汽水热交换器用于低温烟气热回收的节能性研究

潘雷彬，周振峰，陈燕珍，邴绍洋

（1.上海虹桥国际机场公司，上海200335；2.上海德昂实业发展有限公司，上海200235；3.东华大学环境科学与工程学院，上海201620）

汽水热交换器用于低温烟气热回收的节能性研究

潘雷彬1，周振峰1，陈燕珍2，邴绍洋3

（1.上海虹桥国际机场公司，上海200335；2.上海德昂实业发展有限公司，上海200235；3.东华大学环境科学与工程学院，上海201620）

锅炉烟气直接排放，会损失大量的热量，充分利用烟气的余热会达到节能减排的效果，产生的热水可以用作锅炉补水或生活用水。利用汽水热交换器对低温烟气进行热回收的节能效果和投入成本进行了分析比较，研究在不同质量和热容乘积比例时的烟气出口温度以及回收的热量，同时研究换热只存在显热和有潜热过程时热量回收的多少。另外对显热过程中不同质量和热容乘积比时换热器的面积和管长进行研究。

天然气烟气；余热回收；节能效益分析

0　引言

目前随着我国经济快速发展，能源消耗日益增加，城市大气质量日益恶化的问题越发突出。锅炉是工业发展、生存取暖、生活用电等不可或缺的方式，然而不论是工业锅炉、燃气锅炉还是电站锅炉，其烟气排放都带走大量热量。锅炉排烟问题一方面在于烟气污染物的直接污染，另一方面就是过高的排烟温度。高的排烟温度既浪费了大量能源，又造成严重的环境热污染。研究表明［1，2］，烟气温度每降低15～20℃可以提高锅炉热效率1%。

在余热回收过程中若直接降低排烟温度则会使锅炉尾部受热面中烟气与工质的传热温差减小，传热面积增大，金属消耗以及设备的初投资增多，并且排烟温度过低还会引起烟气中酸性气体的凝结，使低温受热面腐蚀堵灰［3，4］。为避免上述问题，本文采取在省煤器后进行烟气余热的回收、降低排烟温度，以便提高热能利用效率、减轻高温烟气造成的热污染。

实现烟气余热回收的常用设备通常有气气热交换器、汽水热交换器以及冷凝式换热器等类型，其中汽水热交换器设备尺寸较小，鉴于需要热回收改造的锅炉房空间有限，本文拟对汽水热交换器的节能效果和投入成本等方面进行分析比较，为确定低温烟气最佳的热回收方案提供理论依据。

1　烟气与水的流量比对热回收效果的影响

研究项目中，锅炉为天然气锅炉，烟气排放量为Gs=13445m3/h，烟气出口温度及进入换热器的温度为115℃。天然气燃烧后产生的烟气中含大量的水蒸汽，且硫化物较少，露点温度相对较低。在烟气发生冷凝时会释放大量的潜热，因此，以下研究过程分为纯显热回收和全热回收（即潜热跟显热之和）。仅回收显热时，回收热量较少但换热器面积较小；全热过程时，热量回收较多但相应换热器面积较大。

1.1仅有显热交换时的热回收特征换热器温度效率的定义［5］如下：

式中Gs—烟气的流量，m3/h；

Gw—水的流量，m3/h；

ε—气气换热效率，取75%；

ρs—烟气的密度，取1.248kg/m3；

ρw—水的密度，取1000kg/m3；

Cs—烟气的定压比热，1.12kJ/（kg·℃）；

Cw—水的定压比热，4.2kJ/（kg·℃）；

Tis—烟气的出口温度，℃；

Tos—烟气的出口温度，℃；

Tiw—水的进口温度，取13℃；

Tow—水的出口温度，℃。

式（1）中（mc）min是计算过程中两种流体比热容流体量大小的临界点。该临界点以烟气和水的质量与比热容的乘积之比是否相等为界限，根据公式（1）可以得到不同的烟气和水的质量与比热容乘积的比值时，经过汽水热交换器后其烟气、水的出口温度，如图1所示。

由图1可以看出随着比值的增大，烟气出口温度在临界值以前不变，在比值超过临界值时其温度逐渐升高，水的温度在烟气比值小于临界值时温度逐渐升高，在大于临界值时其温度不再变化，这表明，在换热过程中存在最大温度差。实际应用中在考虑烟气和水的质量与热容乘积之比时，应尽可能考虑实现最大温差，同时应根据所需水量范围大小，选择一个合适的冷水出口温度。

1.2全热交换时汽水流量比对换热过程的影响

有潜热换热的过程中，烟气在换热器内的温度变化与显热回收不同，当烟气温度高于烟气露点温度时，只发生显热换热过程，当烟气温度低于其露点温度时，烟气在换热器内既发生显热换热又发生潜热换热，但在计算时，可以认为只发生潜热换热。图2给出了烟气与水在换热器内部的温度变化示意图。

图2　有潜热换热时烟气与水的温度变化示意图

换热器温度效率的定义［6］如下：式中T1—烟气出现冷凝的界面位置对应的冷水温度，℃；

Td—烟气露点温度，℃。

由公式（2）可以得到烟气出现冷凝的界面位置对应的冷水温度T1以及冷水的出口温度Tow的计算值分别为：

当（mc）sa＜（mc）cw时：

当（mc）sa＞（mc）cw时：

以上公式中的Y为烟气的比热容流量与水的比热容流量之比，即

根据式（3）～式（6）可以得到在不同的烟气与水的质量与热容乘积之比时烟气跟冷水的出口温度，如图3所示。

图3　有潜热换热时在不同的烟气与水的质量与热容乘积之比时烟气跟冷水的出口温度

由图3可以看到，烟气出现冷凝的界面位置对应水的温度和烟气温度均随着烟气与水的质量与热容乘积之比的变化不大，但是冷水出口温度在本文所研究的烟气比范围内变化较大，这表明，合适的烟气与水的质量与热容乘积之比，存在最佳效益值。

2　热回收效果比较与热回收方式的确定

2.1烟气比对热回收效果的影响

对于显热换热，烟气侧减少的热量都会传给水侧，在这里不考虑换热器的散热，则冷水侧通过热交换器从烟气中回收的余热热量可以表示为：

在有潜热换热的过程中，烟气侧由于存在水蒸汽的冷凝换热，其换热量不宜在烟气侧求得，但由能量守恒原则，烟气侧的显热量以及水蒸气释放的潜热换热量都会传给冷水侧，使外界冷水的温度升高，所以在计算过程中总热量等于外界冷水侧冷水的得热量，总热量公式如下：

根据式（7）、式（8）以及图3中在不同的烟气与水的质量与热容乘积之比时各相应的出口温度，可以分别得到仅显热回收和全热回收时，从低温烟气中回收的余热热量，计算值如图4所示。

a）显热回收b）全热回收

由图可以看出，纯显热换热中烟气与水的质量与热容乘积之比的大小对热回收量的影响较小，在比值小于1时，回收的热量不变，有潜热换热的过程中，烟气与水的质量与热容乘积之比对换热量有较大影响，同时由图4b）图及图3可以知道，在不同的烟气与水的质量与热容乘积之比时，水的出口温度变化较大，在比值较小时，水的出口温度较低，应根据实际中所用水的温度范围，选择合适的比例，在满足实际条件下尽可能得到大的热回收量，同时热回收量曲线变化越来越平缓，所以不宜选择较大的烟气与水的质量与热容乘积比。

2.2烟气比对热换热面积的影响

由图4可知在烟气与水的质量与热容乘积相差不大时，全热换热与显热换热过程中回收的热量相差不大，但冷凝换热器的结构相对复杂，并且成本相对显热换热器成本较高，因此没有必要对烟气进行潜热回收，为此，本文仅对显热回收的热交换器进行计算分析。

在换热器换热面积的计算过程中，主要的相关参数为换热量，对数平均温差，总的传热系数，在总传热系数的计算过程中，只考虑管内外的对流换热系数，不考虑污垢热阻、管壁热阻等的影响。换热器换热面积表水为如下：

式中A—换热器的换热面积，m2；

Qs—换热器的显热换热量，kJ；

Δtm—换热器的对流平均温度差，℃；

KT—换热器总的传热系数，W/（m2·K）。忽略管壁的热阻以及污垢热阻等，则总传热系数表达式为：

式中h1—烟气与换热管之间的对流换热系数，W/（m2·K）；h2—管内水与换热管内壁的对流换热系数，W/（m2·K）。

根据传热原理［7］，计算得到h1=118W/（m2·K）和h2= 156W/（m2·K）。

换热器采用逆流方式进行换热，其对数平均温差计算公式如下：

式中Δtm—对数平均温差，℃；

Δt1—热流体进口温度与冷流体出口温度的差值，℃；

Δt2—热流体出口温度与冷流体进口温度的差值，℃。

在计算出总传热系数跟对数平均温差时，可计算求得换热器总的传热面积。在不同的烟气与水的质量与热容乘积之比时所需的换热器换热面积和换热管长度如图5所示。

由图5分析可知，换热器换热面积存在一个最大值，设计时应避开这个值，同时由于换热器的换热量在临界值以后逐渐降低，所以应尽量选择临界值以前进行换热器的设计计算，以较小的换热面积得到较多的热量。

图5　不同烟气与水的质量与热容乘积之比时显热热交换器的面积及管长

3　余热回收系统的效益评估

3.1节约燃气量的计算

计算过程中烟气回收的总热量为显热跟潜热量之和，这部分热量是从烟气中回收过来的，而节约的燃气费则相当于产生这些热量所消耗燃气量的费用。为了得到单位时间内这些烟气所回收的热量，需要耗费天然气的量可以通过下式计算：

式中V—节约的燃气量，m3/h；

QT—显热或全热过程中总的节约热量，kJ；

Q0—天然气的低位发热值，Q0=36120kJ/m3。

3.2纯显热和全热过程中燃气节约的费用

由计算分析可知，只有显热过程以及有潜热的全热过程中燃气节约的费用如图6所示。

由图6可知，低温烟气存在冷凝换热时节约的费用大于纯显热过程中节约的费用，全热过程中随烟气与水的质量与热容乘积之比的增大节约的费用逐渐降低，但节约的费用越高，冷水的出口温度越低，出水温度太低，不利于实际工程的利用，应根据实际利用水温，选择合适的比例，纯显热过程中，节约费用在烟气与水的质量与热容乘积相等之前是不变的，当大于这个比例时，节约的费用逐渐降低。应根据所需的实际水温选择合适的烟气与水的质量与热容乘积比。

图6　显热与全热过程费用的节约值

4　结语

随着经济社会的发展，人们对环境质量的要求越来越高，燃气以其环保高效等优势备受欢迎，因此，燃气已经成为越来越重要的能源。本文针对利用汽水热交换器对低温烟气进行热回收的节能效果和投入成本进行了分析比较，得到以下主要结论：

（1）有潜热换热的余热回收热量较多，但其需要的换热器面积较大，同时对换热器的要求更高，本文所研究的烟气更适合显热回收。

（2）换热器换热面积与汽水流量比值之间存在极大值，在选用时应尽量避开此最大值。

（3）通过对烟气余热回收的效益分析，在本文所用到的烟气量条件下，每年可以节约费用20万元以上，投资回收期在3a以内，经济效益明显。

［1］王志民.天然气锅炉烟气余热回收与效率［J］.区域供热，2003，22（4）：18，19.

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［5］钱颂文.换热器设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2002：6～10，58～192.

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［7］章熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学［M］.5版.北京：中国建筑工业出社，2007.

Air-water Heat Exchanger for Energy Saving of Low Temperature Flue Gas Heat Recovery Process

PAN Lei-bin1，ZHOU Zhen-feng1，CHEN Yan-zhen2，BING Shao-yang3

（1.Shanghai Hongqiao International Airport Company，Shanghai 200335，China；2.Dynawin International Group，Shanghai 200235，China；3.College of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The direct emissions of flue gas in boiler will result in the loss of much heat which could be used to heat water.And the hot water can be used as additional water to boiler and domestic water.In this study，the energy-saving effect and input cost of recycling heat of lower temperature flue gas by gas-liquid heat exchanger were analyzed.Besides，the haze outlet temperature and the recycled heat at different quality and heat capacity of product ratio were studied.The mount of recycled heat was also studied when heat exchange is only with sensible heat or latent heat.In addition，we studied the area and pipe range of heat exchanger with different mass and the ratio of heat capacity during the heat exchange with sensible heat.

natural gas；waste heat recovery；energy saving benefit analysis

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.016

TK229.8

B

2095-3429（2015）04-0056-05

2015-06-04

修回日期：2015-07-08

潘雷彬（1985-），男，上海人，工学学士，助理工程师，研究方向：暖通；

周振峰（1984-），男，上海人，工学学士，工程师，研究方向：暖通；

陈燕珍（1991-）女，安徽人，工学学士，助理工程师，研究方向：暖通；

邴绍洋（1990-）男，山东人，工学硕士，研究方向：暖通。