摘　要：介绍了基于吸收式换热的烟气余热深度利用系统，对烟气冷凝的净化效果进行了测试，对系统的排放进行了分析与评价，为系统的推广应用提供重要参考。

关键词：天然气　烟气　冷凝热回收　深度利用

1　引言

锅炉烟气中蕴含着大量的显热和潜热，充分利用烟气中的能量可减少能源消耗，从而实现污染物减排。天然气锅炉烟气含湿量较高，水蒸汽冷凝过程会放出大量的汽化潜热，同时产生大量的水，且天然气杂质较少，凝结水相对清洁，因此天然气的烟气余热回收成为研究的热点。在供热系统中，燃气锅炉烟气余热回收可以采取不同的技术路线。最常见的是在常规燃气锅炉尾部增设冷凝式换热器，这方面的研究包括传热理论与实验研究^[1-4]、强化传热与防腐研究^[5-7]，冷凝换热装置的设备开发及示范工程的应用等^[8-9]。

燃气锅炉烟气的露点温度在55℃左右，只有被加热介质温度低于55℃才能回收烟气中的冷凝热，在30℃甚至以下才能取得更好的热回收效果，在我国的集中供热领域，热网回水温度一般在50℃以上，因此不能充分回收烟气冷凝热。这种直接在燃气锅炉尾部增设冷凝式换热器的方法往往只能回收烟气的部分潜热，不能实现冷凝热的深度回收。

近年来随着吸收式换热技术^[10-11]的日趋成熟，利用吸收式换热技术可以实现烟气余热的深度利用，系统利用吸收式热泵制造一种低温冷媒，使得烟气的排烟温度更低，余热回收更彻底，因为水蒸气被大量冷凝下来，烟囱不冒白烟，节能和环保效果均更为显著，这种技术路线逐步得到了业内人士的认可并备受关注。文献^[12]介绍了这种技术，并就该系统及余热回收装置进行了传热理论与实验研究、冷凝换热装置的设计和设备开发，并陆续在几个锅炉房中成功应用。随着新技术的应用，水蒸气被冷凝的量越来越大，烟气中的COx、NOx等污染物会溶于冷凝液中，从而减少了直接排放到大气环境中的各种污染物浓度，其减排总量多大?该技术使系统的排烟温度越来越低，可以做到近常温排放，排烟温度的降低对污染物扩散的影响如何?本文针对烟气余热深度利用技术的环境排放问题进行研究，研究结论将对该技术的推广应用提供重要的参考。

1　基于吸收式换热的烟气余热深度利用系统

图1所示是一种利用吸收式热泵的燃气锅炉房烟气余热回收系统，吸收式热泵以天然气为驱动能源，驱动吸收式热泵产生冷水对烟气余热进行回收，该冷水即中间介质水与烟气的换热过程可以采用直接接触式换热或者间接换热器进行换热，使烟气降温至露点温度以下，烟气中的水蒸汽凝结放热，达到回收烟气余热及水分的目的。热网回水首先通过吸收式热泵进行加热，然后进入燃气锅炉加热至设计温度后供出，完成热网水的加热过程。

利用该技术可使系统排烟温度降低到30℃以下，提高燃气能源利用效率10％以上，目前该项技术已经在北京总后锅炉房、竹木厂锅炉房等工程中应用，取得了较好的节能效果。通过实际运行观测发现对烟囱冒白烟的削减作用明显。这种技术的增量投资一般在3年以内可以回收。

2　烟气冷凝对排烟组分的净化机理

烟气冷凝对排烟组分的净化是复杂的传热传质过程。烟气冷凝是烟气中水蒸汽在换热壁面上冷凝成液膜或细小的水滴，继而汇聚成大水滴或细小液流，在这过程中，烟气中的不同组分将会溶入冷凝水溶液中，或者与冷凝水溶液发生反应，烟气中的有害物质得以净化，使得排烟中有害气体含量降低。

烟气冷凝过程中NOx的净化：氮的氧化物有NO，NO2，N2O，N2O5等，统称NOx。构成大气污染和光化学烟雾的主要是NO，NO2。锅炉烟气中氮的氧化物主要是NO，NO2含量较少。NO稍溶于水，NO2易溶于水，形成亚硝酸和硝酸水溶液。NO2溶于水的反应式为：2NO2+H2O＝HNO3+HNO2。

3　烟气冷凝的净化效果测试

烟气冷凝可减少排烟中的有害物质，但其净化效果受到多种因素的影响。这些因素有冷凝液量、燃料种类、热交换介质的温度等。有研究发现^[3]：烟气冷凝对NOx的净化效果与烟气中SO2的存在与否有关。在烟气中无SOx存在时，烟气冷凝对NOx的净化效果较好，一般对NOx的吸收率能达到10％～20％：烟气中有SO2存在时，烟气冷凝对NOx的净化效果明显降低，一般对NOx的吸收率在10％以下。由于SO2的亲水性强于NOx，烟气中有SO2存在时，SO2与水的作用抑制了NOx与水的作用，使得烟气冷凝对NOx的净化效果降低。针对本文所示系统，因为系统排烟温度更低，冷凝液量更大，其净化效果需要进行实验研究。实验系统中采用直接喷淋式烟气冷凝换热器，这种直接接触方式的优势在于：极大地增加了烟气一水两相流体的接触面积，瞬间完成传热和传质，达到强化换热的效果。

3．1　测试方案

测试情景：对系统的热力工况进行了测试，分别在不开启烟气余热回收系统(工况1)及开启烟气余热回收系统并进入稳定运行工况(工况2)进行了测试，基于两组测试结果定量分析余热回收装置效果。烟气系统的测点及测试内容如下：

(1)测点位置：测试在余热回收烟气系统管道开设采样孔，有效内径100mm，开孔位置如图lA、B、C三点所示；

(2)测试内容：烟气参数温度、含氧量和烟气污染物浓度(CO、C02、NO、NO2、NOx)。

3．2　测试数据分析

系统工况l：余热回收关闭，仅燃气锅炉运行。

该工况下，燃料消耗量为1572Nm³／h，总供热量14MW。

系统工况2：余热回收开启，燃气锅炉与吸收式热泵同时运往。

该工况下，燃气锅炉燃料消耗量为1572Nm³／h，吸收式热泵燃料消耗量为358.5Nm³／h，系统总供热量为19.01MW，其中锅炉供热量14MW，余热回收系统供热5.02MW(其中含1.9MW烟气余热)。工况2与工况1相比系统供单位热量lMWh的燃料消耗量由112.3Nm³燃降低到l01.6Nm³，供热节能率为9.5％。

两个情景下的烟气采样分析结果如下：

从以上数据可以看出，同样消耗lNm³天然气，排放因子减少了5.73%。

4　烟气余热深度利用系统排放分析与评价

4．1　系统排放总量分析

采用两种系统供应相同的热量1MWh，系统1的排放总量＝112.3Nm³×0.75g／Nm³燃气＝84.225g；系统2的排放总量＝101.6Nm³×0.707g／Nm³燃气＝71.831g，总排放减少了14.7％。分析其贡献率包含两部分，一部分是因为燃料的节省降低了排放总量，这部分贡献即节能贡献率约为9.5％，另一部分是采用了吸收式烟气余热回收装置使得污染物浓度降低，对总排放量的贡献。

4．2　排烟温度降低对扩散的影响分析

该项烟气余热回收技术对污染物扩散的影响可以从两个方面分析，随着排烟温度的降低，一方面：烟气余热回收量逐渐增大，供相同的热量节省了燃料，燃料的节省会使NOx排放速率减小，NO2的最大落地浓度减小；另一方面，随着烟气温度的降低，污染物不宜扩散，烟气本体的NO2的最大落地浓度增加，两种因素的作用一正一负，因此需要对两方面分别分析其综合效果。

4．2．1排烟温度和燃料节省对扩散的影响

为了清除的分析两种因素的影响，首先假设排烟温度不变的条件下，仅分析节省燃料对排放的影响；然后假设燃料消耗量不变，仅分析排烟温度降低对排放的影响。将相关参数输入Screen3模型(《环境影响评价技术导则大气环境》(HJ2.2—2008)中推荐的估算模式)计算，得到最大落地浓度和最大落地距离。图2为节省燃料对NOx最大落地浓度的影响，随着余热回收程度的增加，燃料会逐渐节省，随着燃料节省比率的增大，NOx最大落地浓度逐渐减小，当从显热回收段进入潜热回收段后，落地浓度显著降低。图3为降低排烟温度对落地浓度的影响，随着排烟温度的降低，落地浓度逐渐增加，趋势较为明显。

综合分析正负两方面因素，将其绘制在一张图中，如图4所示，排烟温度降低对落地浓度的增加要明显比燃料的节省更为显著，说明排烟温度降低是主要影响因素，综合起来落地浓度是随着烟气温度的降低逐渐增大的。图5为两个因素对最大落地距离的影响，随着烟气的深度利用，无论是排烟温度降低还是燃料量的节省均会使最大落地距离逐渐减小，同样，排烟温度降低是主要影响因素。

4．2．2实际两种工况污染物扩散情况分析

将实测的烟气参数和N0x排放浓度输入sereen3模型，得到最大落地浓度和最大落地距离，见表2，落地浓度随排放源距离(距离烟囱的距离)的变化如图6所示。

根据模型测算结果，余热回收工况NOx最大落地浓度略有增加，增加了2.88mg／m³。从图中可见，余热回收工况NOx落地浓度达到峰值后，随排放距离衰减速率大于燃气锅炉供热工况，即余热回收工况虽然最大落地浓度略有增加，但是迅速衰减，在距离排放源300米以后，两种工况的排放就基本相当了。无论是哪一种工况，其排放均远低于《环境空气质量标准》(GB3095—2012)中的二类区NO21h平均值(200mg／m³)；且余热回收工况最大落地距离减小了l7.6％，减小了污染范围。

以上研究分析说明了随着烟气排烟温度的降低，对扩散的总体影响较小，在烟气余热回收技术的推广应用过程中，针对利用该项技术的燃气锅炉房，均不必要重新进行环境影响评价。

6　结论

随着烟气余热深度利用技术的出现，使系统的排烟温度越来越低，可以做到近常温排放，本文针对其环境排放问题进行研究，研究了烟温度的降低对污染物扩散的影响，得出以下结论：

(1)系统减排总量的结论：通过对烟气余热深度利用系统的进行实测得出：测试工况下，系统排放总量减少了14.7％，分析其贡献率包含两部分，一部分是因为燃料的节省降低了排放总量，这部分贡献即节能贡献率约为9.5％，另一部分是采用了吸收式烟气余热回收装置使得污染物浓度降低，对总排放量的贡献约为5.2％。

(2)最大落地浓度的影响分析得出：因为节能的燃料节省和排烟温度降低均对最大落地浓度产生影响，随着燃料的节省，最大落地浓度减小，随着排烟温度的降低，最大落地浓度增加。排烟温度降低对落地浓度的影响更为显著使得总的趋势是随着排烟温度的降低，最大落地浓度增大。

(3)最大落地距离的影响分析得出：因为节能的燃料节省和排烟温度降低均使最大落地距离减小，排烟温度降低是减小最大落地距离的主要影响因素。

(4)通过实际烟气余热回收与否两种工况的浓度对比分析，得出：余热回收工况NOx最大落地浓度略有增加，但是迅速衰减。无论是哪一种工况，其排放均远低于《环境空气质量标准》(GB3095—2012)中的二类区NO2lh平均值(200mg／m³)；且余热回收工况最大落地距离减小了l7.6％，减小了污染范围。

以上研究分析说明了随着烟气排烟温度的降低，对扩散的总体影响较小，在烟气余热回收技术的推广应用过程中，针对利用该项技术的燃气锅炉房，均不必要重新进行环境影响评价。

参考文献：

[1]贾力，吴冬梅，齐巍．混合气体横向冲刷水平管时对流冷凝换热的机理研究[J]．热科学与技术，2007，6(3)：209-213

[2]李慧君，罗忠录，程刚强，等．天然气锅炉烟气换热特性的分析[J]．动力工程，2006，26(4)：467-471．

[3]李慧君，林宗虎．燃气锅炉烟气余热回收实验分析[J]．工业锅炉，2004，88(6)：1-4．

[4]笪耀东，车得福，庄正宁，等．高水分烟气对流冷凝换热模拟实验研究[J]．工业锅炉，2003，77(1)：12-15．

[5]王随林．新型防腐镀膜烟气冷凝换热器换热实验研究[J]．煤气与热力，2010，30(3)：20-24．

[6]刘重阳，刘贵昌，王随林，等．Ni-Cu-P化学镀层的制备及其耐烟气冷凝液的腐蚀性能[J]．材料保护，2011，44(3)：8-10．

[7]葛海霞，王随林，穆连波，等．烟气冷凝热能回收利用装置的优化[J]．暖通空调，2011，40(1)：113-116．

[8]车德福．冷凝式锅炉及系统．机械工业出版社，2002．

[9]赵钦新，查爽，康子晋，郑蕾．冷凝式锅炉及工程应用[J]．工业锅炉．2003，(4)：1-9．

[10]付林，江亿，张世钢．基于Co-ah循环的热电联产集中供热方法[J]．清华大学学报．2008．48(9)：1377-1380．

[11]赵玺灵，付林，张世钢．吸收式气-水换热技术及其应用研究[J]．湖南大学学报2009，36(12)：146-150

[12]赵玺灵，付林，江亿．天然气供热中烟气余热利用潜力及途径[J]．区域供热．2013，3：41-45．

[13]孙金栋，贾力，陈铁兵．烟气冷凝环保分析[J]．北京建筑工程学院学报．2000．16(3)：9-11.

本文作者：赵玺灵　付林　李锋　陈春寅

作者单位：清华大学建筑技术科学系