燃气锅炉烟气中蕴含着大量的显热和凝结潜热，充分利用烟气中的这些能量可以提高系统能效，减少能源消耗，降低运行成本，实现污染物减排(王随林等，2011). 为规避烟气中的酸性冷凝水对设备的腐蚀，通常燃气锅炉烟气余热利用设施只回收了露点以上的显热，最终排烟温度一般控制在60 ℃左右(周帅，2012). 随着设备防腐技术的突破，使利用热泵技术回收烟气中的潜热成为可能，实现了烟气的近常温排放(贾红书等，2013). 烟气中的潜热得到利用的同时，排烟温度也将大幅度下降，减弱烟气扩散能力，从而可能导致局部大气环境的恶化.但目前关于燃气锅炉烟气深度余热利用的研究普遍对此负面影响缺少关注.

高斯扩散模式最早用于高架烟羽在大气中的扩散研究，随着计算技术的发展，利用数值方法模拟烟气扩散过程逐渐被采用.Mokhtarzadeh-Dehghan等(2006)运用Fluent软件模拟了单个点源和相互作用的两个湍流烟羽的扩散，对比了3种不同湍流模型的模拟结果，低复杂度的标准κ-ε湍流模型足够用于计算描述烟气扩散的参数.Riddle等(2004)对比了中性稳定大气条件下Fluent与基于三维高斯模型的ADMS(Atmospheric Dispersion Modelling System)的数值模拟结果，Fluent由于建模及参数设置的复杂性而无法替代ADMS，但其模拟结果是令人满意的.金颖等(2002)运用缩小实验尺寸几何模型模拟了不同气象条件和烟气排放特性下，烟气的扩散规律，并与高斯烟羽模型对比验证，证明了CFD数值模拟用于烟气扩散研究的可行性.本文运用Fluent模拟了具体案例的烟气中NO_x的转化和扩散过程，定量地研究了燃气锅炉烟气深度余热回收后排烟温度的降低对当地大气环境产生的影响.并结合了燃气锅炉NO_x控制技术提出了缓解局部环境风险的解决方案.

本文采用实测与数值模拟相结合的方法，模 拟了1台燃气锅炉进行烟气余热回收前后烟气中污染物的扩散情况.该燃气锅炉位于北京市丰台区，锅炉房现有3台29 MW和1台14 MW的燃气热水锅炉，仅用于冬季采暖，四台燃气锅炉的烟气通过各自独立烟囱排入大气.锅炉最初仅安装了烟气冷凝器，实测排烟温度为56 ℃，烟气含湿量16.5%.该项目后期又在一台29 MW燃气锅炉尾部增设了直燃式烟气余热回收装置(也称吸收式热泵)，进一步回收烟气余热，使烟气温度降至25 ℃左右，构成一个烟气深度余热回收系统.

数值模拟的烟气排放输入参数根据实际测定结果设置，表 1列出了实测烟气参数及主要污染物浓度.物理模型中以烟囱的顶部面作为烟气的出口，模拟区域范围内地势平坦，物理模型中地面按平地处理.选取当地比较有代表性的气象数据(窦晶晶，2014)代替变化的气象条件，表 2列出了用于模拟计算的烟气和大气的一些初始参数.

表1(Table 1)

表1 烟气参数及主要污染物排放浓度测试结果 Table 1 Flue gas parameters and main pollutants concentrations

表1 烟气参数及主要污染物排放浓度测试结果 Table 1 Flue gas parameters and main pollutants concentrations 测试情景 余热回收装置全部关闭 仅冷凝式余热回收装置开启 冷凝式与直燃式余热回收装置全部开启 采样点管道直径/m 1.2 1.2 1.2 测试负荷 70% 70% 70% 烟气温度/℃ 120 56 18 烟气流速/(m · s-1) 7.5 6.3 5.7 含湿量 18% 16.5% 3% O2含量 3.12% 3.12% 3.15% NO排放浓度/(mg · m-3) 58.2 58.2 51.8 NO2排放浓度/(mg · m-3) 2.3 2.3 2.5 CO排放浓度/(mg · m-3) 1 1 /

表2(Table 2)

表2 模拟计算参数 Table 2 Simulation parameters and values

表2 模拟计算参数 Table 2 Simulation parameters and values 大气参数 烟气参数 风速/(m · s-1) 温度/℃ 水汽含量/(g · kg-1) 情景编号 温度/℃ 水汽含量 烟气流速/(m · s-1) NO/(mg · m-3) NO2/(mg · m-3) O2含量 1.6(北风) -2.1 1.18 1 18 2.0% 5.7 51.8 2.5 3.15% 2 56 16.5% 6.3 58.1 2.3 3.12% 3 120 18.0% 7.5 58.1 2.3 3.12% 4 18 2.0% 5.7 15.54(70%) 0.75 3.15% 5 18 2.0% 5.7 10.36(80%) 0.5 3.15% 6 56 16.5% 6.3 34.86(40%) 1.5 3.12% 7 56 16.5% 6.3 29.05(50%) 1.25 3.12% 注: 表中括号内数据为对应温度下NOx的脱除效率.

实验模拟的对象为增设直燃式烟气余热回收装置的燃气锅炉，该锅炉的烟囱高度30 m，出口直径1.2 m，在烟囱周围建立一箱体模型，如图 1所示，空间尺寸为1600 m×1600 m×300 m(长×宽×高)，烟囱基点设置在(100，0，0)处，烟囱大小为实际尺寸.采用六面体网格对模型进行网格划分，将计算模型划分为445614个控制体.

图1(Fig.1)

图1 物理模型 Fig.1 Computation domain

质量守恒定律、能量守恒定律和组分输运守恒定律的数学描述构成了烟气扩散数值模拟的基本方程组.基于涡流黏度和扩散的标准κ-ε湍流模型用于建立控制烟气流动的连续性方程和Navier-Stokes方程.连续性、能量和组分传输方程的一般形式如下(费斯泰赫，2010)：

连续性方程：

能量方程：

传输方程：

方程组求解过程中运用迎风差分格式及SIMPLE算法对方程组进行离散化，离散方程组的线性化方法和求解采用分离隐式求解形式(陶文铨，2008).

利用容积反应的有限速率/涡流-耗散模型来模拟NO的氧化过程，反应速度以源项的形式出现在组分输运方程中，用Arrhenius速度表达式计算反应速度(FLUENT，2006). 反应方程和速率采用Morrion等(1996)提出的形式：

反应式：

反应速率：

本文采用Atkinson等(1992)提出的k值，其Arrhenius表示形式如下：

表 3列出了数值模拟计算用到的边界条件，其中大气风速入口采用幂指数形式风速廓线，u=u₁(z/z₁)^α，z₁=10 m，根据北京市冬季的气象数据，风速u₁取1.6 m · s^-1的典型数据，北京市冬季大气层结主要为中性稳定度(杨贤为等，2002)，α取为0.25(孙中党等，2001). 大气垂直温度梯度采用气温垂直递减率γ=$ - \frac{{\partial T}}{{\partial Z}}$ =0.6 ℃/100 m的形式.在地面上，速度分量采用无滑移边界条件.

表3(Table 3)

表3 数值计算边界条件 Table 3 Boundary conditions of numerical simulation

表3 数值计算边界条件 Table 3 Boundary conditions of numerical simulation 边界 类型 属性值 左边面 速度入口 用户自定义函数(UDF)—风速廓线和大气温度垂直梯度 混合物：H2O—1.18(g · kg-1)，O2—21% 烟囱出口面 速度入口 速度：方向垂直于出口面向上 烟温：18 ℃、56 ℃、120 ℃ 混合物：H2O—2%、16.5%、18%，O2—3.12%、3.15%，CO2—10% 右边面 压力出口 表压为零 烟囱轴线所在的面 对称面 面内法向速度和所有变量的法向梯度为零 其它面 壁面 标准壁面函数

锅炉烟气余热回收后烟温的降低会导致烟气扩散热抬升能力降低，不利于烟气中NO_x在大气中的扩散，会加大对于本地的污染影响.图 2对比了相同大气条件下，不同排烟温度时，地表 1 m高处水平断面的NO_x浓度(以NO₂计)分布等值线.图中表示了NO_x的最大落地浓度及不同NO_x浓度的影响区域面积.可以看出，随着烟温的降低，NO_x的最大落地浓度增大，最大落地浓度由不增加烟气余热回收设施时的1.38 μg · m^-3增大到烟气深度余热回收后的4.84 μg · m^-3，提高了2.5倍.表 4对相同烟气排放特性条件下，Fluent的模拟结果与《环境影响评价技术导则大气环境》(HJ 2.2—2008)推荐模式中的Screen 3的模拟结果进行了对比，Screen 3估算模式计算出的最大落地浓度是该污染源对环境空气质量的最大影响程度和影响范围的保守估计，通常大于精确度和复杂度较高的模型的计算结果，而 Fluent给出的模拟结果更贴合实际.两者对于烟气余热回收后烟温的降低引起的NO_x最大落地浓度增大的趋势以及程度是一致的.Fluent预测的最大浓度点出现位置比Screen 3预测的结果更远.

图2(Fig.2)

图2 不同烟温条件下地面1 m高处水平断面的NOx浓度分布(a.120 ℃ b.56 ℃ c.18 ℃) Fig.2 Concentration of NOx along the 1 m high ground section with flue gas temperature

表4(Table 4)

表4 Fluent与Screen 3模拟结果对比 Table 4 Comparison of simulation results between Fluent and Screen 3

表4 Fluent与Screen 3模拟结果对比 Table 4 Comparison of simulation results between Fluent and Screen 3 烟气参数 模拟结果 Fluent 6.3 Screen 3 烟温/℃ 排放速率/(g · s-1) NOx最大落地浓度/(μg · m-3) 最大浓度出现的距离/m NOx最大落地浓度/(μg · m-3) 最大浓度出现的距离/m 120 0.43 1.39 659 10.00 200 56 0.44 2.53 721 16.95 200 18 0.47 4.85 900 33.21 181 56 0.22 1.27 721 8.48 200 18 0.09 1.00 900 6.64 181 注：NOx浓度折算时的基准氧含量为3.5%.

此外，烟气直排时最大落地浓度的影响面积仅为一点，增加冷凝式烟气余热回收设施后，其影响面积约为1125 m²，而在烟气深度余热回收后，NO_x的影响面积增大到15750 m²，比只增加冷凝式烟气余热回收设施时的影响面积增大了10倍多，出现了明显增大的现象.烟气深度余热回收会使当地地表污染物落地浓度增加，污染物影响的面积增大.因此，必须采取控制措施，在提高系统能效的同时，缓解由于排烟温度降低引起的本地环境污染增大的风险.

燃气锅炉的NO_x控制技术包括燃烧控制(低氮/超低氮燃烧)技术以及烟气后处理技术，其中燃烧控制具有投资少、无运行费、控制效果优、无二次污染等特点.相比较，SCR、SNCR等烟气后处理技术虽然控制效果好，但一次投资和运行费用较高，且存在由氨逃逸、氨区逸散所引起的二次污染问题，SCR还对场地空间有一定的要求.目前，燃气锅炉低氮燃烧技术可以实现对氮氧化物40%～80%的减排效果(Wes et al., 2002). 经典的扩散燃烧加烟气再循环可以将NO_x的排放水平控制在60 mg · m^-3(@3.5%O₂)以下，而贫燃预混及多种低氮原理的耦合技术可以将排放水平控制在20 mg · m^-3(@3.5%O₂)以下(Øystein，2004). 表 5为实际调查的北京市具有代表性的控氮技术应用案例，可以看出，低氮然烧技术的应用能够将燃气锅炉NO_x排放控制到20～50 mg · m^-3的排放水平，有效地控制了燃气锅炉NO_x的排放.

表5(Table 5)

表5 北京市典型燃气锅炉低氮燃烧技术应用案例 Table 5 Typical case about low NOx combustion technology of gas-fired boiler in Beijing

表5 北京市典型燃气锅炉低氮燃烧技术应用案例 Table 5 Typical case about low NOx combustion technology of gas-fired boiler in Beijing 序号 锅炉总容量/MW 燃烧控制技术 NOx排放水平/(mg · m-3) 案例1 29 部分预混、分级燃烧耦合烟气再循环 20 案例2 7 分散火焰、分级燃烧耦合烟气再循环 30 案例3 0.7 贫燃预混的表面燃烧 50 注：NOx浓度折算时的基准氧含量为3.5%.

此外，《锅炉大气污染物排放标准》(DB 11/139—2015)中规定2017年4月1日起的新建锅炉执行30 mg · m^-3(@3.5%O₂)的NO_x排放浓度限值.为此，若烟气深度余热回收利用技术与燃烧控制技术联用，降低NO_x排放的源强，确保最大落地浓度及污染物对地表影响面积在排烟温度降低时不增加，兼顾了节能、环保指标，又不会增加对于本地环境污染的风险.

图 3和图 4为不同梯级的烟气余热回收条件下，NO_x控制效率不同时，NO_x的扩散对本地环境污染影响的结果.图 3为只增加冷凝式烟气余热回收设施时，烟气中NO_x的控制效果达到40%和50%条件下污染物扩散对地面影响结果，并与烟气直排进行了对比.可以看出，当控制效果为40%时，NO_x的最大落地浓度和污染物的影响区域面积已经明显改善；控制效果为50%时，基本与烟气直排时影响一致.与此类似，当NO_x控制效果达到80%时，既可以实现对烟气深度余热回收，又不会加重对于本地环境污染的影响.其趋势结果与Screen 3关于NO_x最大落地浓度的模拟趋势结果一致(见表 4).

图3(Fig.3)

图3 不同NOx控制效率条件下地面1m高处水平断面的NOx浓度分布(a. DeNOx0%、Flue Temp120 ℃; b. DeNOx40%、Flue Temp 56 ℃; c. DeNOx50%、Flue Temp 56 ℃) Fig.3 Concentration of NOx along the 1m high ground section with different denitrification efficiencies

图4(Fig.4)

图4 不同NOx减排效率条件下地面1 m高处水平断面的NOx浓度分布(a. DeNOx0%、Flue Temp 120 ℃; b. DeNOx70%、Flue Temp 18 ℃; c. DeNOx80%、Flue Temp 18 ℃) Fig.4 Concentration of NOx along the 1 m high ground section with different denitrification efficiencies

表 6列出了烟气深度余热回收利用技术与燃烧控制技术联用后的环境影响结果.利用吸收式热泵技术进行烟气深度余热回收时，每小时可回收热能8.91 GJ，使锅炉热效率提高10.7%.与燃烧控制技术联用后，NO_x脱除效率达到80%时，其排放速率降低 到0.34 kg · h^-1，烟气扩散对于本地的污染影响与未进行烟气余热回收时一致.节能和环保并行，才能实现既总量减排，又不会加大本地环境污染的风险.

表6(Table 6)

表6 烟气余热回收利用技术与燃烧控制技术联用后的环境影响 Table 6 Environmental influence after using both flue gas heat recovery technology and low NOx combustion technology

表6 烟气余热回收利用技术与燃烧控制技术联用后的环境影响 Table 6 Environmental influence after using both flue gas heat recovery technology and low NOx combustion technology 序号 烟温/℃ 控制效率 实测标干烟气量/(m3 · h-1) 折算后NOx浓度/(mg · m-3) NOx排放速率/(kg · h-1) 回收热能/(GJ · h-1) 锅炉热效率提高 环境影响 1 120 0 17385.2 89.6 1.56 0 0 - 2 56 0 17763.5 89.6 1.59 1.89 2.3% 最大落地浓度增大了0.8倍；影响面积增大了约1125 m2 3 18 0 21325.8 80.1 1.71 8.92 10.7% 最大落地浓度增大了2.5倍；影响面积增大了约15750 m2 4 56 50% 17763.5 44.8 0.80 1.89 2.3% 与烟气直排时一致 5 18 80% 21325.8 16.0 0.34 8.92 10.7% 与烟气直排时一致 注：NOx浓度折算时的基准氧含量为3.5%；锅炉运行时的燃气耗量为2373 Nm3 · h-1，低位发热量按35.1597 MJ · Nm-3计算.

1)烟气深度余热回收技术的单独使用，虽然对NO_x排放总量有所降低，但将不利于烟气中污染物的传输和扩散，增加了对于本地环境污染的风险.

2)利用冷凝式换热器回收烟气余热时，排烟温度控制在露点左右，烟温的降低使NO_x的最大落地浓度与烟气直排相比增加了0.8倍，NO_x对于本地的影响面积增大了约1125 m²；利用吸收式热泵技术，进一步回收烟气中的显热和潜热时，烟温大幅度降低，使NO_x的最大落地浓度与烟气直排时相比增加了2.5倍，NO_x对于本地的影响面积增大了约15750 m².

3)回收烟气中热能的同时降低污染物排放的源强，NO_x的减排效率控制在40%以上时，可以有效缓解由于冷凝式换热器回收烟气余热时增大的本地环境污染的风险；NO_x的减排效率控制在70%以上时，可以有效缓解由于吸收式热泵技术回收烟气余热时增大的本地环境污染的风险.

4)烟气深度余热回收技术与燃气锅炉低氮燃烧技术联用时，还应注意对炉膛背压的控制，提高系统的集成度，减少甚至避免深度余热回收技术对炉内燃烧控制的影响，从而实现在有效提升锅炉热效率的同时，又可以避免增大对于本地环境污染的风险.