气预热器只能吸收较少的烟气热量；对于省煤器，由于锅炉的循环回水温度较高，造成其
与烟气的换热温差较小，使得其对省煤器的换热面需求较大，因此受经济性和安装空间限制，初期只能将烟温降低至150℃左右，远高于燃气锅炉烟气平均露点温度55~60℃，烟气中仍然有大量的热量未能回收利用，尤其是烟气所蕴含的大量冷凝热量。

随着烟气余热回收利用技术研究的不断深入，在初期余热回收方式的基础上，提出了冷凝式烟气余热回收利用方式，其主要包括换热器型烟气余热回收技术、热泵型烟气余热回收技术以及其他余热回收技术等。

（1）换热器型烟气余热回收技术
换热器型烟气余热回收技术的关键部件是换热器，根据换热器内部烟气与其他换热介质的换热方式不同可分为间接式换热器、直接接触式换热器和蓄热式换热器。

1）间接式换热器
间接式换热器因为其内部换热过程烟气与水分不直接接触，因此其换热的水质没有污染，并且烟气与水由换热器分离两端，相对独立，对温度控制能力较强。

但是由于换热壁面有一定的换热热阻，其换热效果相对较低，这使得要达到相同换热效果，其换热面积要求更大，容易受安装空间限制，并且烟气在换热器内发生冷凝时，烟气中易容于水的酸性气体会使冷凝水呈酸性，对换热器造成腐蚀，因此此类换热器一般都要求具有较高的防腐能力。

目前典型的间接式换热器有翅片管式、热管式和板式三种。

翅片管式换热器是继光管式和螺旋管式之后发展而来的，其表面较为粗糙，增大了换热器的传热面积，并且能够将换热器管外流动的层流破坏成为紊流，从而达到强化换热的效果，在相同的流体流动条件下，其换热性能与光管式和螺旋管式换热器相比增强了50%以上。

翅片管式换热器引起表面特征的不同，其传热性能也有所不同，并且其加工工艺也有所不同。

尤风霞针对相邻管间不同间距的H 型翅片换热器的传热性能及阻力特性进行了数值模拟，结果表明管束流通面积最小处的平均流速影响着其传热性能和阻力特性，流速增加，传热性能增加，但阻力也随之增大。

HacıMehmet Şahin等人研究了不同翅片角的翅片管式换热器的传热性能以及传热过程中的阻力特性，结果显示最佳的斜翅角度为30°，此时将获得最佳
的传热效果。

何雅玲等人对圆管和四种椭圆管型的翅片换热器的传热与流动热性进行了数值模拟研究，结果显示，与圆管相比，四种椭圆管型换热器的平均Nu 数都提高了10%以上。

热管式换热器一般有多根热管按照一定的排列顺序组成，中间用隔板将冷热流体隔开，利用热管内部工质的蒸发、冷凝过程中的相变实现热量传递，并且每根热管都能够独立运行。

目前由于热管换热器具有换热速率大、结构简单、阻力小、管壁温度可控等特点，在烟气余热回收中得到了广泛的应用。

王璐提出了一种热管式气气换热器，并结合实际工程案例进行研究分析，结果表明利用这种换热器进行余热回收后，锅炉天然气消耗量减少24%~28%。

Wei-Keng Lin等人针对金属波纹板有无热管，实验研究分析了层流热管换热器的性能，结果显示，热管金属波纹板的升温速度比没有热管的钢板快，添加热管能够迅速提高波纹板的温度提升速度，这也意味着热管为层流热管换热器传热速率的一个重要参数。

板式换热器有水-水换热，汽-水换热等形式，主要利用换热器内部带有波纹的金属板片进行换热，其内部结构较为精密，传热性能好，体积小，由于这两个特点使其受安装空间影响较小，应用范围更广。

目前学者针对板式换热器性能提升、结构优化设计等进行了多方面的研究，包括换热与压降性能研究、波纹板形式优化提升换热研究等。

2）直接接触式换热器
直接接触式换热器为高低温换热介质直接接触的混合换热。

由其换热的形式又被叫做混合式换热器。

目前，常见的接触式换热器有填料型、鼓泡型、折流板型。

相对于间接式换热器，接触式换热凭借其热阻小，换热效率高，换热面积大，且具有一定的污染物减排的特点，其在石油、化工、城市供热等领域有着广泛的应用，也有大量的国内外研究学者在结构优化改造，实际应用效果等方面进行了大量的研究。

刘华在分析研究了直接式接触式换热器中烟气与水的换热效率影响因素之后，给出了其热工计算方法，并且将其应用到实际示范工程设计中，实际运行数据显示换热性能达到了预期效果。

姜小敏对直接接触式换热器填料段内的热质交换进行了分析研究，建立了填料段热质交换微分方程组，改进了热质交换过程参数分布于高度计算方法，并进行了试验验证，结果表明，数值计算结果与试验数据一致。

李峰研究了直接接触式换热器内雾化水滴的运动特征和烟气与水的热质交换热性，建立了烟气-水热质交换的微分方程，求得了数值解，结果表明，影响换热器内烟气-水热质交换性能的主要因数为换热器高度，喷淋水雾化粒径、水汽比。

有学者对鼓泡型换热器进行了深入研究，并且为了进一步强化换热，将其与其他形式进行整合，魏士超以正戊烷和水为换热介质，对采用了填料的鼓泡型换热器进行了实验研究，结果表明，以23.868L/min 的正戊烷流量，2.5mm 的分布器孔径进行实验时，其体积换热系数的大小约为未加时的 2 倍。

目前还有大量科研人员对烟气余热回收技术进行了对比研究，陈冲对间接式与直接接触式两种换热方式的技术特点进行研究，并且以一个电厂为例详细阐述了直接接触式换热方式对烟气余热回收的显著效果，并且指出换热后产生冷凝水的腐蚀性是这一方式应用推广的一大难点。

另外有些研究人员对小型燃气热水锅炉本体的换热结构进行改造，引入了浸没式燃烧技术，即首先将燃气与助燃空气进行混合，燃气燃烧后的高温烟气直接通入水中，使高温烟气与水直接进行热量交换。

浸没式燃烧换热锅炉的本质是将锅炉本体内部原有的间接加热的方式改造成为直接接触式的换热方式。

孟柳娟对浸没式燃烧锅炉的特性进行了分析，为燃气热水锅炉进行浸没式的改造设计、工程示范应用等提供了相关基础。

但这技术存在着一定的局限，锅炉出水温度不能太高、空气进风阻力较大，调节需求更加严格。

3）蓄热式换热器
蓄热式换热器是利用换热器内蓄热体的蓄、放热来进行热量交换的。

其工作原理为冷热流体依次交替进入换热器内，热流体进去时将热量传递储存在蓄热材料内，冷流体通过时，蓄热材料放出热量传递给冷流体，如此反复。

其具有体积小、造价低、换热效率高等特点，有蓄热材料组成的两个蓄热体，两个蓄热体蓄放热交替使用。

目前的针对蓄热式换热器的研究主要集中在蓄热体材料、换热器
结构优化等方面。

王维刚针对蓄热式换热器的结构形式优化提出了一种优化设计方法。

该方法以于遗传算法的基础，通过对比分析结果显示，该设计方法在年运行费用上比其他常规的算法减少了22.1%。

（2）膜法烟气余热回收技术
常规烟气余热回收技术对热量回收都进行了深度回收，但是对于烟气冷凝换热后冷凝析出的冷凝水处理问题研究较少，烟气的冷凝水一般呈弱酸性，如何在烟气余热回收同时实现水蒸气的资源化利用是解决烟气冷凝水的关键问题。

当前随着气体膜分离技术的发展，将膜分离技术应用到烟气余热回收中的膜法烟气余热回收技术能够有效解决此问题。

膜分离技术是利用气体分离膜的微孔扩散或溶解-扩散的机理将烟气中水蒸气与其他组分分离开来，然后进行后续处理。

其中关键是设备为膜组件，膜组件通常由亲水性较强的膜材料组成，常用的分离烟气水蒸气的膜材料有无机的陶瓷膜材料，高分子聚合物的聚砜、磺化聚醚砜等，常用的膜结构形式有中空纤维膜式、平板式和卷式。

国外利用膜分离技术回收烟气热量和水分的研究开始于20 世纪90 年代末，在美国，由美国能源部的出资资助下，其开发了一种基于无极陶瓷膜技术的输运膜凝汽器（TMC）技术，其原理如图1-7 所示，将这种技术应用到燃气锅炉上时，其运行结果显示，回收的水分占烟气水分的40%以上，并且锅炉的热效率效率将提高5%左右。

在欧洲，由欧盟资助，欧洲14 家单位联合参与，研究一种名为CAPWA 的膜法水分回收技术，该技术利用中空纤维膜的选择透过性的特点，将烟气中的气态水与其他气体组分进行分离，然后经过汽水换热器回收分离后水蒸气的全热后水蒸气冷凝获得高纯度的水；分离后的烟气中水蒸气含量较少，其蕴含的潜热较少，露点温度较低，且大部分为显热，后续经过常规换热器进行热量回收，系统工作时膜内传质机理如图1-8 所示。

国内对于膜分离技术在烟气中的应用研究除了回收烟气余热和冷凝水，许多学者将其利用在烟气的净化方面，如分离烟气中CO2 实现低碳排放、对烟气进行脱硫脱硝等。

而针对分离烟气中水蒸气的研究多集中在中空纤维膜材料、中空纤维膜传质机理及影响因数等方面的研究。

在上述烟气余热回收方法中，间接式只能回收烟气显热，膜法现有的研究无法实行大规模应用，而直接式换热在有
温度较低的冷源作为喷淋换热介质时，能够深入回收烟气余热。

天然气燃烧产生大量烟气，其露点温度一般在55℃左右，对烟气进行深度冷凝余热回收时，喷淋式换热所需的换热水温度要在30℃左右，目前常规做法是用热网回水作为喷淋介质，但由于我国供热管网回水温度较高，使得其与烟气直接进行换热时的余热回收效果较差，不能回收烟气中的冷凝潜热，而目前常用热泵的特性来解决回水温度过高的问题。

2.热泵型烟气余热回收技术
随着热泵技术发展，烟气余热回收换热器与热泵耦合的热泵型烟气余热回收系统能够有效的深入回收烟气余热，目前比较常见的热泵形式包括有蒸汽压缩式与溶液吸收式。

不同的热泵形式所能适用的温度范围不尽相同，目前对于不同特点的余热类型，应用于余热回收的系统还没有一个指导性的设计规范或准则来指导。

许多专家学者都对此进行了深入研究。

李萌对压缩式与吸收式两种热泵形式进行了对比分析研究，研究结果表明，就两种热泵形式的㶲效率而言，压缩式的大于0.3 以及吸收式大于0.12 以上才有实际的工程应用价值。

王如竹等针对工业余热回收用的三种热泵形式的热点及发展趋势进行了对比分析，三种热泵形式包括压缩式热泵、两类吸收式热泵及化学热泵。

研究指出对于压缩式热泵，制冷工质、温度适应性、高温输出是其研究的主要方向；对于吸收式热泵而言，其能效与热源适应性是研究的重点；对于化学热泵要着重解决能效与稳定性的不可兼得的矛盾问题。

（1）吸收式热泵型
吸收式热泵根据用于驱动的输入热源温度不同以及溶液段的运行形式不同，其输出的水温不同，一般70~150℃的热源驱动，能提供的温度在100~200℃，由于其初投资、安装空间等因素影响，一般用于大型工业锅炉的余热回收系统中。

由于吸收式热泵的驱动热源可由锅炉直接提供，不需要再另引入其他能源，因此目前对与大型燃气锅炉而言其研究与应用较为广泛。

贾红书等对工业余热回收用开式吸收式热泵系统的结构形式进行了综述，并重点研究了热泵系统运行过程中的问题，提出改变吸收液的物性，加装微滤过滤器等解决方案。

赵玺灵等利用吸收式热泵对热力站二次网处进行供热调峰，通过节能经济性分析，在燃气消耗量不变的前提下，该系统与常规的调峰用燃气锅炉供热系统相比，供热能耗降低6%。

杜洪波等以喷淋塔加吸收式热泵的烟气余热回收技术路线对北京市某小区的燃气锅炉进行了实际改造，改造后运行测试结果表明供热效率提高了11%，其投资回报年限约为 2.5 年。

L. Garousi Farshi 等提出了一种新型级联压缩吸收式热泵，并进行了相关研究。

在同一回收热源的条件下对这种新型热泵与其他三类热泵（压缩式、吸收式、混合压缩吸收）进行了对比分析，结果表明，这种级联热泵系统具有更大的工作应用范围。

目前吸收式热泵用于烟气余热回收已经完成示范阶段，被广泛应用于大型热电厂及大型集中供热厂中。

但目前北京市存在着大量20 吨以下的中小型燃气供热锅炉，并且有部分为直接与锅炉房内锅炉直接连接的小型直供燃气热水供热锅炉。

这些中小型锅炉多为小区内负责自身供热，锅炉房空间有限，相对于大型热电厂其烟气量较少，低品位的烟气余热总量较小，另外吸收式热泵初投资较大，投资回报期较长，锅炉运行商受自身财力及其他技术层面的影响，中小型燃气锅炉较少应用吸收式热泵用于烟气余热回收。

（1）压缩式热泵型
电压缩式热泵的所能提供温度范围一般在55~100℃，一般作为生活用水或者初步提升热网回水；压缩式热泵相对于吸收式热泵具有结构形式简单，空间需求小，适应性强等特点，特别适合于中小型燃气锅炉的烟气余热回收中，但是压缩式热泵受热泵输出温度的限制，目前多用于小型热水锅炉或者热网回水的初步提升中，并且对于电压缩式热泵的研究多集中在如何提高热泵热能输出温度，其中研究内容包括热泵高温工质、系统结构形式等方面。

压缩式热泵型余热回收方式中的热泵主要有压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀或膨胀阀构成，还有贮液器、油分离器等其他辅助设备。

压缩式热泵系统最主要的部件为压缩机，目前压缩机类型主要有容积式与离心式。

容积式压缩机是靠压缩机内腔的周期性改变来实现工作的，目前常见的有活塞式、
涡旋式及螺杆式；离心式压缩机是靠离心力连续性工作的，几种压缩机类型的结构简图。

理论上，容积式压缩机适用于压力要求较高的，而离心式压缩机适用于低压。

更细致区分的话，活塞式结构简单、应用范围最广，但振动较大，并且由于排气不连续，需配备贮气罐；涡旋式平衡性较高。

可靠性高，噪声较低，但其密封性要求较高，制作成本较高；螺杆式零部件少，适应性强，但其单机容量较大，造价高，不适用于小型场所；而离心式一般要求其转速较高、其动力平衡要求高，相对其他形式无易损零件，具有制冷量大，维护简单、使用寿命相对较长等特点，但其效率一般较低，工况适应性不强，运行时噪声较大。

赵力分别从热泵工质与热泵系统本身两方面对中国高温热泵的发展及其应用现状进行了研究，结果表明，目前国内有许多学者对高温热泵工质进行了多项研究，但对于高温热泵系统的应用研究较少，而后者的研究关系到热泵系统的持续稳定性工作，也直接关系到能否充分发挥热泵工质的特点。

赵天怡研究了双级压缩高温热泵的换热器对热泵性能的影响，对换热器面积与系统COP 的关系进行了模拟研究。

结果表明冷凝器端换热器的效应极差为1.485，蒸发器端换热器的效应极差为0.783，这两个因素为影响热泵性能的主要因素。

V. V. Karnaukh 等针对回收低温冷却水余热用蒸汽压缩式高温热泵的制冷剂进行了研究，分别对使用R142b、R236fa、R600a 和R406a 四种制冷剂的热泵能效进行了比较研究，结果表明，R236fa 与R600a 更加适合于高温热泵回收低温冷却水低品位余热。

Milan N 等对工质为R718 的离心式压缩机的特点及其用于工业高温热泵的应用范围进行了研究，结果表明，R718 离心式压缩机特点为圆周速度高、压缩比高以及高马赫数，另外，在大容量、蒸发器和冷凝器的温度差异较大的条件下，两级或多级与单级离心压缩机的热泵是有利的技术方案，其具有高性能COP、结构简单及成本较低。

Opeyemi Bamigbetan对多级压缩的热泵进行了㶲分析，结果表明多级压缩系统随着压缩级数的增加具有更好的能量和㶲效率。

与单级相比，二级与三级压缩系统的COP提升了9.1%和14.6%。

沈久万等设计了一种用水作为介质的适用于高温的闭式热泵系统，当蒸发温
度在75℃,冷凝温度在100℃的运行工况下，此闭式热泵系统COP 可达到 5.99，并且随着压缩机注入水温的升高，闭式热泵系统COP 呈减小趋势，但变化的趋势不是很大。

Xiaokun Wu 等提出了一种容量调节的双螺杆压缩机高温热泵系统，并将其进行了实际工程应用，经过工程现场实际测试，其结果表明，当出水温度为95℃时，整个加热过程的系统平均COP 可以达到4.2，并且经过经济性分析，可也为此工程节省47%的运行成本。

张志平等设计了一种结合了双级压缩、四象限可控整流等多个关键技术的永磁同步变频离心式热泵，并进行了应用测试，其结果显示一台1758kW 的热泵机组在实际运行中其COP 高达7，热泵系统整体的COP 可以达到 4.8。

目前国内高温压缩式热泵技术多处于研究阶段，部分进行了实际工程示范应用，但对于中小型的热泵而言，其稳定性与性能仍是一个需进一步综合研究的问题。

针对中小型燃气锅炉提出应用压缩式热泵与换热效率较高的喷淋式烟气余热回收装置耦合组成的热泵型烟气冷凝余热回收系统，通过热泵使热网与喷淋余热回收装置连接，将喷淋后喷淋水中的热量提取传递至热网回水中，有效解决热网回水温度过高，无法直接用于深度回收烟气冷凝余热的问题。