第 1 章 绪论
1.1 研究背景
现代社会能源体系向清洁化高效化方向发展。我国积极优化能源供给结构，促进能源质量提升，加快形成煤、油、气、可再生能源多种能源集合的供应系统。近年来，煤炭占全国能源消费量的比重不断下降，天然气占比不断上升。2018 年，中国一次能源生产总量为 37.7 亿吨标准煤，其中煤炭产量 36.8 亿吨，降至能源消耗量的 60%以下；天然气产量 1600 亿立方米，占比提升至 7.8%[1]。全球经济繁荣不仅促进了能源需求持续增加，现代化社会需要能源向清洁化与可再生方向发展，世界能源体系面临着能源总量提高和低碳排放的双重挑战[2]。
近年来，我国对环保事业的重视越来越深，空气质量持续改善。但供暖期间北方区域大气污染问题依然严重。2018 ~ 2019 年供暖期间，京津冀地区细颗粒物浓度比非供暖季节浓度多一倍，重污染天数占比超过全年 90%。化石燃料燃烧产生的 NOX 可导致大气氧化性增强，且可生成二次细颗粒，是引发雾霾的重要因素[3]。生态环境部发布多项秋冬季空气环境综合治理方案[4]，要求实施各项措施共同控制污染排放，改善并保障空气质量，坚决做好蓝天保卫，为全面小康社会的建成提供基础。
我国为推进能源领域的供给侧改革已推出一系列政策[5]。在清洁采暖方面，蓝天保卫战在京津冀、汾渭平原和长三角区域长期推进；在风电和光伏发电项目方面，加快实现风光电平价上网，解决依赖补贴问题；在天然气方面，要增强国内开发、健全海外供应，强化资源互联，从产供储销保障供给稳定；在煤炭方面，淘汰落后产能，优化煤电结构。
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1.2 燃气锅炉烟气余热回收技术研究现状
1.2.1 间壁式换热
传统间壁式换热器利用供热管网水或助燃空气的自然冷源与烟气进行间壁式换热，提取烟气中热量回收到助燃空气或热网水中。常用型式由翅片管式、热管式、蓄热式等。利用数值模拟与实验方法，对翅片管换热器研究较多。管束排列影响传热性能，管径适当减小换热系数增强[6]；翅片厚度增加、间距变小，换热效率提高[7]；且一定范围内，烟气、助燃空气流速提高促进换热、增加阻力损失[8]。热管式换热器传热系数大，换热速率快，但成本较高，维修困难，质量严重影响使用寿命[9]。蓄热式换热器利用蓄热体在烟气与助燃空气间循环，作为蓄热介质换热[10]。但蓄热元件转动时需考虑阻力与积灰特性，已有一些研究提出防治堵灰问题[11]。
特种塑料耐腐蚀性能优异，可在烟气露点温度以下工作，且耐疲劳强度好、耐温耐压[12]，其在低温高腐蚀性余热回收方面应用前景广泛[13]。按材质可分为氟塑料和导热塑料。氟塑料热导率较低，需制成薄壁提高换热性，给安装和维护上带来不便。导热塑料换热器主要制成翅片管式，导热系数高，热阻小，整体换热性能好，但原材料消耗大[14]。
供热管网水温度偏高，无法深度回收烟气潜热；助燃空气热容较小，与蕴含大量潜热的烟气相比，只能吸收部分热量。传统的助燃空气预热器与省煤器无法对烟气进行充分的余热回收。
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第 2 章 助燃空气加湿对助燃空气及烟气成分影响
2.1 助燃空气、天然气及烟气成分分析
实际燃烧过程中助燃空气、天然气及烟气成分较为复杂。本章为简化计算，只考虑主要成分，对含量极少成分，如 CO、H2S 等不予考虑；并且认为燃烧充分完全，在燃烧过程中，不考虑氮氧化物生成及对氧气、氮气含量影响。
2.1.1 助燃空气成分分析
本章主要模拟助燃空气含湿量变化时助燃空气及烟气组分变化，模拟过程中助燃空气含湿量作为自变量发生较大变化，其他干燥助燃空气组分不变。可将助燃空气分为干助燃空气以及水蒸气两部分，干助燃空气作为整体已经预设。在给定助燃空气含湿量后，进行助燃空气各组分体积占比的计算。干空气[51]组分见表 2-1。
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2.2 助燃空气加湿对助燃空气与烟气的组分及体积影响
2.2.1 助燃空气加湿对助燃空气中氧气含量影响
由助燃空气焓湿图可得，50℃饱和助燃空气的含湿量为 86.33 g/kg干，10℃助燃空气20%相对湿度时，含湿量为 1.51 g/kg干，因此设置助燃空气含湿量在 0 g/kg干~ 100 g/kg干内变化。不同含湿量下氧气/水占助燃空气体积比见表 2-2 与图 2-1。
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第 3 章 直膨式热泵型烟气余热回收与净化系统实验台设计...................17
3.1 直膨式热泵型烟气余热回收与净化系统工作原理..........................17
3.2 直膨式热泵型烟气余热回收与净化系统构建..........................17
第 4 章 直膨式热泵型烟气余热回收与净化系统性能及影响因素研究..25
4.1 系统氮氧化物减排效果及影响因素研究..............................25
4.1.1 锅炉排烟 NOX 含量变化..................................... 25
4.1.2 助燃空气含湿量对锅炉排烟 NOX 含量影响......................26
第 5 章 直膨式热泵型烟气余热回收与净化系统技术经济性分析.......... 45
5.1 节能性分析................................45
5.2 经济性分析...............................46
第 5 章 直膨式热泵型烟气余热回收与净化系统技术经济性分析
5.1 节能性分析
由于本实验采用了热泵技术，增加了电耗。余热回收水所得的热量为热泵功耗与从烟气中回收热量之和。为评价系统从烟气中回收的有效热量，采用系统余热回收热效率对系统节能量进行分析。在实验中发现，有大量热被实验室通风助燃空气带出，考虑工程实际，参照 2 吨燃气锅炉对热耗散与系统余热回收量进行重新计算。并且以本次实验用的 58kW 燃气热水锅炉为例，计算整个采暖季的燃气消耗与电能消耗。由于采用余热回收系统回收烟气中热量，供给相同热量时燃气锅炉所需工作负荷减小，耗气量减少。设定采暖季为四个月（120 天），每天锅炉运行 24h，结果见表 5-1 与表 5-2。
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结论与展望
结论
本文将助燃空气加湿与直膨式热泵技术结合，提出直膨式热泵型烟气余热回收与净化系统对排烟热损失与氮氧化物浓度超标进行综合治理。在数值模拟助燃空气加湿技术对助燃空气及烟气组分影响后，设计并搭建实验台测试处理系统不同控制参数下实际运行效果，并对系统应用性进行分析。主要研究结论如下：
（1）对单位燃气燃烧需要助燃空气量及产生烟气量进行分析表明，助燃空气含湿量的增加使助燃空气及烟气体积增大，氧气占比减少。助燃空气含湿量由 0 g/kg干增加到 100 g/kg干时，助燃空气中氧气含量降为 18.08 %，助燃空气及烟气体积增加了 1.84Nm3/Nm3。拟合出利用湿烟气氧气含量与助燃空气含湿量计算干烟气氧含量的方法，计算结果与真值误差在 0.1%，可满足使用需求。
（2）锅炉排烟 NOX 含量随助燃空气含湿量的升高而降低，助燃空气含湿量随锅炉负荷增加、液气比增大而升高。当锅炉负荷率为 90 %、25.16 液气比时，助燃空气含湿量最高为 59.54 g/kg干，此时锅炉排烟 NOX 含量为 47.61 mg/m3，相对于未加湿状态降低了 54.38 %。
（3）余热回收量随余热回收水流量增加、水温降低而增加，40 ℃水温、1853 L/h流量时，余热回收量为 5.390 kW；随锅炉负荷增加、加湿水的液气比降低而增加，90 %负荷、液气比为 3.39 时，余热回收量为 5.448 kW。热泵功耗随锅炉负荷降低、余热回收水温降低、水流量增大而降低。90 %负荷、40 ℃水温、1853 L/h 流量时，热泵 COP最高为 3.1。喷淋水系统可使余热回收量增加 0.25 kW ~ 0.46 kW。系统排烟温度最低可降为 24.46 ℃。
（4）余热回收与降氮存在竞争作用。当加湿水流量增加时，更多热量进入助燃空气中，降氮效果增强而余热回收效果减弱。90 %负荷时，加湿水液气比由 3.39 增加到25.16，锅炉排烟 NOX 含量由 67.56 mg/m3 降低到 47.61 mg/m3；而余热水得热量由 5.448kW 减小到 4.848 kW。
（5）系统在锅炉负荷增加时降氮效果与余热回收效果均增强。锅炉负荷由 75 %增加到 90 %时，锅炉排烟 NOX 含量最低值由 56.31 mg/m3 减低到 47.61 mg/m3；此时对应得余热水得热量占燃料热值比例由 8.39 %增加到 9.68 %。
参考文献（略）