引言

天然气作为锅炉燃料相较于传统的煤炭，二氧化硫、颗粒物等污染物排放很少，对环境压力很小。近些年，随着天然气工业的发展和北方地区防治雾霾的需要，天然气锅炉的应用逐渐增多。但是，天然气锅炉在使用中会有大量的水蒸汽随着高温的烟气排走，造成了大量的能源浪费[1]。随着国家节能减排要求的不断提高，天然气锅炉烟气余热回收利用技术得到了很大的发展，并且逐渐应用到了取暖和蒸汽锅炉中。本文拟对天然气锅炉烟气进行分析，并对几种常用烟气余热利用技术进行对比和研究并分析其应用。

1 天然气锅炉烟气分析

天然气的主要成分是烃类物质，其中氢元素的含量很高，燃烧后水蒸气所占比例很大而水蒸气液化会释放出大量的热量所以其烟气中具有很高的潜热。水蒸气所含有的潜热约占天然气燃烧所产生总热量的10%，但是在天然气锅炉排放的烟气温度一般为150℃以上，远高于水的气化温度，潜热难以被利用。但是，如果水蒸气的分压力不变的情况下，当温度下降到一定程度水蒸气就会凝结成水滴释放热量，这个温度就是露点温度[2]。相关研究以低位发热量为基准计算天然气锅炉的热效率，充分利用烟气潜热可以将其热效率提高约16%至110%左右。

1.1 露点温度分析

若想充分利用烟气中的潜热必须将其温度降低到露点温度以下，而露点温度与水蒸气的体积分数、气压等条件有关系。本文以纯天然气为例研究天然气锅炉排气露点的，纯天然气的主要成分是甲烷，也有少量其他可燃烧的丁烷、戊烷以及不可燃烧的氮气等，根据天然气的燃烧特性计算过量空气系数为1.1时1m3天然气燃烧水蒸气所占体积分数以及排气总量。根据计算其产生的水蒸气总量为2.02m3，体积分数为17.4%，查表可知其露点温度为57℃。采用同样的方法计算并查阅纯天然气燃烧时过量空气系数为1.2、1.3时的露点温度将其整理成图1。

  

图1 过量空气系数与露点温度关系

研究图1可知，随着过量空气系数的上升，露点温度逐渐下降，究其原因是因为随着过量空气系数的上升，烟气中水蒸气所占体积分数逐渐下降，则露点温度也会逐渐降低。在实际生产中影响露点温度的因素很多例如：燃烧的天然气中含有一定的杂质燃烧的天然气成分也有一定的差异，但是这些因素对于露点温度影响不大，一般均在计算值周围一个较小的范围内变化，所以在实际应用中需要根据实际情况修正露点值。

1.2 热效率分析

天然气锅炉烟气的余热有潜热和显热两种，其回收利用率对锅炉的热效率影响巨大。显热的回收利用率主要与最终排气温度有关，潜热的回收利用率与水蒸气凝结成水的比例有关系，排气温度越低水蒸气凝结的越多其显热和潜热回收均越多。

河北省某科研单位实行煤改气安装了700 kW天然气锅炉一台，为该单位供暖面积1.1万m2。该天然气锅炉于2015年供暖季前安装了热管式烟气余热回收系统，提取2013～2016供暖季的数据整理如表1所示。分析表1可知，安装烟气余热回收系统之后室内外平均温差两年平均增加1.68℃，消耗的天然气则下降了23%。

依次将3.2和3.3节的结果与Lambert-Beer定律计算的结果进行比较.选择与3.2节中相同的条件，基于Lambert-Beer定律，计算三种辐射波在平流雾和辐射雾中的透过率TLB，并与Monte Carlo仿真的透过率TMC进行比较，结果如图7所示，纵坐标Difference value=TMC-TLB.

  

图2 余热回收对热效率的影响

冷凝式烟气余热回收技术就是在天然气锅炉排气系统末端加装冷凝式热交换器，对烟气进行冷却使其温度降低到露点以下，从而回收烟气中的潜热和显热。在水蒸气凝结的过程中会溶解一部分排放烟气中的氮氧化合物等有害气体，减少污染物的排放有利于环境保护。其基本原理是，冷凝式热交换器回收烟气中的潜热和显热，然后将热量传递给热网的回水对回水进行加热，加热后的回水进入到天然气锅炉中进一步加热至设计温度后对用户进行供暖。

2 烟气余热回收技术分析

2.1 冷凝式烟气余热回收技术

分析图2可知，烟气排放温度的变化对热效率的影响中基本可以分为两个阶段，排放温度在60℃以上时热效率增长较为缓慢，当烟气排放温度在60℃以下时热效率则迅速增长。当烟气排放温度为20℃时热效率可以提高12.4%至约107.4%，排放温度为40℃时热效率约为102.2%，降低烟气排放温度对提高热效率影响巨大。当究其原因，当烟气排放温度在60℃以上时没有达到烟气的露点，只是对显热进行了回收而没有回收潜热，当温度达到57℃以下时潜热开始被回收，回收的热量大大增加。

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2.2 热管式烟气余热回收技术

热管式烟气余热回收技术的优点是：传热性强、可以远距离高效率传输、排气阻力小、功率稳定、体积较小易于安装。但同时，热管式烟气余热回收技术也有一定的缺点：首先，工质可能会在长期工作中腐蚀冷凝管；其次，排气中凝结的水蒸气会吸收排气中的氮氧化合物等而具有一定的酸性，也会对热管有一定的腐蚀作用[4]。

冷凝式烟气余热回收技术出现较早，技术已经较为成熟应用广泛，西方的荷兰、德国、奥地利、英国等均广泛应用在供暖、工业等领域而且普遍将热效率提高了10%以上[3]。冷凝式烟气余热回收技术在应用中也存在一些问题：第一，一些工业和取暖系统中热网的回水温度较高难以将烟气温度降低到露点以下，能量回收能力有限；第二，在大型锅炉的应用中尺寸很大，不易于安装且投资大，所以一般只用于小型锅炉。

热管式冷凝器是使用一组导热性非常好的热管并在管中加入工质。热管式冷凝器的输入端用天然气锅炉的烟气进行加热，工质吸收热量并发生相变成为气态，气态工质运动到输入端被热网回水所冷却，热管内的气态工质凝结成液态并释放热量加热回水。

3 工程案例

水蒸气的凝结过程是一个复杂的过程，水蒸气需要穿过不可凝结气体才能到达凝结表面，而且凝结过程中发热会影响烟气温度。烟气中的水蒸气除了有天然气燃烧所产生的水蒸气之外还有天然气和进入的空气中本身所含的水蒸气，无论水蒸气的来源如何，其在冷凝过程中都能够释放潜热。在不考虑显热回收和温度对烟气出口端影响的情况下计算冷凝率（水蒸气凝结质量/水蒸气总质量）对热效率的影响，其公式为：水蒸气凝结发热量/天然气低位发热量。计算结果表明，当冷凝率为20%时热效率可以提高2.3%，冷凝率为40%时热效率可以提高3.4%，冷凝率为60%时热效率可以提高6.83，冷凝率为100%时热效率可以提高11.4%。由此可见，仅天然气锅炉烟气中的潜热就对热效率影响巨大，除此以外，如果降低烟气温度还能回收可观的显热，因此，降低烟气温度对提高燃气锅炉热效率有重要意义。在考虑显热回收的情况下，计算显热和潜热回收在不同排气温度下对热效率的影响，将其整理如图2所示。

 

表1 锅炉改造前后数据

  

年份耗气量/季室内外平均温差（℃）2013 96889 15.98 2014 97103 16.21 2015 74532 17.43 2016 74887 18.12

4 结语

（1）提高过量空气系数会降低烟气中的露点，从而提高回收烟气余热中潜热的难度，所以应该在保证燃烧充分的前提下尽量降低过量空气系数。

总目标：使学生牢固地掌握代数、平面几何、立体几何、三角和平面解析几何的基础知识，培养学生正确而迅速的计算能力、逻辑推理能力和空间想象能力，以适应参加生产劳动和进一步学习的需要.

（2）将天然气锅炉烟气的问题降低到露点以下回收的能量迅速增加，所以在设计烟气余热回收系统时要保证排放的烟气温度在露点以下。

（3）各种天燃气锅炉烟气余热回收技术各有优缺点，在工程应用中应该结合工程实际情况选用最佳的烟气余热回收系统。

参考文献

[1]王志勇，刘畅荣，王汉青，等.燃气锅炉烟气热损失即冷凝余热回收[J].煤气与热力，2016（6）：4-7.

[2]蔡景辉.天然气锅炉烟气余热深度回收技术[J].山东工业技术，2017，21：46，80.

[3]李翠洁.天然气锅炉烟气余热回收系统优化配置研究[D].北京：北京建筑大学，2015.

[4]田靖，肖益民.浅谈锅炉烟气余热回收技术及工程应用[J].制冷与空调，2013，27（6）：552-555.