鍋爐煙氣中蘊(yùn)含著大量的顯熱和潛熱，充分利用煙氣中的熱量可以減少能源消耗，從而實(shí)現(xiàn)污染物減排。天然氣鍋爐煙氣含濕量較高，水蒸氣冷凝過(guò)程會(huì)放出大量的氣化潛熱，同時(shí)產(chǎn)生大量的水，且天然氣雜質(zhì)較少，凝結(jié)水相對(duì)清潔，因此天然氣的煙氣余熱回收成為研究的熱點(diǎn)。在供熱系統(tǒng)中，燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收可以采取不同的技術(shù)路線。最常見(jiàn)的是在常規(guī)燃?xì)忮仩t尾部增設(shè)冷凝式換熱器，這方面的研究包括傳熱理論與實(shí)驗(yàn)研究^[1-4]、強(qiáng)化傳熱與防腐研究^[5-7]、冷凝換熱裝置的設(shè)備開(kāi)發(fā)及示范工程的應(yīng)用等^[8-9]。

    燃?xì)忮仩t煙氣的露點(diǎn)在55℃左右(過(guò)?？諝庀禂?shù)在1.15時(shí))，只有被加熱介質(zhì)溫度低于55℃才能回收煙氣中的冷凝熱，在30℃甚至以下才能取得更好的熱回收效果。在我國(guó)的集中供熱領(lǐng)域，熱網(wǎng)回水溫度一般在50℃以上，因此不能充分回收煙氣冷凝熱。這種直接在燃?xì)忮仩t尾部增設(shè)冷凝式換熱器的方法往往只能回收煙氣的部分潛熱，不能實(shí)現(xiàn)冷凝熱的深度回收。
近年來(lái)隨著吸收式換熱技術(shù)^[10-11]的日趨成熟，利用吸收式換熱技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的深度利用，系統(tǒng)利用吸收式熱泵產(chǎn)生一種低溫冷介質(zhì)，使得煙氣的排煙溫度更低，余熱回收更徹底，水蒸氣被大量冷凝下來(lái)，節(jié)能和環(huán)保效果均更為顯著，這種技術(shù)路線逐步得到了業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可并備受關(guān)注。文獻(xiàn)[12]介紹了這種技術(shù)，并就該系統(tǒng)及余熱回收裝置進(jìn)行了傳熱理論與實(shí)驗(yàn)研究、冷凝換熱裝置的設(shè)計(jì)和設(shè)備開(kāi)發(fā)，并陸續(xù)在幾個(gè)鍋爐房中成功應(yīng)用。隨著新技術(shù)的應(yīng)用，水蒸氣被冷凝的量越來(lái)越大，煙氣中的碳氧化物、氮氧化物等污染物會(huì)溶于冷凝液中，從而減少了直接排放到大氣環(huán)境中的各種污染物的量，其減排總量多大?該技術(shù)使系統(tǒng)的排煙溫度越來(lái)越低，可以做到低于30℃排放，排煙溫度的降低對(duì)污染物擴(kuò)散的影響如何?本文針對(duì)煙氣余熱深度利用技術(shù)的環(huán)境排放問(wèn)題進(jìn)行研究，研究結(jié)論將對(duì)該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供重要的參考。
2?基于吸收式換熱的煙氣余熱利用系統(tǒng)
將吸收式換熱的理念應(yīng)用到燃?xì)忮仩t的煙氣余熱回收中，其流程見(jiàn)圖1。在燃?xì)忮仩t房增設(shè)吸收式熱泵與煙氣冷凝換熱器，吸收式熱泵以天然氣為驅(qū)動(dòng)能源，產(chǎn)生冷介質(zhì)，該冷介質(zhì)與煙氣在煙氣冷凝換熱器中換熱，換熱過(guò)程可以采用直接接觸式換熱器或者間接換熱器，使系統(tǒng)排煙溫度降至露點(diǎn)以下，煙氣中的水蒸氣凝結(jié)放熱，達(dá)到回收煙氣余熱及水分的目的。熱網(wǎng)回水首先進(jìn)入吸收式熱泵中被加熱，然后進(jìn)入燃?xì)忮仩t加熱至設(shè)計(jì)溫度后供出，完成熱網(wǎng)水的加熱過(guò)程。燃?xì)忮仩t的排煙進(jìn)入煙囪底部，被置于煙氣冷凝換熱器頂部的引風(fēng)機(jī)抽出，與吸收式熱泵的排煙混合后進(jìn)入煙氣冷凝換熱器中，系統(tǒng)排煙溫度降低到30℃以下后送入煙囪中排放至大氣。在煙囪抽出煙氣與送回?zé)煔饪谥g增設(shè)隔板。我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用直接接觸式煙氣冷凝換熱器。
 
利用該技術(shù)可使系統(tǒng)供熱效率(系統(tǒng)供熱量與輸入系統(tǒng)中的燃?xì)獾牡臀粺崃恐?提高l0％以上。目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在北京總后鍋爐房余熱回收工程、北京竹木廠鍋爐房余熱回收工程中應(yīng)用，取得了較好的節(jié)能效果。這種技術(shù)的增量投資(包括吸收式熱泵、煙氣冷凝換熱器及配套水泵、閥門等設(shè)備的投資)一般在3a以內(nèi)可以回收。
3?煙氣冷凝對(duì)排煙組分的凈化機(jī)理
煙氣冷凝對(duì)排煙組分的凈化是復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。煙氣冷凝是煙氣中水蒸氣在換熱壁面上冷凝成液膜或細(xì)小的水滴，繼而匯聚成大水滴或細(xì)小液流。在這過(guò)程中，煙氣中的不同組分將會(huì)溶入冷凝水溶液中，或者與冷凝水溶液發(fā)生反應(yīng)，煙氣中的有害物質(zhì)得以去除，使得排煙中有害氣體含量降低。
煙氣冷凝過(guò)程中NOx。的凈化：氮的氧化物有NO，NO2，N2O，N2O5等，統(tǒng)稱NOx。構(gòu)成大氣污染和光化學(xué)煙霧的物質(zhì)主要是NO、NO2，其他忽略不計(jì)。鍋爐煙氣中氮的氧化物主要是NO，而NO2含量較少。NO稍溶于水，溶解量忽略不計(jì)。NO2易溶于水，形成亞硝酸和硝酸水溶液。NO2溶于水的反應(yīng)式為：
2NO2+H2O9HNO3+HNO2。
4?直接接觸式煙氣冷凝換熱凈化效果測(cè)試
煙氣冷凝可減少排煙中的有害物質(zhì)，但其凈化效果受到多種因素的影響。這些因素有冷凝液量、燃料種類、熱交換介質(zhì)的溫度等。有研究發(fā)現(xiàn)^[13]：煙氣冷凝對(duì)NOx的凈化效果與煙氣中SO2的存在與否有關(guān)。在煙氣中無(wú)SO2存在時(shí)，煙氣冷凝對(duì)NOx的凈化效果較好，一般對(duì)NOx的吸收率能達(dá)到10％～20％；煙氣中有SO2存在時(shí)，煙氣冷凝對(duì)NOx的凈化效果明顯降低，一般對(duì)NOx的吸收率在10％以下。由于SO2的親水性強(qiáng)于NOx，煙氣中有SO2存在時(shí)，SO2與水的作用抑制了NOx與水的作用，使得煙氣冷凝對(duì)NOx的凈化效果降低。針對(duì)本文所示系統(tǒng)，系統(tǒng)比傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t的排煙溫度更低，冷凝液量更大，其凈化效果需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用直接接觸式煙氣冷凝換熱器，這種方式的優(yōu)勢(shì)在于：極大地增加了煙氣一水兩相流體的接觸面積，瞬間完成傳熱和傳質(zhì)，達(dá)到強(qiáng)化換熱的效果。
4.1?測(cè)試方案
對(duì)系統(tǒng)的兩種工況進(jìn)行了測(cè)試，工況1是不開(kāi)啟煙氣余熱回收系統(tǒng)，工況2是開(kāi)啟煙氣余熱回收系統(tǒng)。基于兩組測(cè)試結(jié)果定量分析余熱回收裝置效果。在余熱回收煙氣系統(tǒng)中設(shè)采樣孔，采樣孔有效內(nèi)直徑為100mm，開(kāi)孔位置如圖1中的A、B、C三點(diǎn)所示，A點(diǎn)位于鍋爐的排煙口處，B點(diǎn)位于吸收式熱泵的排煙口處，C點(diǎn)位于煙囪總出口處。A、B點(diǎn)的數(shù)據(jù)用于日常分析和校核，本文主要分析C點(diǎn)的數(shù)據(jù)
4.2?測(cè)試數(shù)據(jù)分析
系統(tǒng)工況1：余熱回收系統(tǒng)關(guān)閉，僅燃?xì)忮仩t運(yùn)行。該工況下，燃料消耗量為1572m³／h，總供熱量為14.0MW。
系統(tǒng)工況2：余熱回收系統(tǒng)開(kāi)啟，燃?xì)忮仩t與吸收式熱泵同時(shí)運(yùn)行。該工況下，燃?xì)忮仩t燃料消耗量為1572m³／h，吸收式熱泵燃料消耗量為358.5m³／h，系統(tǒng)總供熱量為19.01MW，其中鍋爐供熱量為14MW，余熱回收系統(tǒng)供熱量為5.01MW(其中含1.9MW煙氣余熱)。
工況2與工況1相比，系統(tǒng)供單位熱量(1MW·h)的燃料消耗量由112.3m³天然氣降低到101.6m³，供熱節(jié)能率，為9.5％。供熱節(jié)能率等于工況2燃?xì)夂牧颗c工況1燃?xì)夂牧恐钆c工況1燃?xì)夂牧恐取?/span>
表1中，兩個(gè)工況下的煙氣采樣分析結(jié)果是以煙囪總出口處(C點(diǎn))的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。表1中*為折算值，是將工況1的NOx排放速率折算到與工況2供應(yīng)相同的供熱量條件下的NOx排放速率。表1中排放因子定義為每1m³天然氣燃燒后排放的NOx的質(zhì)量?？梢钥闯?，同樣消耗1m³天然氣，工況2比工況1排放因子減少了5.73％。
5?煙氣余熱深度利用系統(tǒng)排放分析與評(píng)價(jià)
5.1?系統(tǒng)排放總量分析
設(shè)兩種工況供應(yīng)相同的熱量(1MW·h)，工況1的排放總量＝112.3m³×0.75g／m³＝84.225g；工況2的排放總量＝101.6m³×0.707g／m³＝71.831g，總排放量比工況1減少了14.7％。分析其貢獻(xiàn)率包含兩部分，一部分是因?yàn)槿剂系墓?jié)省降低了排放總量，這部分貢獻(xiàn)即節(jié)能貢獻(xiàn)率，約9.5％，另一部分是采用了吸收式煙氣余熱回收裝置使得污染物濃度降低，對(duì)總排放量的貢獻(xiàn)約5.2％。
5.2?排煙溫度降低對(duì)煙氣擴(kuò)散的影響分析
該項(xiàng)煙氣余熱回收技術(shù)對(duì)污染物擴(kuò)散的影響可以從兩個(gè)方面分析。隨著排煙溫度的降低，一方面，煙氣余熱回收量逐漸增大，供相同的熱量節(jié)省了燃料，燃料的節(jié)省會(huì)使NOx排放速率減小，NOx的最大落地濃度減??；另一方面，隨著煙氣溫度的降低，污染物不易擴(kuò)散，煙氣本體的NOx的最大落地濃度增加。兩種因素的作用一正一負(fù)，因此需要對(duì)兩方面分別分析，從而得出其綜合效果。
5．2．1排煙溫度和燃料節(jié)省對(duì)煙氣擴(kuò)散的影響
為了清楚地分析兩種因素的影響，首先假設(shè)排煙溫度不變的條件下，僅分析節(jié)省燃料對(duì)排放的影響；然后假設(shè)燃料消耗量不變，僅分析排煙溫度降低對(duì)排放的影響。采用HJ 2.2—2008《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》中推薦的模式進(jìn)行計(jì)算，利用Screen3軟件進(jìn)行模擬，該軟件采用高斯模型進(jìn)行計(jì)算。
 
綜合分析正負(fù)兩方面因素，排煙溫度降低對(duì)NOx最大落地濃度的影響要比燃料的節(jié)省對(duì)NOx最大落地濃度的影響更為顯著，說(shuō)明排煙溫度降低是主要影響因素，綜合起來(lái)NOx最大落地濃度是隨著煙氣溫度的降低逐漸增大的。
5．2．2實(shí)際兩種工況污染物擴(kuò)散情況分析
表2中木表示折算值，是將工況1排放量折算到與工況2相同供熱量條件下的數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是指101325Pa、0℃，工況1煙氣排放量對(duì)應(yīng)狀態(tài)為101360Pa、54.1℃，工況2煙氣排放量對(duì)應(yīng)狀態(tài)為101310Pa、22.3℃。NOx最大落地濃度和最大落地距離見(jiàn)表2。落地濃度隨落地距離(落地處與煙囪的距離)的變化
 
根據(jù)模型測(cè)算結(jié)果，余熱回收工況(工況2)NOx最大落地濃度略有增加，增加了2.88mp。g／m³。從圖4中可見(jiàn)，余熱回收工況NOx落地濃度達(dá)到峰值后，隨落地距離衰減速率大于燃?xì)忮仩t供熱工況(工況1)，即余熱回收工況雖然NOx最大落地濃度略有增加，但是迅速衰減，在距離煙囪300m以后，兩種工況的NOx落地濃度就基本相當(dāng)了。無(wú)論是哪一種工況，其NOx落地濃度均遠(yuǎn)低于GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二類區(qū)NO2的1h平均值(200mg/m³)。余熱回收工況最大落地距離減小了17.6％，減小了污染范圍。
6?結(jié)論
①系統(tǒng)減排總量：通過(guò)對(duì)煙氣余熱深度利用系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)得出，測(cè)試工況下，系統(tǒng)排放總量減少了14.7％。分析其貢獻(xiàn)率包含兩部分，一部分是燃料的節(jié)省降低了排放總量，這部分貢獻(xiàn)即節(jié)能貢獻(xiàn)率，約為9.5％，另一部分是采用了吸收式煙氣余熱回收裝置使得污染物濃度降低，對(duì)總排放量的貢獻(xiàn)約為5.2％。
②NOx最大落地濃度的影響因素：燃料節(jié)省和排煙溫度降低均對(duì)NOx最大落地濃度產(chǎn)生影響。隨著燃料的節(jié)省，NOx最大落地濃度減??；隨著排煙溫度的降低，NOx最大落地濃度增加。排煙溫度降低對(duì)NOx最大落地濃度的影響更為顯著，使得總的趨勢(shì)是隨著排煙溫度的降低，NOx最大落地濃度增大。
③余熱回收工況NOx最大落地濃度略有增加，但是迅速衰減。無(wú)論是哪一種工況，其排放均遠(yuǎn)低于GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二類區(qū)NO2的1h平均值(200mg/m³)；且余熱回收工況最大落地距離減小了17.6％，減小了污染范圍。
④隨著排煙溫度的降低，對(duì)煙氣擴(kuò)散的總體影響較小，在煙氣余熱回收技術(shù)的推廣應(yīng)用過(guò)程中，利用該項(xiàng)技術(shù)的燃?xì)忮仩t房均不必要重新進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)。