随着对供热行业清洁能源改造任务的推进,更多采用燃气锅炉替代燃煤锅炉作为供热热源。截至2017年底,北京市冬季供暖面积达8.4亿m²,其中天燃气锅炉供热比例超过97%。为防止低温烟气腐蚀锅炉末端排烟设备,通常燃气热水锅炉的末端排烟温度设计为100～150 ℃左右 ^[1,2],燃气热水锅炉的设计供热效率约为84%～93% ^[3,4]。

　　 为有效降低燃气热水锅炉的排烟热损失,提高燃气热水锅炉的供热效率,国内外研究者开展了诸多燃气锅炉冷凝余热回收利用方式的研究。Lee等人提出了一种新型烟气余热回收与冷凝水回收一体化系统,该系统将常规燃气锅炉供热效率提高了7.04% ^[5]。刘效洲的研究表明,烟气与水直接接触换热效果主要受液气比、喷淋密度、烟气空塔速度等因素的影响,且当喷淋水密度为8～10 t/(m²·h)、液气比在0.4 kg/m³以下、烟气空塔速度在2 m/s以下时,额定蒸发量为2 t/h的燃气蒸汽锅炉通过自身背压就能克服配套余热回收节能器的阻力,无需安装引风机 ^[6]。陈闵叶等人的研究结果表明,随着系统液气比的增大,直接接触式节能器的余热回收效果与节能器热效率均有所提升,当液气比为4.4～4.8时,节能器效率可提升至85%以上 ^[7]。刘华等人的研究表明,液气比、喷淋高度及喷水雾化粒径是影响烟气-水换热效果的主要因素,同时排烟温度、喷淋水温度和过量空气系数等因素也可影响余热回收系统中烟气-水的换热效果 ^[8]。

　　 本文提出的直接接触式烟气冷凝余热回收装置以燃气壁挂炉作为烟气发生源,烟气与喷淋水溶液通过逆流直接接触的方式换热。本文通过实验研究了该装置的余热回收性能,分析了喷淋水温、液气比及喷淋高度对该装置余热回收性能的影响。

　　 直接接触式烟气冷凝余热回收系统的主要设备有燃气壁挂炉、直接接触式气-水换热器、风机盘管、恒温水浴和水箱等。该系统分为燃气热源、喷淋换热、排烟除雾和凝结水收集四部分。直接接触式烟气冷凝余热回收系统的工作原理如图1所示。

　　 燃气壁挂炉产生的高温热水通过风机盘管向室内供热,降温后的热水再次回到壁挂炉内被加热并用于循环供热。燃气壁挂炉排放的高温烟气自下而上流过直接接触式气-水换热器,并与自上而下的低温喷淋水进行逆流直接接触式换热。直接接触换热降温后的烟气中会携带部分水蒸气,此时烟气通过除雾段除去部分水蒸气后排出。经直接接触换热升温后的喷淋水储存在换热器底部,因凝结水呈弱酸性,在凝结水排出管道上加装碱液水箱,用于中和处理凝结水,减少对实验台部件的腐蚀。

　　 直接接触式烟气冷凝余热回收装置设计包括直接接触式余热回收装置及其测试方案的选择与设计。直接接触式烟气余热回收装置的设计包括结构外形的设计与材质选择,其设计参数与烟气流量和设计流速有关。

　　 利用燃气壁挂炉作为烟气发生源并用于直接接触式烟气冷凝余热回收装置实验,燃气壁挂炉的主要技术参数如表1所示。

　　 由燃气壁挂炉的设备参数可以确定额定工况下燃烧所用天然气的量和烟气产生量。以北京市天然气为例,其体积百分数见表2。

　　 其中,天然气的高热值为38.5 MJ/m³,低热值为35 MJ/m³。

　　 烟气流量是直接接触式烟气冷凝余热回收装置的重要设计参数。根据天然气的燃烧特性和燃气壁挂炉设备参数可以计算出燃烧1 m³标准天然气所产生的烟气量及烟气中各组分所占的比例。当平均过量空气系数为1.2时,求得的烟气中各成分的体积含量见表3。

　　 选用0.635 cm(1/4 in)的内螺旋喷嘴,其雾化原理是:液体喷嘴高速旋转产生离心力,使得喷淋水溶液形成具有一定角度的液膜,由于惯性力作用,位于液膜末端的液体克服液体本身的黏性力,脱离液膜并形成微小液滴 ^[8]。研究表明,在一定温度范围内,液滴的雾化程度与液体的压力和流量相关。根据该装置设计参数,实验装置烟气发生源产生的烟气量为0.004 0 m³/s,采用一个喷嘴即可满足实验要求。

　　 该实验过程中烟气-水换热效率即为直接接触式换热器的换热效率。通过式(1),(2)可分别计算出直接接触式换热器的高度和换热器的效率。

　　 $\begin{array}{l}{\rm H}=\frac{2r{}^{2}v{}_{\text{w}}\rho {}_{\text{w}}c{}_{p,\text{w}}c{}_{p,\text{f}}{\rm N}{\rm T}U}{3{\rm N}u{}_{\text{D}}\lambda }(1)\\ E=\frac{t{}_{\text{f},\text{i}}-t{}_{\text{f},\text{o}}}{t{}_{\text{f},\text{i}}-t{}_{\text{w},\text{o}}}=f(\begin{array}{l}\\ \end{array}\frac{W}{G},{\rm N}{\rm T}U\begin{array}{l}\\ \end{array})(2)\end{array}$

　　 式(1),(2)中 H为换热器高度,m;r为液滴雾化粒径,m;v_w为液滴流速,m/s;ρ_w为喷淋水溶液密度,kg/m³;c_p,w和c_p,f分别为喷淋水溶液和烟气的比定压热容,kJ/(kg·℃);NTU为传热单元数;Nu_D为努塞尔数;λ为烟气的导热系数,W/(m·℃);E为换热效率;t_f,i为进口烟气湿球温度,℃;t_f,o为出口烟气湿球温度,℃;t_w,o为喷淋水出口温度,℃;W为喷淋水流量,kg/s;G为烟气流量,kg/s。

　　 因烟气流速对换热器的换热效率影响不大,假定一个烟气流速,由式(3)可以计算出直接接触式换热器的截面尺寸。

　　 $A=\frac{G}{v{}_{\text{f}}\rho {}_{\text{f}}}(3)$

　　 式中 v_f为烟气流速,m/s;ρ_f为烟气密度,kg/m³。

　　 由以上公式计算出的直接接触式换热器结构尺寸如图2所示。该换热器为0.16 m×0.16 m×1.40 m(长×宽×高)的长方体,从下至上分为凝结水收集、喷淋换热和排烟除雾三部分。其中喷淋换热部分总高度为0.94 m,排烟除雾部分高0.1 m。在凝结水收集部分侧面距底部距离为0.2 m处设溢流口,直径为0.02 m,底部设排水口,直径为0.02 m。烟气进口位置位于喷淋管道对面中心,距底部0.2 m,排烟管直径为0.06 m。

　　 通过对比分析余热回收量,对该装置性能进行评价,计算公式如下。

　　 天然气燃烧产生的烟气包含干烟气与水蒸气,可近似按湿空气计算:

　　 $h{}_{\text{f}}=1.01t{}_{\text{f}}+d{}_{\text{f}}(2500+1.84t{}_{\text{f}})(4)$

　　 式中 h_f为烟气比焓,kJ/kg;t_f为烟气温度,℃;d_f为烟气含湿量,kg/kg。

　　 直接接触式烟气冷凝余热回收装置换热器回收的烟气余热量为

　　 $Q{}_{\text{f}}=G(h{}_{\text{f},\text{i}}-h{}_{\text{f},\text{o}})(5)$

　　 式中 Q_f为回收的烟气余热量,kW;h_f,i为进口烟气比焓,kJ/kg;h_f,o为出口烟气比焓,kJ/kg。

　　 直接接触式烟气冷凝余热回收装置喷淋水吸收的烟气余热量为

　　 $Q{}_{\text{w}}=Q{}_{\text{f}}=Wc{}_{p,\text{w}}(t{}_{\text{w},\text{o}}-t{}_{\text{w},\text{i}})(6)$

　　 式中 Q_w为喷淋水吸收的烟气余热量,kW;t_w,i为喷淋水进口温度,℃。

　　 直接接触式烟气冷凝余热回收装置测点分布如图3所示,实验台如图4所示,主要设备及测试仪器的型号及精度见表4。

　　 燃气壁挂炉的实际运行参数如表5所示。通过改变喷淋水溶液温度、液气比和喷淋高度等参数,研究不同工况下的余热回收量,确定余热回收量与各变化因素之间的关系。

　　 烟气发生源产生的烟气的流速是定值,通过改变系统水流量调整该装置的液气比。当喷淋高度为1.26 m时,在不同水温工况下,液气比对装置余热回收量的影响如图5所示。

　　 由图5可以看出:在喷淋高度与喷淋水温度一定时,烟气冷凝余热回收量随液气比的增大而增大;当液气比较小时,喷淋水量较小,烟气中的热量无法被完全吸收;随着液气比增大,喷淋水量增大,余热回收量增大;但液气比超过10以后,余热回收量增加梯度明显减小,说明喷淋水温度已经接近直接接触式换热器排烟出口温度;当液气比一定时,降低喷淋水温度有利于增强高温烟气冷凝余热回收效果。

　　 当设定喷淋高度为1.26 m时,在不同的液气比下,余热回收量随喷淋水温度的变化如图6所示。

　　 在喷淋高度和液气比一定时,喷淋水温度降低有利于增强系统余热回收效果。当喷淋水温度高于烟气露点温度时,该系统仅回收烟气中的显热;当喷淋水温度低于烟气露点温度时,该系统可同时回收烟气中的显热与潜热。并且喷淋水温度越低,该余热回收系统潜热回收效果越显著,在实际工程中可通过降低喷淋水温度来实现提高系统余热回收效果的目的。

　　 设定喷淋水温度为20 ℃,在不同液气比下,喷淋高度对余热回收量的影响如图7所示。

　　 在液气比与喷淋水温度一定时,增加喷淋高度有利于增强装置余热回收效果。随着喷淋高度的增加,喷淋水与烟气接触时间加长,增大了换热量,但随着烟气温度降低,烟气与喷淋水的换热效果减弱,当喷淋高度达到一定数值后,余热回收量随喷淋高度增加而增大的幅度减小。但增加喷淋高度会导致泵耗增加,所以要考虑对装置经济性的影响。

　　 分别从液气比、喷淋水温度、喷淋高度三方面研究了实验装置的烟气余热回收量的影响因素,但因该装置还未与供热系统相连,具体数值还待完善。基于该装置的经济性及节能性的分析提出以下相关建议。

　　 在喷淋高度与喷淋水温度一定的情况下,液气比越大,喷淋水流量越大,回收的烟气余热量越大,但相应的水泵能耗也越大。水泵的轴功率与水泵流量的三次幂成正比。

　　 以下通过一组实验数据来说明水泵能耗的增加与烟气余热回收所节省的费用之间的关系,在喷淋水温度为20 ℃,喷淋高度为1.26 m时,余热回收所节省的费用及水泵能耗随液气比的变化如表6所示。

　　 由表6可知,当喷淋水流量增大时,余热回收所节省的费用与水泵能耗之间的差值越来越大,说明在实际工程应用时应充分考虑该系统所节省的天然气费用与水泵能耗增加产生的电费之间的关系。

　　 1) 从余热回收量随液气比的变化趋势可知,随着喷淋水量的增加,提高换热效率的幅度会逐渐减小,通过增加喷淋水流量对余热回收效率的提高意义不大,同时增加了水泵能耗。通过提高液气比能达到增强装置节能性的效果,但不利于该实验装置的经济性,在实际工程应用时应根据具体需求进一步考虑其节能性与经济性,合理选择液气比参数。

　　 2) 从余热回收量随喷淋水温度的变化趋势可知,喷淋水温度对换热效率的影响较为明显。喷淋水温度越低,余热回收量越多。但实际应用时,喷淋水为一次网供热回水,而一次网供热回水温度一般在50 ℃左右。因此,在后续实验中可以考虑将喷淋水作为热泵的低温热源,提取热量后用于预热热网回水。

　　 3) 从余热回收量随喷淋高度的变化趋势可知,当液气比一定时,增加喷淋高度,余热回收量呈增加趋势。当喷淋高度受限时,可以通过降低喷淋水温度来提高换热效率。

　　 4) 燃气壁挂炉在供热负荷为12 kW、供热效率为88%的运行工况下,该直接接触式烟气冷凝余热回收装置在液气比为13、喷淋水温度为20 ℃且喷淋高度为1.26 m时,能将排烟温度从102 ℃降至33 ℃,该装置的余热回收效率达到14%,可以有效提高该余热回收装置的余热回收效果,节能效果显著。