《Energy》：Synergistic deep flue gas heat recovery using corrosion-resistant wall-type condensing heat exchangers coupled with absorption heat pumps
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本文提出一种集成防腐壁式余热回收器（FGCHE）与吸收式热泵（AHP）的深废热回收系统，通过现场测试验证其热力学性能。系统将烟气排放温度从59.7-70.4°C降至23.8-34.1°C，实现72.1-94.2%的废热利用率及10.1-12.8%的综合节能效率。研究发现，相变潜热贡献占比达5.9-8.4倍，且受烟气流速和含水率显著影响。基于实测数据建立了FGCHE传热与压降的工程关联式，系统投资回收期2.61年，可降低天然气消耗和污染物排放，具备规模化应用潜力。
连波穆|俊辉卢|穗琳王|贵昌刘|洪兵陈|立深张|云成兰
北京建筑大学环境与能源工程学院，中国北京，100044
摘要
提高烟气中显热和潜热的回收率是提高燃气锅炉系统能源效率的直接有效方法。为了解决低温腐蚀和热回收效率不足的问题，开发了一种实用的深度废热回收系统，该系统将耐腐蚀的壁式烟气冷凝换热器（FGCHE）与吸收式热泵（AHP）相结合。通过现场测量评估了其热力学性能，并系统分析了控制烟气侧对流冷凝的热量和质量传递机制。烟气排气温度从59.7-70.4°C降至23.8-34.1°C，实现了72.1-94.2%的废热利用率和10.1-12.8%的整体节能效率。通过冷凝传递的潜热起到了主导作用，其贡献是显热传递的5.9-8.4倍，并且受到烟气速度和水蒸气含量的显著影响。基于现场数据，建立了FGCHE内烟气冷凝传热和压降的经验关联式，显示出可靠的工程应用性。该系统的投资回收期为2.61年，同时显著减少了天然气消耗和污染物排放，显示出在高效低碳供暖系统中的广泛应用潜力。
引言
提高能源节约和系统效率是实现碳达峰和碳中和目标的关键策略。作为清洁高效的燃料，天然气已成为向低碳能源系统转型的主要推动力。2024年，中国的天然气消费量达到了4260.5亿立方米，位居全球第三[1]。由于天然气的高氢碳比，其燃烧产生的烟气含有大量的水蒸气，这些水蒸气通常在未被有效回收的情况下被排放[2]，[3]。
燃气锅炉在区域供暖应用中得到广泛使用，但由于烟气排气温度较高（150-200°C），其热效率仅为90-93%，导致15-20%的热量损失[4]，[5]，[6]。因此，回收烟气废热成为提高能源效率、减少燃料消耗和降低碳排放的关键策略。
烟气废热包括废气的显热和在水蒸气冷凝过程中释放的潜热。虽然传统的换热器（如省煤器和空气预热器）能够有效利用显热并提高锅炉效率2-5%，但潜热仍大部分未被利用[7]，[8]，[9]，[10]。为了回收潜热，已经开发并研究了壁式和直接接触式冷凝换热器[11]，[12]，[13]。耐腐蚀的壁式冷凝换热器因其抗腐蚀和稳定运行的优势而受到关注，包括平板翅片换热器[14]、螺旋翅片管[15]、H型翅片管[16]、翼型翅片换热器[17]、三维肋管[18]、板式换热器[19]和陶瓷膜换热器[20]。最近的研究进一步探索了先进的表面改性技术和新型耐腐蚀材料（如多功能复合涂层），以在酸性烟气环境中增强冷凝传热并确保长期耐用性[21]，[22]，[23]。直接接触式换热器与吸收式热泵（AHP）结合使用可以实现更深度的烟气冷却[24]，[25]，但这种方法会导致酸性冷凝液与循环水混合，加剧腐蚀，增加水处理需求，并进一步影响运行可靠性。含有SOx和NOx的烟气会进一步加剧腐蚀问题，这仍然是影响长期稳定运行的关键因素[26]，[27]，[28]，[29]。随着耐腐蚀材料和防护涂层的进步，烟气冷凝换热器（FGCHE）已广泛应用于锅炉改造中，将排气温度降至40-50°C，并预热回水或燃烧空气[30]，[31]。然而，即使有了这些改进，先前系统中深度冷凝相关的潜热仍未完全回收，仍有很大的效率提升潜力。
为了实现更深度的废热利用，AHP可以提供更低的温度沉降点，并且由于其有利的热力学稳定性，非常适合与烟气废热结合使用[32]，[33]。先前的研究表明，将AHP与直接接触式冷凝系统结合使用可以将锅炉效率提高10-12%，并将排气烟气温度降至40°C以下[34]，[35]，[36]，[37]，[38]。然而，这样的集成系统通常面临一些限制，包括复杂的系统架构和运行、较高的烟气侧压力损失以及伴随高辅助功耗的腐蚀和可靠性风险。这些挑战限制了它们的实际可扩展性，阻碍了在供暖系统中的广泛和长期应用。
相比之下，壁式FGCHE系统本身具有较低的压力损失、冷凝液与循环水之间的隔离、简化的操作、降低的辅助能源消耗和增强的可靠性。然而，关于壁式FGCHE在与AHP结合使用时的系统级性能和冷凝传热机制的研究尚未进行。
为了解决这些挑战，提出了一种耐腐蚀的壁式FGCHE与AHP（FGCHE-AHP）系统，并在大型燃气锅炉厂中进行了验证。该系统在真实的烟气运行条件下进行了评估，以确定废热利用率、节能效率和AHP的性能。同时，系统地研究了FGCHE的烟气冷凝传热和压降特性，并建立了相应的工程关联式，以指导实际设计和放大。此外，还定量评估了FGCHE-AHP系统的经济和环境效益。总体而言，所提出的FGCHE-AHP系统为提高天然气供暖应用的效率和降低排放提供了一种可行且可扩展的解决方案。
系统描述
图1展示了FGCHE-AHP系统的示意图和现场照片。研究是在一台平均负荷约为70%的29 MW燃气热水锅炉中进行的。在典型运行条件下，现有省煤器出口处的烟气温度为60-70°C，为后续深度回收显热和潜热提供了有利条件。
作为实现深度废热回收的核心组件，FGCHE专门设计用于提取
FGCHE-AHP系统的运行参数
图4总结了FGCHE-AHP系统的运行参数。在图4(a)中，锅炉的天然气流量在1299.4-2295.2 Nm3/h之间变化，而AHP的运行流量稳定在389-459.7 Nm3/h之间，相应的系统负荷比为59.4-93.5%（平均77%），表明系统在相对稳定和高效的条件下运行。如图4(b)所示，循环水流量为396.7-458.5 m3/h时，入口温度为53.5-57.9°C
结论
本研究开发了一种深度烟气废热回收系统，该系统将耐腐蚀的壁式FGCHE与直燃式AHP相结合，同时提高潜热回收率和燃气锅炉的回水温度。通过长期现场测量，评估了系统在烟气废热利用、冷凝液回收、对流冷凝传热以及相关的经济和环境影响方面的性能。
作者贡献声明
立深张：撰写 – 审稿与编辑，调查。贵昌刘：撰写 – 审稿与编辑，监督。云成兰：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。俊辉卢：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。连波穆：撰写 – 初稿撰写，项目管理，方法论，调查，正式分析，概念化。洪兵陈：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。穗琳王：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
术语表
| Ao | 换热器的外部传热面积，m2 | Qev | 吸收式热泵的蒸发器吸热量，kW |
| B | 年经济效益，CNY/a | Qg | 天然气燃烧的热量输入，kW
| cp,f | 常压下烟气的比热容，kJ/(kg·K)Qh | 烟气废热回收量，kW
| cp,w | 比热容
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号52406063、52506007）、新疆最佳候选人选拔公开竞争机制（编号2023JBGS01）、北京学者计划（编号2015022）以及北京市教育委员会的研发计划（编号KM202310016006）的财政支持。
