低碳技术：烟气低温冷凝换热技术

　　摘要：天然气烟气和湿法脱硫后的燃煤烟气含有大量汽化潜热，但冷凝换热时也存在凝水腐蚀问题。目前常见的烟气冷凝换热器包括空腔喷淋换热器、填料喷淋换热器、间壁式换热器等，各有优缺点，适用范围不同，需合理选择。

　　我国工业制热和民用供暖的锅炉燃料以燃煤和天然气为主，其他燃料为辅。燃煤烟气和燃气烟气的特点各不相同。燃煤锅炉排烟中的污染物含量较多，需要进行脱硫、脱硝、除尘等多道环保处理工序，其中脱硫工艺以湿法居多，而经过湿法脱硫的烟气，含有大量水蒸气，接近饱和状态；天然气成分以甲烷（CH4）为主，燃烧产物中也含有大量水蒸气。

　　含有大量水蒸气的烟气经过低温换热后，水蒸气会发生冷凝，释放大量汽化潜热，能量密度很大：燃煤烟气从50℃降温到20℃，燃料利用效率能够提高7-9%；燃气锅炉烟气从60℃降温到25℃，燃料利用效率可以增加12%以上。在较高的燃料价格和双碳目标的刺激下，烟气低温余热深度回收技术得到快速推广。

　　烟气低温余热深度利用技术中的烟气取热技术得到了重点关注。在冷凝过程中，凝结水会吸收烟气中的SO2、NOx等酸性物质，形成酸性水，对金属有腐蚀作用。为了克服酸性腐蚀问题，烟气低温冷凝换热技术形成了直接换热和间接换热两大方向，其中直接换热又分为空腔喷淋技术和填料喷淋技术，间接换热又分为多种防腐换热方式。各种技术均有其优缺点及适用范围。

　　空腔喷淋式换热：烟气和冷水均在空腔中流动，直接接触换热。冷水经过喷嘴时雾化，形成大量小液滴，增加了和烟气的接触面积，形成很好的换热效果。冷水与烟气接触时，冷水升温、烟气降温，烟气冷凝水及部分污染物和冷水混合，形成一股酸性水，再通过整体加碱的方式中和，解决防腐问题。为了提高保险系数，空腔喷淋式换热还采用了二次防腐技术，将空腔与烟气、水接触的部位实施合适的防腐措施。由于喷淋换热器与烟气、水的接触点少，仅有外壳、喷嘴和管道这几部分，二次防腐的措施简单，造价低，如壳体内部刷防腐层、喷嘴和管道采用防腐材质等。空腔喷淋式换热的防腐效果是最好的，防腐成本也低；烟气阻力也小，对烟气系统的影响最小；此外，直接接触式换热的换热端差小，可以采用较高温度的冷水实现较低的排烟温度，还可以为外界产生冷水的设备减轻负担和造价，整体投资降低。空腔喷淋式换热有两个问题：一是体积和占地较大，由于烟气和水要进行充分地接触换热，需要将烟气流速降低，通道要足够长、足够大；二是冷水循环泵电耗比较大，冷水系统用电量较大，但是在达到相同换热效果的前提下，其他几种换热器烟气阻力大、锅炉风机电耗增加较多，总体耗电量更多。综合来说，空腔喷淋式换热彻底解决了酸性腐蚀问题，适用于燃气、燃煤烟气换热，系统造价也低，只要场地足够，是最优选择。

　　填料接触式换热：填料接触式换热技术是在换热器内增加填料，提高烟气与冷水的接触面积和接触时间，从而减小换热器体积。这种换热技术也是直接接触式换热，可以产生比较小的换热端差，降低外界冷水装置的造价和负担；根据烟气成分不同、酸性不同，选择不同的填料材质，可以降低整体造价。例如在酸性比较小的燃气烟气中，可以采用不锈钢作为填料；而在酸性较大的燃煤烟气中，需采用造价较高的陶瓷等防腐填料。与空腔喷淋式换热技术相比，填料接触式换热不需要将水雾化，水泵扬程可以降低，泵耗降低；但是，填料造成了比较大的烟气阻力，需要锅炉风机克服，增加了锅炉风机的电耗。综合来说，填料喷淋式换热具有体积小、换热端差小的优点，但是增加烟道阻力较大，风机电耗增加；填料的重量较大、造价较高，增加了成本；填料选择不合理，会发生严重腐蚀，堵塞管道甚至损伤设备。填料接触式换热技术适用于燃气烟气和燃煤烟气，特别适用于场地紧凑的项目。

　　间接式换热：间接式换热也叫间壁式换热，是利用传热材质将冷、热介质隔离，只传递热量，不直接接触。这种换热方式在锅炉系统中很常见，炉体内的换热管、空预器、省煤器等，均为间接式换热。在烟气低温冷凝换热领域，由于酸性腐蚀的存在，需要采用一定的防腐措施，从而形成了不同的技术：一类是采用氟塑料管、非金属管、防腐涂层管等技术进行物理防腐，这类技术的传热系数低、换热面积大、原材料贵、造价高、阻力大，已经被接触式换热取代。另外一类是利用具备一定防腐能力的金属材料，如316L不锈钢、2205双相不锈钢等，达到部分防腐的效果（防腐性能优良的材质，如钛合金管等，造价太高，不适用）。间接式换热是大家常见的换热方式，接受度较高，但也具有非常明显的缺点：一是防腐效果较差，使用寿命受限制；二是换热端差大，产生相同的排烟温度，需要更低温度的冷水，对外部制取冷水的设备产生更大的难度，增加系统造价；三是内部全是较贵的金属换热管，重量大、造价高；四是烟气阻力大，增加了锅炉风机的电耗，甚至降低锅炉出力。综合来说，间接式换热并不完全适用烟气余热回收领域，只是得益于换热形式接受度高，具有一定的市场。该技术仅适用于进行了超低氮排放的燃气锅炉烟气余热回收项目中，由于烟气中的NOx含量低于30mg/Nm3，凝水酸性较低，间接式换热器的使用寿命较长。而在酸性很大的燃煤烟气、甚至没有经过超低氮改造的燃气烟气领域，该技术并不适用。

　　烟气是常规一次燃料供热系统的必然产物，也是巨大的余热来源，烟气低温余热深度回收也越来越受到重视，其中烟气低温冷凝换热技术是重中之重。目前烟气低温冷凝换热技术呈现多方向发展，随着新技术新材料的开发，还会有更多的技术出现。使用方需根据现场条件，合理评估各技术的优缺点和适用性，采用最合理的技术，以保证项目最优化设计，提高经济性和整体使用寿命。