燃氣鍋爐尾氣凝結(jié)回收研究進展

葉青青,張瑤瑤,田 雨,高志敏,齊 磊

(濱州學院 化工與安全學院，山東 濱州 256603)

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和能源消耗增加，節(jié)能減排技術(shù)以及清潔能源利用變得尤為重要。面對日趨緊張的能源供應(yīng)形勢和保護環(huán)境的迫切需求，在"創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享"新發(fā)展理念的引領(lǐng)下，中國經(jīng)濟將加速向綠色低碳的經(jīng)濟模式轉(zhuǎn)型升級，綠色、低碳、高效也將成為中國能源轉(zhuǎn)型的必然選擇。

著眼于當下影響環(huán)境的幾大因素，燃氣鍋爐的尾氣排放仍然存在很大問題。燃氣鍋爐的尾氣中存在大量的水蒸氣和二氧化碳，如何將這些氣體分別進行冷凝回收，甚至提純利用，這就需要對燃氣鍋爐尾氣處理過程進行系統(tǒng)研究和詳細設(shè)計，進而達到能源高效利用和環(huán)境保護的目的。雖然國外已生產(chǎn)出高效冷凝型燃氣鍋爐，但其造價較高，很難在國內(nèi)大規(guī)模推廣應(yīng)用。因此，對燃氣鍋爐尾氣經(jīng)濟高效地凝結(jié)回收仍是當前研究的熱點問題。國內(nèi)外專家學者也在此領(lǐng)域進行了大量的研究，取得了一系列啟發(fā)性成果，本文對國內(nèi)外部分學者的有關(guān)文獻進行了梳理和總結(jié)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 燃氣鍋爐尾氣余熱回收研究現(xiàn)狀

1.1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著我國能源和環(huán)境壓力的日益增加，燃氣鍋爐越來越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中。作為重要的燃氣鍋爐節(jié)能技術(shù)煙氣余熱回收具有廣闊的應(yīng)用前景。早在2002年，李慧軍等[1]就進行了冷凝式燃氣鍋爐煙氣余熱回收的可行性經(jīng)濟分析，燃氣鍋爐尾氣對管道腐蝕性較小，在換熱器采取合適材質(zhì)后，可使煙溫降至酸露點以下。另外燃氣鍋爐尾氣中水蒸氣含量較高，對這部分熱量進行回收，既可以提高鍋爐的熱經(jīng)濟性，又可以吸收尾氣中部分酸性氧化物，達到節(jié)能增效、保護環(huán)境的雙重作用。張曉暉等[2]通過對天然氣煙氣特性的分析以及對冷凝式鍋爐熱效率的分析和計算得出,將煙氣溫度降低到露點溫度以下對煙氣進行余熱回收有重要的實際意義。與煤和石油鍋爐相比，將燃氣鍋爐改造為冷凝式余熱回收鍋爐更為經(jīng)濟環(huán)保。

天然氣在凝結(jié)過程中，會放出大量熱量，這是燃氣鍋爐余熱回收的重要部分。針對這一過程，李慧君等[3]進行了天然氣凝結(jié)與換熱特性的研究，介紹了煙氣在管束外面凝結(jié)時，煙氣成分會產(chǎn)生變化，流體的速度也會變化。水冷管外壁氣液膜的厚度受流速與管距的影響而多變。液體在凝結(jié)過程中會滴落，對下排管束氣液膜產(chǎn)生影響。在最初，煙氣溫度變化較快，在冷凝后變慢，但是冷卻水的溫度會變化較快，這與汽化潛熱有關(guān)。李曉偉等[4]結(jié)合Kuhn實驗?zāi)M管內(nèi)含不凝性氣體冷凝對流換熱過程，得出凝結(jié)時對流換熱系數(shù)與煙氣里所含水蒸氣的分壓有關(guān)，其分壓越大換熱系數(shù)就會越大。含不凝性氣體冷凝換熱包括對流換熱和凝結(jié)換熱兩部分，并且對流換熱部分由于壁面水蒸氣的凝結(jié)使得抽吸作用得到了強化。車得福等人[5]研究了經(jīng)濟的煙氣出口溫度。煙氣中的水蒸氣處于過熱狀態(tài)時，通過添加冷凝熱交換器，對尾氣中顯熱以及潛熱量加以利用，鍋爐效率可提高多達10%～15%。史曉軍等[6]研究了濕蒸汽在低于露點溫度后凝結(jié)放出顯熱與潛熱。由于常規(guī)的管殼式換熱器應(yīng)用于此類凝結(jié)換熱時體積龐大，因此采用了緊湊式換熱器。研究表明隨著入口煙氣流速的增加，換熱系數(shù)與壓降均增加。王志勇等[7]以四川天然氣為例，綜合分析了燃氣鍋爐熱損失的影響因素。煙氣熱損失隨排煙溫度的變化有兩個差異區(qū)間,區(qū)間分界點溫度是煙氣露點。另外，排煙溫度下降會導(dǎo)致煙氣形成酸性冷凝液并引發(fā)設(shè)備腐蝕。因此,防腐是煙氣冷凝余熱回收時必須要考慮的技術(shù)問題?？刹捎梅栏饘僦圃鞜煔庥酂峄厥赵O(shè)備或采取在設(shè)備表面涂刷防腐涂料等措施。馬文姝等人[8]提出的新型冷凝式換熱裝置由渦街發(fā)生裝置和換熱器共同組成，綜合了冷凝換熱、抗腐蝕材料、可變出力調(diào)節(jié)控制、燃燒比例調(diào)節(jié)、供熱模式轉(zhuǎn)化等多個新型工程概念，實現(xiàn)高效換熱。

1.1.2 國外研究現(xiàn)狀

針對鍋爐尾氣換熱，國外專家學者評估了影響煙氣冷凝的主要因素，進行了多種換熱器的研究與設(shè)計，并建立相應(yīng)模型進行換熱系統(tǒng)的性能計算。

Shi X等人[9]發(fā)現(xiàn)，水蒸氣凝結(jié)時主要的傳熱傳質(zhì)阻力來自非冷凝性邊界層，因此在設(shè)計換熱流程時，要針對性地減弱或消除這一阻力。而Jia L[10]對濕煙氣流在豎直管內(nèi)的環(huán)形薄膜冷凝進行了理論和實驗研究，結(jié)果水蒸氣的冷凝增強了對流換熱，因此壁溫是影響濕煙氣冷凝速度的重要因素。濕煙氣中水蒸氣的形成對冷凝速度和伴隨的傳熱有重要影響，并且顯熱和潛熱對總傳熱貢獻的比例隨雷諾數(shù)的變化而變化。

Kyudate Hwang[11]采用鈦制耐腐蝕換熱器，對冷凝器用于余熱回收時的傳熱傳質(zhì)特性、煙氣流量、進水溫度、進水質(zhì)量流量等參數(shù)進行了研究，同時實驗研究了換熱器管路的不同布置形式對換熱效率的影響。實驗結(jié)果表明，采用潛熱回收換熱器的燃氣熱水器的熱效率比未采用潛熱回收換熱器的燃氣熱水器提高了10%左右。

Wang Y[12]從翅片管的排列方式和數(shù)量進行研究，發(fā)現(xiàn)含有10個翅片的翅片管的對流傳熱系數(shù)是未出現(xiàn)凝結(jié)時傳熱系數(shù)的4.1倍。左右對稱的翅片管傳熱系數(shù)是光管傳熱系數(shù)的4～8倍，是中心對稱翅片管傳熱系數(shù)的1.3～1.8倍。 Junde Li[13]在研究不凝氣體對水蒸氣凝結(jié)率的影響時發(fā)現(xiàn)，交錯管束排列方式凝結(jié)換熱明顯比順排燃氣鍋爐尾部煙氣凝結(jié)換熱及余熱回收利用研究方式強烈，而且冷凝的對流換熱系數(shù)要比沒有冷凝時高 3～5 倍。

Jeong K[14]基于煙道內(nèi)煙氣與冷卻水的能量與質(zhì)量守恒定律，建立了煙氣冷凝換熱器系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)過程的分析模型。利用解析模型計算了煙氣出口溫度、冷卻水出口溫度、水蒸氣摩爾分數(shù)和水蒸氣冷凝率等參數(shù)。采用中試熱交換器對分析模型進行驗證。作者提出以冷卻水質(zhì)量流量與進口煙氣質(zhì)量流量之比、進口冷卻水溫度及煙氣流量與總傳熱表面積之比為函數(shù)來評價換熱器系統(tǒng)的性能。

1.2 Laval噴管國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

氣體在高速流動時急劇膨脹會產(chǎn)生低溫效應(yīng)，這一效應(yīng)目前較多應(yīng)用于氣體液化過程，且主要通過Laval噴管來實現(xiàn)。上述原理可應(yīng)用于鍋爐尾氣的處理，尾氣進入Laval噴管，在跨越喉部后達到超聲速流動，而后進入漸擴段氣體高速膨脹導(dǎo)致低溫低壓，促使尾氣凝結(jié)，放出大量潛熱。

Laval噴管內(nèi)的液化率與凝結(jié)核及液滴生長密切相關(guān)。曹學文等[15]選取天然氣的主要成分甲烷和二氧化碳構(gòu)成的二元系，對Laval噴管內(nèi)天然氣自發(fā)凝結(jié)流動過程進行數(shù)值模擬研究。二氧化碳和甲烷混合氣體進入Laval噴管后膨脹至超聲速，溫度降低，在噴管擴張段達到一定過冷度后二氧化碳氣體發(fā)生凝結(jié)成核及液滴生長現(xiàn)象，形成氣液兩相流動，可實現(xiàn)二氧化碳的脫除和液體二氧化碳的回收利用。隨著過冷度的增大，甲烷氣體也會發(fā)生凝結(jié)成核及生長現(xiàn)象。

肖玉廣等[16]分別對多工況下及不同膨脹率的噴管內(nèi)的蒸汽凝結(jié)流動進行研究。噴管內(nèi)蒸汽凝結(jié)都發(fā)生在超音速區(qū)。成核率對過冷度的變化非常敏感，成核率從峰值1023量級到接近零所對應(yīng)的過冷度之差只有5K左右。凝結(jié)位置都發(fā)生在喉部位置下游，并且隨著噴管膨脹率的減小，達到最大過冷度的速度變得相對緩慢，使凝結(jié)位置后移。

劉楊等[17]對Laval 噴管漸縮段線型、漸擴段張角及旋流器位置對Laval 噴管內(nèi)壓力分布和制冷性能的影響進行系統(tǒng)研究。漸縮段線型采用維托辛斯基曲線進行Laval噴管漸縮段的設(shè)計可以獲得較好的制冷效果。 值得注意的是，Laval噴管( 加旋流器) 的旋流分離能力和制冷性能存在著明顯的制約關(guān)系，在天然氣液化過程中，需要在二者之間尋找一個平衡點，使得 Laval 噴管( 加旋流器) 可以取得較好的旋流效應(yīng)和膨脹制冷效果。

Lamann G[18]對反射膨脹波與弱激波相結(jié)合的特殊激波管過程進行了分析和標定。該方法用于在短時間(0.5ms)內(nèi)將載于氬中的水蒸氣轉(zhuǎn)移至已知過飽和狀態(tài)。在此期間，穩(wěn)定狀態(tài)均勻成核，然后是凝聚生長。采用90°Mie-light散射技術(shù)測量了200～260K溫度范圍內(nèi)的成核和生長速率，并與現(xiàn)有理論模型進行了比較。

Jassim E[19]對高壓天然氣在超聲速噴嘴中流動時的狀態(tài)進行了研究。改變通道長度可以影響沖擊波的位置。雖然由于入口渦流引起的壓力損失增加，但渦量在激波附近急劇增加。激波點之前的區(qū)域是細顆粒分離的主要區(qū)域，在需要細顆粒分離的實際應(yīng)用中，具有合理強度的沖擊可能是有利的。

3 結(jié)論

隨著鍋爐尾氣冷凝回收技術(shù)的發(fā)展，燃氣鍋爐熱利用效率不斷提高。當前，鍋爐尾氣凝結(jié)回收工藝、換熱器的選擇、煙氣冷凝水的處理利用、受熱面的腐蝕、煙氣凝結(jié)流動等已成為主要研究問題。在換熱器的設(shè)計方面，注意減弱或消除來自非冷凝性邊界層的傳質(zhì)傳熱阻力，結(jié)合相應(yīng)的煙氣特性與工程實際，建立模型并進行換熱系統(tǒng)的評價，綜合考量，實現(xiàn)高效換熱。防腐方面，綜合經(jīng)濟、環(huán)保等多方面因素后，受熱面、換熱器材料盡量采用防腐金屬，選取合適的防腐涂層，定期做好設(shè)備的檢修與維護。Laval噴管設(shè)計方面，應(yīng)注意結(jié)合實際煙氣特性，對Laval 噴管漸縮段線型、漸擴段張角及旋流器位置對 Laval 噴管內(nèi)壓力分布和制冷性能的影響進行系統(tǒng)研究。分析不同組分的成核率以及最大液化率，設(shè)計出適合工況的最優(yōu)方案。

此外，在“節(jié)能”的同時，如何進一步提升煙氣余熱回收裝置在"減排"方面的作用，做好冷凝酸液的回收處理工作，也是當前需考慮的問題。針對上述問題，該技術(shù)領(lǐng)域的專家學者尚需進行大量的研究與實踐。