近年来,北方地区由于供暖造成的环境污染问题得到越来越多的关注,天然气也得到了广泛的应用。在我国,天然气资源供需不平衡,进口量逐年加大 ^[1]。就天然气的消费结构来看,以北京市为例,由于“煤改气”等相关政策以及供暖的实际需求,2015年用于供暖和发电的天然气资源占到了消费总量的80% ^①,主要的应用形式就是天然气锅炉。

　　 为了提高天然气锅炉的热效率及减少污染物的排放,现有燃气锅炉的排烟会经过余热回收系统处理之后排出。如图1所示,锅炉的热效率随着最终排烟温度的降低逐渐提高,尤其是当排烟温度降低至58 ℃以下时,余热回收段进入潜热回收,热效率提升更为显著。但是现有的余热回收系统的冷源(城市热网水)温度在55 ℃左右,若以简单的换热方式回收,烟气余热无法进入潜热回收阶段,排烟温度降低至56 ℃左右,锅炉热效率为98%;如果排烟温度降低至25 ℃,锅炉热效率可以提升至107%。因此可以看到,发展深度余热回收技术对于锅炉热效率的提高尤为关键。

　　 烟气余热回收技术主要分为三大类:基于间壁式换热器、基于吸收式热泵及基于气水循环的烟气余热回收技术。

　　 基于间壁式换热器的烟气余热回收技术主要以热网水和空气作为冷源,在间壁式换热器中和烟气进行换热降低排烟温度。Groff ^[2]、笪耀东 ^[3]、Zhao ^[4]等人对于间壁式换热器中的换热机理及设备形式创新都做了一定的研究,但是该种系统无法使烟气进入潜热回收阶段,因此热回收效果较为有限。该系统可以降低排烟温度至55 ℃,使得锅炉的热效率达到94%左右。

　　 第二种是基于吸收式热泵的烟气余热回收技术。利用热泵制取低温冷水作为冷源,解决了城市热网水温度过高的问题,同时利用直接接触式喷淋塔代替间壁式换热器,使得进入潜热回收阶段的烟气中的酸性冷凝水对设备的腐蚀问题得到改善,在工程上得到了广泛的应用。该系统的经济排烟温度可以降至30 ℃,锅炉热效率提升至105% ^[5]。

　　 第三种是基于气水循环的烟气余热回收技术。系统主要由3个喷淋塔(以下分别以塔1、塔2及塔3区分)及辅助设备组成。空气经过塔3,被喷淋水升温加湿以后作为助燃空气进入锅炉,锅炉排烟分别经过塔1和塔2喷淋降温除湿以后排出,塔2和塔3共用一股喷淋水,由水泵驱动在两塔之间循环,将烟气的热湿传递给空气。其核心机理是加湿的助燃空气进入锅炉与天然气混合燃烧,可以提高锅炉出口烟气的含湿量,进而提高烟气的露点温度,因此利用城市热网水同样可以进行烟气余热的深度回收。王静贻对这种系统形式进行了系统的探究,相比于吸收式热泵烟气余热回收系统,基于气水循环的烟气余热回收系统具有较高的热回收效率及较低的初投资和运行维护成本 ^[6]。该系统最终排烟温度可以降低至27 ℃,锅炉热效率提升至106%。但是该系统也存在一定的弊端,在塔2和塔3中利用单股水作为介质协助烟气和空气进行热质交换,会存在由于气体饱和线非线性造成的损失 ^[6];而且系统的占地面积较大,喷淋塔中的水流量调节较为复杂。

　　 为了对气水循环余热回收系统中存在的问题进行改进,本文优化了现有的余热回收系统,提出了基于固体吸湿循环的烟气余热回收系统。在优化后的系统中,由间壁式换热器进行初级余热回收,使用全热回收转轮代替系统中的塔2与塔3。同时搭建实验台,测试了不同运行参数对系统的热回收性能的影响。

　　 本文所提出的基于固体吸湿循环的烟气余热回收系统在基于气水循环的烟气余热回收系统基础上进行优化,主要由间壁式换热器、热回收转轮及辅助部件组成。系统原理见图2,天然气与助燃空气在锅炉中混合燃烧,烟气(G₁)进入间壁式换热器,由热网水(W₁)进行第一步的余热回收。在间壁式换热器中换热后的烟气(G₂)进入热回收转轮,通过转轮蜂窝状结构时,由固体吸湿材料进行第二步余热回收之后排出(G₃);室外空气(A₁)先经过热回收转轮,由热转轮中吸湿材料升温加湿以后作为助燃空气(A₂/A₃)进入锅炉燃烧。热回收转轮匀速旋转,吸湿材料不断将烟气中回收的热湿传递给空气。

　　 该系统的特点是,经过转轮加湿的空气在锅炉中助燃,可以提高锅炉出口烟气(G₁)的露点温度。当G₁的含湿量达到120 g/kg时,烟气的露点温度可以达到67 ℃,利用城市热网水(温度约为55 ℃)回收烟气余热即可进入潜热阶段。其次,对于之前提到的基于气水循环的烟气余热回收系统中存在的问题,转轮中的吸湿材料可以在轴向风道上形成一个稳定的温度梯度,该温度梯度可以有效减少由于气体饱和线非线性造成的损失;而且该系统也可以大幅减少设备的占地面积。

　　 在该系统中,锅炉烟气经过2次余热回收之后排出,最终排烟温度t_G3关乎系统的余热回收效率η:

　　 $\eta =\frac{h{}_{G{}_1}-h{}_{G{}_3}}{h{}_{G{}_1}-h{}_{A{}_1}}(1)$

　　 式中 h为比焓。

　　 为了进一步衡量转轮的热回收性能,定义了转轮空气侧的热回收全热效率ε_h和热回收湿度效率ε_ω,计算公式为

　　 $\begin{array}{l}\epsilon {}_{\text{h}}=\frac{h{}_{A{}_2}-h{}_{G{}_3}}{h{}_{G{}_1}-h{}_{A{}_1}}(2)\\ \epsilon {}_{\text{ω}}=\frac{d{}_{A{}_2}-d{}_{A{}_1}}{d{}_{G{}_2}-d{}_{A{}_1}}(3)\end{array}$

　　 式中 d为含湿量。

　　 为了探究系统及部件的热回收效果,根据系统的流程搭建了实验台,实验台照片如图3所示。实验使用了1台额定蒸汽量为2 t的燃气锅炉,天然气消耗量为48 m³/h。间壁式换热器的空气侧换热面积约200 m²;使用4台额定冷量110 kW的表冷器模拟城市热用户,为间壁式换热器提供冷源。热回收转轮为硅胶转轮,转芯直径0.49 m,厚度0.2 m,由带有变频器的电动机带动,匀速旋转。同时在空气出转轮进入锅炉之前,为了实验需要增加了1台预热器,额定功率为30 kW;为了模拟冬季的实验工况,还使用了1台制冷量为10 kW的冷水机组及配套的设备处理新风。实验中使用的测试仪器如表1所示。

　　 在实验中,通过改变部件的参数,测试了系统、转轮及间壁式换热器的性能。系统的平衡性验证见图4。在实验中,利用不同的热网水温度对烟气余热进行第一级回收,改变参数为热网水的温度;利用热回收转轮对烟气进行第二级回收,改变的参数主要是转轮的转速。一共进行了39组实验,实验工况范围如表2所示。

　　 图5给出了本实验的某一典型工况,热回收转轮的转速为18 r/min,锅炉天然气消耗量为48 m³/h。室外空气A₁(11.3 ℃,7.7 g/kg)经过热回收转轮后被加热加湿至A₂(44 ℃,61 g/kg),然后进入锅炉作为助燃空气。锅炉排烟G₁(82 ℃,141 g/kg)经过间壁式换热器被降温除湿至G₂(46 ℃,70.6 g/kg),然后经过热回收转轮进一步降温除湿,最终排烟温度t_G3降低至24 ℃。整个系统的余热回收效率η为81%,其中转轮的热回收全热效率ε_h和湿度效率ε_ω分别为87%和86%。

　　 锅炉产生的烟气经过间壁式换热器以及转轮2次降温除湿后排出,间壁式换热器的冷源是热网回水(W₁),而转轮则通过转速调控烟气与空气的热湿交换。实验结果如图6所示,该图给出了系统排烟温度t_G3和系统余热回收效率η的变化情况。随着热网回水温度的变化,系统排烟温度在19～44 ℃之间波动;当转速为9～18 r/min时,最终排烟温度可降低至20～25 ℃。全工况下系统的余热回收效率在70%～94%之间;系统的余热回收效率在转速v≤8 r/min时明显低于v>8 r/min的情况,当转速在9～18 r/min之间变化时,系统余热回收效率能达到87%～94%。

　　 为了具体分析2种热回收部件对系统热效率的影响,进一步分析间壁式换热器及转轮的热回收特性。不同工况点间壁式换热器出口烟气参数的变化如图7所示,图7a中t_D为露点温度。由图7可以看出,锅炉半负荷/满负荷燃烧产生的80 ℃/105 ℃左右的烟气(G₁)在间壁式换热器中由不同温度的热网回水进行降温,出口烟气(G₂)温度降至42～53 ℃,与热网水的温差(t_G2-t_W1)均保持在2 ℃以内。烟气的露点温度t_D高于烟气出口温度,证明热回收进入潜热阶段。同时出口的相对湿度φ_G2保持为100%。根据上述实验结果,可以得到如下结论:作为第一级烟气热回收设备,当间壁式换热器的换热面积满足换热要求,出间壁式换热器的烟气(G₂)温度主要由热网回水温度决定,相对湿度接近100%。

　　 热回收转轮是系统中另一个重要部件,转速是可调节的参数。图8显示了不同转速下空气和烟气出口的温湿度变化,以及转轮全热回收效率与湿度回收效率的变化情况。由图8可以看出:当转速增大时,转轮全热回收效率与湿度回收效率先剧烈波动,然后趋于平缓(转速大于8 r/min时);当转轮转速在8～18 r/min范围时,转轮全热回收效率与湿度回收效率均可以达到80%左右。

　　 1) 天然气锅炉的排烟温度为80～110 ℃时,经过该余热回收系统处理之后,最终排烟温度稳定在20～25 ℃,相比于现有的烟气余热回收技术,最终排烟温度降低了7 ℃左右。该系统对于烟气的余热回收有显著效果,系统的余热回收效率可以达到87%～94%。

　　 2) 当间壁式换热器的换热面积足够大时,采用加湿助燃空气提高烟气的露点温度,可以利用城市热网回水作为冷源深度回收烟气余热。因此寻找便捷有效的助燃空气加湿方法,提高加湿空气在锅炉内与天然气混合燃烧的稳定性,是可以继续探究的方向。

　　 3) 实验中烟气经过间壁式换热器及热回收转轮2次降温除湿之后排出,其中间壁式换热器的出口烟气温度在换热面积足够大的情况下主要受到热网回水温度的影响,与热网水温差在2 ℃以内;影响转轮热回收效果的主要因素是转轮转速。当转轮转速在8～18 r/min范围内时,转轮全热回收效率与湿度回收效率在较优工况下可以达到80%左右。