摘要：随着环境问题以及能源问题的不断加剧，燃气锅炉在生产生活中已得到了广泛的认可，其中锅炉烟气余热回收技术作为重要的节能环保技术得到了越来越多工作者的重视。但同时，烟气余热回收技术也面临了各种问题和挑战，因此，该领域的专家学者应该就此进行进一步的探索与研究，使烟气余热回收装置在节能减排方面发挥出自身应有的作用。
关键词：燃气锅炉；烟气；余热深度回收技术
1燃气锅炉烟气余热回收的基础理论
燃气锅炉中最重要的燃料是天然气，天然气的主要组成成分为含氢量较高的甲烷，甲烷完全燃烧后烟气中的含水量通常要略高于其他燃料成分，为了更好的进行分析研究我们将天然气完全燃烧后烟气中的成分含量进行了提取和测量，具体如表1所示。
表1天然气完全燃烧后烟气成分
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另外我们以城市内天然气锅炉燃烧为例，天然气烟气排放温度为200度，那么锅炉的热平衡中，热量损失最大的部分即为烟气排放时带走的热量，其中排气散热中不仅将烟气余热带走了，而且可以回收排烟中水蒸气的潜热。据统计被带走的这部分热量能够达到天然气全部发热量的六分之一，因此锅炉排烟造成的热损失是影响锅炉燃烧效率的决定性因素。经实践表明，烟气温度的高低与烟气可回收热量与锅炉的热效应成反比关系，即当烟气温度降低时可回收的热量和锅炉的热效应会迅速升高，换句话说为了尽可能的提升锅炉的运行效率应该将排气温度进行控制并保证在一定温度以下。
2燃气锅炉烟气余热回收技术
2.1显热回收技术
2.1.1省煤器
省煤器又叫节能器，利用锅炉排放烟气的热量来加热锅炉给水，供热系统中省煤器通常利用高温烟气来对供热系统回水进行加热。目前，燃气锅炉排烟一般保持在50℃以上，其露点一般为55～60℃，要实现对烟气中余热的深度回收利用，前提就是要回收其中的潜热，通常可通过降低烟气温度，并使之低于露点。但就目前的热水供热系统而言，系统回水温度和烟气露点温度非常接近，两者之间温差很小，采用供热系统回水和烟气进行换热，尤其是显热部分换热驱动力不足，潜热回收效果不好，导致省煤器总体余热回收能力有待提高。
2.1.2空气预热器
空气预热器是对燃气锅炉助燃空气进行加热的装置，其加热热源来自锅炉烟气余热。配置空气预热器可以起到两个方面的作用，一是降低排烟温度，减少排烟热损失；二是对助燃空气进行加热升温，有助于燃气的着火和燃烧，可降低不完全燃烧损失，提高锅炉热效率。
但是，空气预热器设置可能存在一些问题。一是可能需要对锅炉鼓风机甚至燃烧机进行调整，增加工作难度；二是烟气比热与空气比热相差较大，致使烟气温降不明显（例如，空气升温20℃，烟气可能只能降低几摄氏度），且存在腐蚀问题，这些因素限制了空气预热器对烟气余热的深度回收利用。
2.1.3技术对比
不论是利用烟气余热加热助燃空气还是锅炉回水，上述两种烟气余热回收技术在低温下传热温差较小，需要降低排烟温度，其对换热面的需求很大，造成技术经济性不佳。此外，由于供热系统回水温度和烟气露点温度较接近，而空气和烟气比热容相差悬殊，因此显热技术对烟气余热回收效果较差。该回收技术热力特性较差，需要采取其他更为有效的技术。
2.2潜热回收技术
潜热回收技术针对显热回收技术存在的不足，以显热回收技术为基础，采用冷凝回收技术和装置来回收燃气锅炉排出的高温烟气中的显热和水蒸气凝结所释放的潜热，实现深度回收。潜热回收技术较之显热回收技术虽然在换热器形式上差别不大，但是其传热机理从单相对流换热转变为凝结式换热，换热效果更好。
根据燃气锅炉烟气余热回收方式的不同，潜热回收技术主要有常规冷凝燃气锅炉余热回收技术、提升烟气露点温度的余热回收技术和基于热泵机组的余热回收技术这三类。
2.2.1常规冷凝燃气锅炉余热回收技术
常规冷凝燃气锅炉实现烟气冷凝是将锅炉的一次网回水与烟气进行间接换热，实现的途径有两种，分为整体型和分离型。整体型的技术特点是将烟气的冷凝放热在冷凝锅炉内部实现，主要表现形式有采用两级换热器和燃烧器倒置等，而分离型则是把冷凝换热器安装在锅炉烟道上。烟气中水蒸气通过换热器与供热系统一次网回水或预热室外空气等方式实现冷凝。在实际使用过程中，由于冷介质流量、进出口温度等参数的限制，换热器难以在小温差范围工作或无法持续高效工作，导致冷凝锅炉无法将烟气冷凝到露点或者只能冷却到露点下较高的温度，烟气中大部分潜热尚未被回收利用。在有足够的低温冷源保障下，可对排烟进一步降温，并达到露点以下，从而实现对潜热的回收，但根据工程实际，足够的冷源往往难以保证。由于在应用上受制于锅炉一次网回水温度，从整个供暖季来看，常规冷凝式燃气锅炉的余热回收效率并不高。
2.2.2提升烟气露点温度的余热回收技术
烟气露点温度主要由烟气中水蒸气分压决定，升高露点温度可使烟气中水蒸气在冷源不变的条件下更易冷凝。通常通过增加燃烧用空气氧浓度与增加燃烧用空气含湿量等途径来提高烟气露点温度回收余热。烟气的露点温度和其中的氧含量具有一定的正相关，在供热系统回水温度不变的情况下，燃气锅炉富氧型燃烧可降低过量空气系数，回收较多的烟气潜热，空气中氧浓度的增加减少了排烟量，节省了引风机的电耗，但该技术在应用时需要不断地加入纯氧，增加了氧气的制备费用，富氧燃烧后NOx需要配合控制过量空气系数来减少热力型NOx的生成，增加了额外工作量。此外，在混氧的过程中容易产生安全隐患，故该技术仍需要研究。
3吸收式热泵回收烟气余热技术
吸收式热泵的基本构成如图1所示，主要由蒸发器、吸收器、发生器、冷凝器等组成。
按制热目的，吸收式热泵可分为第一类吸收式热泵和第二类吸收式热泵。第一类吸收式热泵是将驱动热源（如燃气、蒸汽等）和低品位热源产生较高品位的适宜生产需求的中温热源。第二类吸收式热泵是为了满足某些生产对介质温度的需求，将中低温热能作为驱动热源来生产温度较高但量相对较少的热能，以提高能源品位，但该类热泵的COP值都比较低。
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图1吸收式热泵机组的基本结构
具体采用哪种类型的吸收式热泵，人们要根据生产的实际需要，综合考虑余热资源的情况以及需要获得的能量品质要求。两类吸收式热泵的特点及性能如表1所示。从表1可以看出，要实现对燃气锅炉烟气余热的回收利用，人们可以采用第一类吸收式热泵。
表1吸收式热泵的特点及性能热
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结束语
本文分析了省煤器、空气预热器等显热回收技术存在的问题，研究了冷凝燃气锅炉余热回收技术、提升烟气露点温度的余热回收技术和基于热泵机组的烟气余热利用技术等潜热回收技术，指出第一类吸收式热泵适合燃气锅炉烟气余热回收利用。实际应用案例表明，吸收式热泵可以有效回收燃气锅炉的烟气余热，降低能源费用，具有显著的经济效益。
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论文作者:李扬
论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期
论文发表时间:2020/5/6