本发明涉及烟气低温余热回收利用与NOx减排技术领域，特别是一种燃气锅炉烟气潜热回收利用系统。
背景技术：
我国有大量燃烧气体(天然气等)、液体等碳氢燃料产生热水/蒸汽的锅炉，为工业和生活供热。碳氢燃料燃烧烟气中含有大量水蒸气，这些水蒸气随烟气排走，造成了大量的能量和水的损失。燃气锅炉燃烧的烟气中含有大量水蒸气，水蒸气在冷凝过程中会释放大量的潜热，如纯甲烷燃烧的烟气露点温度接近60℃，即从约60℃开始，烟气继续降温，则水蒸气冷凝并会逐渐释放出烟气中的潜热，这部分潜热的能量很大，但是由于温度较低，受换热温差限制而难以利用。为了回收烟气潜热，提高燃料转化利用的效率，人们对回收利用烟气潜热的方法进行了大量研究。常规的潜热回收方法是采用给水与湿烟气通过间壁式换热器换热降低烟气排气温度，这种方法已经获得了大量的应用，其缺点是一方面换热器换热面积大、且换热器还需耐受烟气冷凝液的腐蚀性，造价高；另一方面，最大热回收量受给水温度的限制，排烟温度不能降低到给水温度之下，当给水温度较高时，潜热回收率较低。针对给水温度高，热回收率较低的问题，人们开发了回收烟气潜热与吸收式或者压缩式热泵结合的方法，该方法通过热泵冷水机组产生冷源，吸收锅炉排烟的低温潜热，再通过热泵升温后传递给热用户，这种方法的缺点是热泵的造价和运行费用较高。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种燃气锅炉烟气潜热回收利用系统。
(二)技术方案
本发明提供了一种燃气锅炉烟气潜热回收利用系统，包括：燃气锅炉本体、烟气/循环水接触塔、循环水子系统；其中，所述燃气锅炉本体产生的烟气进入烟气/循环水接触塔，在所述烟气/循环水接触塔中，所述烟气与循环水子系统的循环水直接逆流接触换热，实现燃气锅炉烟气潜热的回收利用。
优选地，所述循环水子系统包括：给水/循环水换热器、循环水分流器、空气加温加湿装置、风扇、第一循环水增压泵、第二循环水增压泵；所述第一循环水增压泵将高温循环水泵送至给水/循环水换热器，锅炉给水在给水/循环水换热器中与高温循环水换热，预热后的锅炉给水送至燃气锅炉本体；所述高温循环水经过给水/循环水换热器后由循环水分流器分为两路，第一路循环水进入烟气/循环水接触塔；所述第二路循环水进入空气加温加湿装置，风扇将空气吹入空气加温加湿装置，第二路循环水对空气加温加湿，湿空气进入燃气锅炉本体与燃料混合燃烧，加热预热后的锅炉给水生成外供热水；所述第二路循环水经过空气加温加湿装置后由第二循环水增压泵送至烟气/循环水接触塔，第一路循环水与第二路循环水在烟气/循环水接触塔中与烟气直接逆流接触换热，生成高温循环水，实现循环工作。
优选地，所述烟气由烟气/循环水接触塔的底部进入烟气/循环水接触塔；所述第一路循环水由烟气/循环水接触塔的中部喷淋而下，所述第二路循环水由烟气/循环水接触塔的顶部喷淋而下，与第一路循环水在烟气/循环水接触塔的下半段混合；在烟气/循环水接触塔的上半段，烟气与第一路循环水和第二路循环水的混合水直接接触换热，在烟气/循环水接触塔的下半段，烟气与第二路循环水直接接触换热，然后排空。
优选地，所述烟气/循环水接触塔下半段的水气比高于烟气/循环水接触塔上半段的水气比。
优选地，还包括省煤器；所述燃气锅炉本体产生的烟气和预热后的锅炉给水在省煤器中换热，换热后的锅炉给水和烟气分别送入燃气锅炉本体和烟气/循环水接触塔。
优选地，省煤器单独设置或者设置在燃气锅炉本体内部。
优选地，省煤器的出口烟气温度高于烟气露点温度。
优选地，燃气锅炉本体的燃料是碳氢化合物。
优选地，所述空气加温加湿装置是喷淋塔或者填料塔。
优选地，所述给水/循环水换热器的端差为3℃。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的燃气锅炉烟气潜热回收利用系统具有以下有益效果：
(1)烟气的潜热回收采用完全直接接触的方式，烟气与循环水在烟气/循环水接触塔中直接接触换热，与水气间接换热相比，大大减小了换热面积，降低了造价，同时避免了换热器的酸腐蚀问题；
(2)采用多段换热方式，在烟气高温段的水气比高，烟气次高温段的水气比低，实现基于不同水气比的多段直接接触换热，使得烟气潜热的放热与循环水的吸热匹配，显著提高了烟气潜热回收利用率，能最大程度地回收烟气潜热；
(3)利用循环水对空气和燃料加温加湿，一方面湿空气与燃料燃烧反应以后，烟气的露点温度提高，实现了低温潜热的品位提升，更有利于潜热回收，解决了高回水温度条件下潜热回收率低的问题；另一方面，由于湿空气降低了氧浓度，湿空气与燃料燃烧，可以降低燃气锅炉的NOx排放；
(4)利用预热锅炉给水可以提高燃气锅炉的效率，节省燃料，同时锅炉给水不与烟气直接接触，而是通过循环水作为热传递介质换热，保证了给水的水质，提高了水汽网络的稳定性。
附图说明
图1是依据本发明实施例的燃气锅炉烟气潜热回收利用系统结构示意图。
符号说明
1-燃气锅炉本体；2-省煤器；3-给水/循环水换热器；4-烟气/循环水接触塔；5-空气加温加湿装置；6-循环水分流器；7-风扇；8-第一循环水增压泵；9-第二循环水增压泵。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
通过回收利用烟气潜热对空气加热加湿，可以提高烟气的露点温度，使得在回水温度较高的情况下也能大量回收烟气潜热，但其存在回收烟气潜热的换热器换热温差小，换热负荷大的问题，并且当前采用间接接触式换热器回收烟气潜热的换热器，存在换热面积大和低温酸腐蚀风险。本发明在对空气加湿及潜热回收的吸放热过程深入研究的基础上，提出了采用不同水气比分段塔的烟气潜热回收方法，及热水再循环的系统，实现吸热放热过程的匹配，显著提高潜热回收利用率。湿空气与碳氢燃料燃烧反应以后，烟气露点温度提高，更利用热量回收，同时湿空气降低了氧浓度，燃烧NOx得以降低。
图1是本发明实施例的燃气锅炉烟气潜热回收利用系统，该系统对燃气锅炉排出的烟气潜热进行回收。燃气锅炉本体1的烟气管道连接省煤器2，省煤器2连接烟气/循环水接触塔4的烟气入口，该烟气入口位于烟气/循环水接触塔的底部，燃气锅炉本体1燃烧产生的烟气首先经过省煤器2，然后由烟气入口进入烟气/循环水接触塔4，在烟气/循环水接触塔4中与循环水子系统的循环水直接逆流接触换热，换热降温后的烟气由烟道排空。省煤器2的出口烟气温度高于烟气露点温度，即烟气在省煤器中尚未开始冷凝，具体的省煤器出口烟气温度需要根据锅炉给水温度及外供热水温度需求确定，一般不会超过200℃。
循环水子系统包括：给水/循环水换热器3、循环水分流器6、空气加温加湿装置5、风扇7、第一循环水增压泵8、第二循环水增压泵9。
其中，第一循环水增压泵8一端连接烟气/循环水接触塔4的循环水出口，另一端连接给水/循环水换热器3，将烟气/循环水接触塔4的高温循环水送至给水/循环水换热器3，给水/循环水换热器3的给水出口连接省煤器2，锅炉给水在给水/循环水换热器3中与高温循环水换热，预热后的锅炉给水流至省煤器2与燃气锅炉本体1的烟气换热，进一步加热的锅炉给水供给燃气锅炉本体1。高温循环水在给水/循环水换热器3中与锅炉给水换热后温度降低，循环水温度降低到略高于锅炉给水温度2-3℃，并由循环水分流器6分为两路，循环水分流器6的第一出口连接烟气/循环水接触塔4的第一循环水入口，该第一循环水入口位于烟气/循环水接触塔4的中部，第一路循环水经第一循环水入口进入烟气/循环水接触塔4。循环水分流器6的第二出口连接空气加温加湿装置5的循环水入口，空气加温加湿装置5的循环水出口经第二循环水增压泵9连接烟气/循环水接触塔4的第二循环水入口，该第二循环水入口位于烟气/循环水接触塔4的顶部，第二路循环水进入空气加温加湿装置5，同时风扇7将空气吹入空气加温加湿装置5，第二路循环水对空气加温加湿，湿空气进入燃气锅炉本体1与燃料混合燃烧，加热锅炉给水生成外供热水。降温后的第二路循环水被泵送至烟气/循环水接触塔4，第一路循环水与第二路循环水在烟气/循环水接触塔4中与烟气直接逆流接触换热，换热升温后生成高温循环水，实现循环工作。锅炉燃料可以是天然气、油、甲醇等碳氢化合物。
本发明实施例的燃气锅炉烟气潜热回收利用系统，燃料和空气进入燃气锅炉本体1燃烧，加热锅炉给水产生外供热水，并排出烟气，锅炉给水在省煤器2中被烟气加热，从而提高燃气锅炉的效率，节省燃料。烟气由烟气/循环水接触塔4的底部进入烟气/循环水接触塔4，在烟气/循环水接触塔4中，上升的烟气与烟气/循环水接触塔4中部和顶部下落的循环水逆流而行，烟气与循环水直接接触换热，烟气中的水蒸气冷凝并释放出烟气中的潜热，循环水吸收烟气的显热和潜热后温度升高，与水蒸气冷凝水混合后成为高温循环水，换热后的烟气排空。
由此可见，在本发明的系统中，烟气的潜热回收采用完全直接接触的方式，烟气与循环水在烟气/循环水接触塔中直接接触换热，与水气间接换热相比，大大减小了换热面积，降低了造价，同时避免了换热器的酸腐蚀问题。
其中，省煤器2可以单独设置，也可以设置在燃气锅炉本体1内部。省煤器2与燃气锅炉本体1之间还可以设置过热器、蒸发器，以对经过省煤器加热的锅炉给水进一步加热。
高温循环水在给水/循环水换热器中对锅炉给水预热以释放热量，成为中温循环水，预热锅炉给水可以提高燃气锅炉的效率，节省燃料。其中给水/循环水换热器的端差要尽量小，优选3℃。在本发明的系统中，锅炉给水不与烟气直接接触，而是通过循环水作为热传递介质换热，保证了给水的水质，提高了水汽网络的稳定性。
第一路循环水直接回送至烟气/循环水接触塔4中部，第二路循环水在空气加温加湿装置5中对空气加温加湿以进一步释放热量，湿空气进入燃气锅炉本体1与燃料混合燃烧。
由于空气温度低，流量大，是合适的低温冷源，本发明利用循环水对空气加温加湿，一方面湿空气与燃料燃烧反应以后，烟气的露点温度提高，实现了低温潜热的品位提升，更有利于潜热回收，解决了高回水温度条件下潜热回收率低的问题；另一方面，由于湿空气降低了氧浓度，湿空气与燃料燃烧，可以降低燃气锅炉的NOx排放。
其中，空气加温加湿装置5可以是喷淋塔或者填料塔或者其他类型的直接接触逆流传热传质装置，第二路循环水与空气在空气加温加湿装置5中逆流直接接触换热，有利于提高换热效率。
温度进一步降低的第二路循环水回送至烟气/循环水接触塔4，由烟气/循环水接触塔4的顶部喷淋而下，与烟气/循环水接触塔4中部喷淋而下的第一路循环水在烟气/循环水接触塔4的下半段混合，烟气首先与第一路循环水和第二路循环水的混合水直接接触换热，与混合水换热后烟气温度降低并继续上升，与烟气/循环水接触塔4上半段的第二路循环水直接接触换热，然后排空。
空气的加热加湿过程属于变温蒸发过程，虽然理论上循环水可以降低到空气的湿球温度，但由于空气加温加湿的吸热过程与循环水释放热量的温度-吸/放热量关系不匹配，循环水温度很难降低到空气湿球温度，同时，湿化降温后的循环水与烟气的换热，也存在吸放热的不匹配情况，这限制了通过空气湿化方法回收利用潜热的量，影响了烟气潜热回收效果。而本发明采用多段换热方式及其匹配的循环水系统，在烟气/循环水接触塔的下半段，第一路循环水和第二路循环水的混合水与高温烟气换热，烟气高温段的水气比较高；在烟气/循环水接触塔的上半段，温度降低的高温烟气仅与第二路循环水换热，烟气次高温段的水气比较低，实现基于不同水气比的多段直接接触换热，使得烟气潜热的放热与循环水的吸热匹配，显著提高了烟气潜热回收利用率，能最大程度地回收烟气潜热。烟气次高温段的水气比取决于锅炉的给水温度和热回收量的需求，锅炉给水温度越高，要求的热回收率越大，次高温段的水气比越大，一般循环水/空气质量比为2-4kg/kg；烟气高温段的水气比与锅炉给水温度以及锅炉的过量空气系数等因素相关，一般循环水/空气质量比为4-12kg/kg。在锅炉给水温度为50℃的条件下，采用本方案的锅炉排烟温度能降低到约20℃，而采用常规换热器锅炉排烟温度不可能低于50℃。
由于烟气中的水蒸气冷凝，会使循环水的流量变大，即烟气/循环水接触塔4生成的高温循环水量会多于输入的循环水量，同时在空气加温加湿装置5中，部分循环水会蒸发到空气中，循环水子系统的循环水量需要排出一部分以保持稳态，持续进行烟气潜热回收利用。循环水排出的位置可以在烟气/循环水接触塔4底部、空气加温加湿装置5底部或循环水回路的其他位置。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)烟气/循环水接触塔和空气加温加湿装置还可以采用类型的设备，只要能够完成相同的功能即可；
(2)循环水对空气加热加湿的同时，还可以对空气过热；
(3)循环水不仅可以加热加湿空气，还可以加热加湿燃料气；
(4)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；
(5)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；
(6)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。