干湿分离烟气余热利用燃气热水器.pdf

城市燃气2 0 2 3/0 5 总第5 7 9 期10燃气技术Gas Technologydoi:10.3969/j.issn.1671-5152.2023.05.002干湿分离烟气余热利用燃气热水器王萍，乔海平，刘芮萌，张凯伦青岛滨海学院建筑工程学院摘要：干湿分离烟气余热利用燃气热水器通过三处自动温度检测及联动控制，设置水-气联动装置、干湿区自动分离调控装置、高温烟气回流补偿装置、风机自动调控装置、烟气排除控制装置实现燃气热水器有效的干湿区分离，解决了烟气余热利用不充分、干一高温换热区管道腐蚀问题。通过对湿-冷凝换热器的换热管道“U”型设计和持续吹风设置，使酸性冷凝水得到快速有效的汇集回收，并及时对湿一冷凝换热器吹扫干燥使腐蚀性降到最低。在稀释中和设备中首先利用冷水对酸性冷凝水进行稀释，然后利用镁棒将酸性溶液中和至pH=6.5-7后排出，避免对环境造成污染。干湿分离烟气余热利用燃气热水器提高换热效率，延长使用寿命，符合国家双碳要求，对燃气热水器的发展起到积极的推动作用。关键词：燃气热水器；干湿分离；腐蚀；余热回收随着环保意识的增强和能源结构的调整，天然气用于家用采暖和热水供应成为一种趋势，使用燃气热水器的用户日益增多。燃气热水器是指以燃气为燃料，通过燃烧产生高温烟气，利用换热器将热量传递到冷水中，从而实现制备热水的一种燃气用具 2。然而对于能源逐渐紧缺的今天，节约能源的意义越来越重要。因此不断提高燃气热水器的热量利用效率是能源利用中坚守的初心 3，同时降低对环境的破坏也是追求的目标之一。为了充分利用燃气燃烧产生的热量，其中一个方法就是利用冷凝型换热器 4进行烟气余热回收，使其具有更高的换热效率 5。冷凝型换热器的关键构件是换热器 6，承担着水-烟气换热的主要任务，其结构、形状、材料对热水器整体性能有着直接影响 7。冷凝型换热器在换热过程中将烟气中的水蒸气凝结出来，会带来腐蚀、缩减寿命等一系列问题 8。本研究通过优化结构设计实现换热器干湿区分离，解决冷凝型燃气热水器中存在的余热回收不充分、管道腐蚀问题，从而提高燃气热水器的换热效率，延长燃气热水器的使用寿命，并且解决酸性冷凝水的排放问题，为实现国家“碳达峰、碳中和”做出贡献。1冷凝型燃气热水器燃气燃烧后产生高温烟气，烟气与换热器中冷水进行换热，从而烟气的温度逐渐降低排放出去，冷水的温度逐渐升高得到热水。通常排放的烟气温度还比较高，其中存在的水蒸气以气态水的形式排出，将其中的汽化潜热带走，烟气中的热量没有得到充分利用，热效率有待提高。如果将排放烟气的温度降低到烟气中水露点温度以下，水蒸气就会凝结，其中的汽化潜热释放出来，从而大大提高燃气热水器的热效率。冷凝型燃气热水器实现了汽化潜热回收，提高热城市燃气2 0 2 3/0 5 总第5 7 9 期11萍等干湿分离烟气余热利用燃气热水器量利用率的效果。6589冷凝水排放进冷水出热水燃气入口1：燃烧器；2：热水管；3：高温换热器；4：烟气；5：风机；6：排烟管；7：冷凝换热器；8：冷水管；9：冷凝水排放管图1 冷凝型燃气热水器结构示意图冷凝型换热器一般采用“高温显热换热器+低温冷凝换热器”的二次换热形式，即在燃气燃烧室内烟气温度较高位置处设置高温显热换热器，用来吸收烟气中大部分显热，使烟气温度迅速下降；在高温显热换热器的尾部烟气温度已经下降，该位置处通过引入低温水设置，将烟气中水蒸气凝结出来回收水蒸气冷凝的汽化潜热1 0。计算换热器的热效率时采用低位发热量来计算热效率，没有凝液产生的换热器只有显热交换，其热效率小于1 0 0%；而冷凝型换热器因为有凝液产生，除了进行显热交换外，还有潜热交换，因此冷凝型换热器的热效率能够接近1 0 0%甚至超过1 0 0%9。2问题分析冷凝型燃气热水器存在两个换热器，在高温换热器中只有显热的交换不会有冷凝水产生，称之为干区；低温冷凝换热器中有水蒸气凝结，称之为湿区。干-高温换热器与湿-冷凝换热器之间的分界线不因结构而划分，而是依据是否有冷凝水的产生而定，因此该分界线是一个动态线。动态线的存在会导致余热回收不充分、管道腐蚀等问题。经过对冷凝型燃气热水器的分析，主要存在以下三点问题急需解决。2.1余热回收不充分在干-高温换热器中进行充分的显热置换是在湿-冷凝换热器进行充分的潜热利用的关键。然而为了保护干-高温换热器的换热器不会被冷凝水腐蚀，通常情况下干-高温换热器出口温度较高，从而导致两方面的热量损失：一是在干-高温换热器没有进行充分的显热交换；二是湿-冷凝换热器整体温度较高，温度不能达到烟气中的水露点温度，不能实现水蒸气冷凝，烟气中的水蒸气的汽化潜热置换不出来，使烟气中大量的汽化潜热被浪费，导致余热回收不充分，烟气热效率低2.2高温换热区管道腐蚀为解决余热回收不充分的问题，可在干-高温换热器进行充分的显热交换。但是干-高温换热器出口温度较低且低于烟气中的水露点温度时将会导致冷凝水的凝结。该冷凝水溶解烟气中的酸性气体从而变为酸性凝结水，对高温换热器的管道造成腐蚀，缩减使用寿命。干-高温换热器为了保证良好的热交换效率，通常采用不锈钢扁椭圆盘管，易受酸性冷凝水的腐蚀。2.3酸性冷凝水处理问题由于燃气中含有N、S、C 等元素，以及空气中含有大量的N元素，在燃烧后的烟气中含有NO2、S O 2、CO2等酸性气体。在湿-冷凝换热器中产生的冷凝水溶解烟气中的酸性气体从而变为酸性凝结水。关闭燃气阀门时，燃气热水器停止工作，而此时在湿-冷凝换热器积存酸性冷凝液，如果直接排放会导致环境污染问题，对其进行合理妥善的处理后再排放是践行我国“绿色节能环保”白的要求的重要举措。3解决方案针对上述冷凝型燃气热水器中（1）（2）的问题分析，实现冷凝换热器的干湿区分离是解决余热回收不充分、干-高温换热器管道腐蚀问题的关键，同时需要对燃气热水器湿-冷凝换热器的积水问题、酸性冷凝水的处理问题进行解决。解决方案主要有以下几点。3.1自动温度检测及联动控制在热水出口处、干-湿物理分界区、烟气出口处城市燃气2 0 2 3/0 5 总第5 7 9 期12燃气技术GasTechnology三处设置自动温度检测并形成联动控制，来解决干湿分离的问题一是热水出口温度检测器分别与热水出口控制阀、燃气进气控制阀、空气进气控制阀形成联动控制：当热水出口处热水温度低于设置温度时，自动调小热水出口控制阀并调大燃气进气控制阀，更多的燃气进人燃烧室燃烧产生高温烟气，同时增加热水在换热器中停留的时间进行充分的热交换，提升热水出口处的温度，达到设定的热水温度。当热水出口处热水温度高于设置温度时，将进行反向的调控，最终实现水-气的连锁控制，使得热水出口处热水温度稳定。并且热水出口处的温度在一定程度上反映干-高温换热器的整体温度，该水-气的连锁控制可以实现干-高温换热器出口处温度的间接控制，是实现干湿区分离的关键组成部分。二是干-湿物理分界区温度检测器分别与干湿分离烟道控制阀、风机调控阀、高温烟气回流控制阀形成联动控制。当干湿分界区的温度过低时说明在干-高温换热器中进行了充分的显热交换，自动调大干湿分离烟道控制阀，让烟气在干-高温换热器停留时间缩短尽快进人湿-冷凝换热器进行潜热交换；调大风机调控阀，让风机为烟气尽快进人湿-冷凝换热器提供充分的动力；自动调大高温烟气回流控制阀，利用高温烟气补充干-高温换热器出口处烟气的热量，避免在此处产生凝结水而腐蚀管道。当干-湿物理分界区的温度过高时说明在干-高温换热器中，热量利用不充分，调小风机调控阀，自动调小干湿分离烟道控制阀，延长烟气在干-高温换热器的停留时间进行充分的显热交换；自动调小高温烟气回流控制阀，减小高温烟气回流量，降低干-高温换热器出口处烟气的温度。此处设置的干湿区自动分离调控装置、高温烟气回流补偿装置、风机自动调控装置是对干湿分界区的直接控制，是实现干湿区分离的最关键的组成部分。三是排烟出口温度检测器与排烟出口控制阀形成联动控制。当烟气出口处的温度过高时，说明在湿-冷凝换热器中没有进行充分的潜热交换，此时调小排烟出口控制阀让烟气在湿-冷凝换热器中停留较长的时间充分进行潜热交换提高热交换的效率。当烟气出口处的温度过低时，将进行反向的调控。烟气出口处的温度在一定程度上反映湿-冷凝换热器的整体温度，该烟气温度调控控制可以实现干-高温换热器进口处温度的间接控制，是实现干湿区分离的关键组成部分。3.2快速排水及干燥设置一是“U”型换热器设计：将湿-冷凝换热器的结构形状设计为“U”型细管换热器结构，采用细管增大与烟气的换热接触面积，更加充分地进行潜热交换，提高了热量的利用效率；其次换热管道设计为“U”型管，酸性凝结水在重力的流线驱使下更好地收集，缩短酸性凝结水与换热盘管的接触时间，减小对换热盘管的腐蚀二是持续吹风干燥装置：为缩短酸性凝结水与换热盘管的接触时间，燃气热水器使用结束之后，自动调节风机延时吹风1 分钟至湿区的酸性凝结水被吹干，降低其对冷凝换热器盘管的腐蚀。3.3稀释中和处置装置烟气出口处的自动温度检测与稀释水控制阀形成联动控制，其阀门开度受排烟口温度的控制：烟气温度低，阀门开度小，热水温度高，阀门开度大，及时对酸性冷凝水进行稀释和降温。装置中安装中和酸性液体的镁棒，与酸性液体中和，当pH检测仪检测液体pH值达到6.5 7 时，控制酸性冷凝水稀释中和装置排水阀门打开进行排放。1617烟气11925610122414192021222318133热冷15空气水水燃气图2 干湿分离烟气余热回收燃气热水器结构示意图城市燃气2 0 2 3/0 5 总第5 7 9 期13萍等干湿分离烟气余热热利用燃气热水器表1 干湿分离烟气余热利用燃气热水器列表序号名称序号名称1燃气进气控制阀14热水出口控制阀2空气进气控制阀15热水管3引射器16冷凝室4火花塞17湿-冷凝换热器5干-高温换热器18冷水管6燃烧室19稀释水控制阀7高温烟气回流控制阀20PH检测仪8高温烟气回流管道21稀释中和装置排水阀9风机22稀释中和装置10干湿分区烟道23排烟出口温度检测器11干湿分界区温度检测器24排烟出口控制阀12干湿分离烟道控制阀25排烟管13热水出口温度检测器4运行说明干湿分离烟气余热回收燃气热水器的运行分为3个阶段：预热阶段、稳定阶段、吹扫干燥阶段。4.1预热阶段首先开启干湿分离烟气余热回收燃气热水器的热水出口阀门，此时热水出口处的温度严重低于设置温度，因此通过水-气联动控制的燃气阀门打开并调大。燃气首先进人引射器，利用燃气本身具有的压力和速度引射周围的空气，在引射器内完成燃气-空气的预先混合过程，然后在电火花塞的作用下点燃并在燃烧室燃烧，产生高温烟气。高温烟气与冷水之间通过干-高温换热器进行显热交换，不断提高出口处热水的温度。此时热水出口处的温度较低，干湿分界区温度也较低，在高温烟气回流补偿装置的作用下调大高温烟气回流阀使高温烟气迅速充满整个干-高温换热器进行充分的显热交换，在风机自动调控装置的作用下风机低频运行，在干湿区自动分离调控装置的作用下干湿分界区阀门开度较小，烟气还未到达湿-冷凝换热器。4.2稳定阶段随着热水出口处温度以及干-高温换热器出口温度的不断提高，在烟气回流补偿装置的作用下调小高温烟气回流阀缩减高温回流烟气，在风机自动调控装置的作用下风机提高运行速度，在干湿区自动分离调控装置的作用下干湿分界区阀门开度不断增大，烟气到达湿-冷凝换热器。烟气在湿-冷凝换热器中，由于冷水的温度低于烟气中水露点的温度因而进行凝结，将其中的汽化潜热转换出来，凝结水凝结在湿-冷凝换热器的换热管道上。换热管道设置为“U”型，在重力作用下沿流线自动汇集下流至酸性冷凝水中和装置，在稀释中和装置内完成酸性冷凝液的稀释和中和，然后排放。在该阶段，烟气出口处的温度逐渐提高，烟气出口阀门的开度逐渐减小，直至稳定运行。4.3吹扫干燥阶段关闭热水出口阀门，在水-气联动装置、干湿区自动分离调控装置、高温烟气回流补偿装置、风机自动调控装置的联合作用下，关闭燃气进口阀，打开高温烟气回流阀，关闭干湿区分界阀，让干湿分离烟气余热回收燃气热水器的阀门逐渐恢复至预热阶段，为下次运行做准