引言据统计，多数医院伴随建筑规模的扩大、供暖面积的增加、大型设备引进等现状，迫使医院能耗不断上升。以北京某三甲医院为例，近3年的能源消耗呈逐年上升的趋势。2019年能源消耗量占医院全年总收入的0.7％，其中天然气的消耗量约占能源消耗总量的60％。该医院天然气主要供锅炉房3台锅炉燃烧使用，锅炉在燃烧过程中产生大量高温烟气（烟温可达175 ℃）且直接通过烟囱排放。本研究通过在耗能较高的锅炉上增加烟气余热回收换热器的方式，对直接排放的热量进行回收利用。1烟气余热回收换热器的材料选择烟气中存在的酸性气体极易造成酸结露现象的发生[1-2]。酸露点的温度在105 ℃左右，如果换热器金属壁温低于烟气中酸露点的温度，烟气中含有硫酸酐（三氧化硫）的水蒸气在壁面凝结，进而造成腐蚀，因此在对换热器材质进行选择时，应考虑材料的耐腐蚀性。不同材质的酸腐蚀速率如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.019.F001图1不同材质的酸腐蚀速率ND钢的腐蚀速率明显低于其他两种材质，是最理想的耐硫酸低温露点腐蚀用钢材[3]，而且ND钢价格相对便宜，被广泛用于含硫烟气较大的换热器中。2烟气余热回收换热器换热方式的选择按传热原理分类，烟气余热回收的换热类型可分为：接触式换热、间壁式换热[4]。（1）接触式换热。接触式换热是两种流体直接接触进行热交换的过程。接触式换热烟气余热回收装置多数以水作为吸热介质，喷淋水与高温烟气直接接触，将烟气温度降低到露点以下，达到吸收烟气显热和水蒸气潜热的目的。接触式换热的设备主要包括：冷水塔、气体冷凝器等。（2）间壁式换热。间壁式换热是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。间壁式换热器包括管壳式、套管式和其他型式的换热器。间壁式换热器是目前应用最为广泛的换热器。通常情况下，将锅炉补水用的软化水作为烟气余热回收换热器的冷媒使用，由于接触式换热器的换热方式是两种流体直接接触，造成软化水酸化，一旦进入锅炉内部就会对炉内烟管产生腐蚀，从而对安全生产造成影响，因此应优先选择间壁式换热器。3烟气余热回收换热器换热形式的选择常用的换热器传热计算公式[5]如下：φ=KA∆t (1)式中：A——换热面积，m2；∆t——冷热流体的温度差，K；K——传热系数。由于一般换热器的传热面为金属薄壁，壁的导热热阻非常小，因此本研究中忽略传热系数，则K值在实际计算中只与间壁两侧的表面传热系数有关。在实际工程计算中，温度差Δt的取值可以采用算术平均温差和对数平均温差，其中最常用和最准确的方式为对数平均温差∆tm。计算对数平均温差采用公式[6]：∆tm=∆t'- ∆t''ln∆t'∆t'' (2)式中：∆t'——换热器两端的热流体温度差，K；∆t''——换热器两端的冷流体温度差，K。以某三甲医院锅炉房为例，选择其中一台额定蒸发量为6 t的锅炉进行计算，该锅炉正常排放烟气温度为175 ℃，烟气平均流速为7.2 m/s，冷却介质采用锅炉软化水，入口水温设定为10 ℃。由于烟气换热器的选型涉及烟风阻力计算，本研究中不做讨论。参考同类型换热器的参数，可以假定烟气由175 ℃冷却至70 ℃，冷却介质由10 ℃被加热至50 ℃，通过计算对比得到顺流和逆流情况下，何种换热效果更佳。3.1冷热介质顺流情况冷热媒顺流换热示意图如图2所示。通过图2可知，冷热媒介质从换热器同一侧顺流进行换热，利用式(2)计算平均温差：∆t'=t1'- t2'=175- 10=165 ℃；∆t''=t1''- t2''=70- 50=20 ℃；∆tm=∆t'- ∆t''ln∆t'∆t''=165- 20ln16520=69 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.019.F002图2冷热媒顺流换热示意图3.2冷热介质逆流情况冷热媒逆流换热示意图如图3所示。通过图3可知，冷热媒介质从换热器两侧逆向流动进行换热，利用式(2)计算平均温差，得出∆tm=88 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.019.F003图3冷热媒逆流换热示意图通过计算可知，逆流温差比顺流温差升高28％。由式(1)可知，完成同样的换热量，逆流换热器的面积缩小28％，既减少荷载，又降低制造成本，因此一般情况下换热器应首选逆流换热方式。4换热器的节能量评价4.1节能量理论评价某三甲医院锅炉房共有3台蒸汽锅炉，其中1#锅炉、2#锅炉（额定负荷各6 t/h）主要在冬季供暖季使用，运行方式除每天上午用蒸汽高峰时间段（食堂、消毒供应室、供暖同时消耗蒸汽）2台锅炉需同时使用外，其余时间主要为1备1用，每天运行时间超过22 h。3#锅炉（额定负荷4 t/h）为夏季使用，每天运行时间不超过8 h。对该锅炉房近1年（2019年7月至2020年6月）的天然气用量如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.019.F004图42019年7月至2020年6月天然气用量2019年11月至次年4月的用量占全年天然气用量的77%，天然气消耗量主要用于供暖季使用。因此选择1#锅炉或者2#锅炉安装一台烟气余热回收换热器，可以起到最大限度地节能作用。锅炉在正常运行时的额定压力为0.6 MPa，将该蒸汽按照饱和蒸汽处理，此时对应蒸汽温度为165 ℃。通过查阅水蒸气焓熵图，得到不同状态下的水及水蒸气的参数，如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.019.T001表1不同温度下水/水蒸气焓值变化温度/℃焓值/（kJ/kg）1043502101652 770假定锅炉冬季运行期间负荷α为100%，锅炉的燃烧热效率η为85%[7]，则换热量计算公式为[8]：φ=M×(h1- h2) (3)式中：M——水蒸气的质量，kg；h——对应状态参数下的焓值，kJ/kg。由式(3)可知，将1 kg、10 ℃的水加热为0.6 MPa的饱和水蒸气所需的热量为：φ=2 770- 43=2 727 kJ。根据北京市东城区天然气测试报告显示，天然气的低位发热量为q=34.3 MJ/m³。加热水所需的天然气体积的计算公式为：V=φq×η (4)由式(4)可知，将1 kg、10 ℃的水加热为0.6 MPa的饱和水蒸气所需天然气体积为0.093 m³。同理，将1 kg、50 ℃的水加热为0.6 MPa饱和蒸汽所需的热量为：φ=2 770- 210=2 560 K。由式(4)计算所需天然气的体积为0.087 m³。二者进行比较得出可节省天然气用量在6％以上。本结果是将锅炉补水在换热后直至进入锅炉前的散热损失、增加的循环水泵耗电量等都忽略不计的情况下得出的结果。根据此计算结果，将会为医院带来非常可观的经济效益[9]。4.2节能量实际评价本研究中最终选择在1#锅炉安装一台烟气余热回收换热器，通过对比2019年11月至次年4月，加装节能器前后两个供暖季天然气用量的情况，结果如图5所示。得出实际节能总量为5.2%，略小于理论计算值，原因可能是1#锅炉由于故障未能达到全天候运行使用；锅炉补水在换热后存在散热损失等。但是总体而言达到了预期的节能效果。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.019.F005图5加装换热器前后天然气用量对比5结语通过以某三甲综合医院锅炉的运行情况为依据，对烟气余热回收换热器的不同材质进行比较，得出ND钢兼具防腐性和经济性，可优先选择。通过对冷热媒介质顺流和逆流两种换热方式的比较，发现选择逆流方式可大幅节约制造成本，降低设备荷载。根据该医院天然气用量的分布特点，选择在用量最大的一台锅炉烟囱上加装烟气换热器，分别通过理论计算和实际运行效果对安装前后锅炉的节能量进行分析和比较，得出在理想状态下，可节省天然气用量5%以上。参考该换热器的市场价格，在稳定运行两年的情况下即可收回成本，为医院创造了经济效益并节约运营成本。目前烟气余热回收换热器在工业上应用十分广泛，但是在医疗行业中的安装比例并不高，可以考虑在医疗机构中进行推广加装烟气余热回收换热器。