提高鍋殼燃?xì)忮仩t熱效率的途徑

孫 連 啟

(張家口市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，張家口 075000)

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展，對環(huán)境的要求越來越高.人們更加重視健康和生活環(huán)境的改善.能源結(jié)構(gòu)和利用有了很大的改變，天然氣以較少地環(huán)境污染和高效燃燒作為鍋爐燃料被大量采用.特別是WNS系列中、小型燃?xì)忮仩t以其環(huán)保性能突出、結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能、自動化程度高等優(yōu)點被廣泛地應(yīng)用.然而，燃?xì)庾鳛橐淮文茉雌鋬r格比燃煤貴，燃?xì)忮仩t的運行成本比燃煤鍋爐高出3-4倍.如何提高燃?xì)忮仩t熱效率降低運行費用成為鍋爐行業(yè)所關(guān)注的問題.本文分析了鍋殼燃?xì)忮仩t熱效率與排煙溫度的關(guān)系，給出了鍋殼燃?xì)忮仩t排煙熱損失所占比例和提高鍋爐熱效率的途徑.

1 燃?xì)忮仩t熱效率和排煙損失

鍋爐設(shè)計熱效率是鍋爐技術(shù)水平的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它表明鍋爐設(shè)備的技術(shù)先進(jìn)程度和能源利用率的水平.燃煤鍋爐設(shè)計效率一般在80%～85%左右[1]，燃?xì)忮仩t設(shè)計效率可以達(dá)到90%～98%.鍋爐熱效率可以通過正平衡法測試得出，也可從反平衡法測試得出.

1.1 鍋爐正平衡熱效率

η=(Q1/Qr)×100%

η-鍋爐熱效率，%；

Qr-鍋爐擁有熱量，KJ/m3；

Q1-有效利用熱量，KJ/m3；

熱水鍋爐：Q1=4.187 G﹒Cn(tr-th)；Cn——水的比熱KJ/kg℃；

G——循環(huán)水量，kg/s；tr、th出——供水、回水溫度，℃；

蒸汽鍋爐：Q1=D(ⅰ″]-i′)；

D-蒸發(fā)量，kg/s；ⅰ″——出口蒸汽熱焓，KJ/kg；

i′——給水熱焓，KJ/kg

1.2 鍋爐反平衡熱效率

(1)干燃燒產(chǎn)物熱損失，

(2)由空氣中水分引起的熱損失；

(3)由燃料中水分引起的熱損失；

(4)由燃料中氫燃燒后所生成的水分引起的熱損失；

(5)由未燃盡可燃物引起的熱損失；

(6)向周圍的輻射熱損失；

(7)其它熱損失；

以上(1)-(4)項就是通常所指的排煙熱損失，q2%；(5)項熱損失包括化學(xué)不完全燃燒熱損失，q3%；固體不完全熱損失，q4%；(6)、(7)兩項對應(yīng)散熱損失，q5%；灰渣物理熱損失，q6%.對于燃?xì)忮仩t熱損失中q4和q6兩項為零，且鍋爐密封性一般較好，q5項損失一般也很小(一般在1%～3.6%[2]，國外有的鍋爐甚至小于1%[3]).燃?xì)忮仩t反平衡熱效率可由下式給出：

η=100-q2-q3-q5%；

其中q2由下式計算：

Ipy——排煙熱焓，KJ/Nm3；

apy——排煙處過量空氣系數(shù)；

Q——每標(biāo)米燃?xì)馑腿霠t內(nèi)熱量，KJ//Nm3；

q2是燃?xì)忮仩t熱損失中最大的一項，它取決于排煙溫度和排煙量，而排煙量決定于過量空氣系數(shù).目前WNS系列燃?xì)忮仩t一般選用國外品牌燃燒器，過量空氣系數(shù)小，一般在1.05～1.1之間，因而燃?xì)忮仩t排煙熱損失的主要決定因素是排煙溫度和所含水蒸汽量.表1燃?xì)忮仩t排煙熱損失占據(jù)鍋爐總熱損失的主要份額(來源于某廠鍋爐熱力計算書).

表1

從表1中可以得出：WNS系列燃?xì)鉄崴仩t排煙熱損失約占鍋爐總熱損失68～78%，而且隨著鍋爐容量增大，排煙熱損失份額有一定程度的增大.排煙熱損失與排煙溫度有直接關(guān)系，進(jìn)而得出燃?xì)忮仩t熱效率很大程度上取決于選取排煙溫度的高低.

2 提高熱效率的途徑

天燃?xì)庵兄饕煞质羌淄?CH4)，1個體積的甲烷燃燒后生成2個體積的水蒸氣和1個體積的二氧化碳?xì)怏w(CO2)，同時釋放出39842 KJ/m3的熱量.2個體積水蒸氣的凝結(jié)熱可達(dá)其全部發(fā)熱量的10%，所以，天然氣的低位發(fā)熱量比高位發(fā)熱量低10%[4].天然氣的低位發(fā)熱量35500-41900 KJ/m3[5].下面圖示燃?xì)忮仩t尾部加裝冷凝器和熱管空氣預(yù)熱器，降低排煙溫度提高熱效率的原理[6]：

燃燒反應(yīng)方程式：

CnHX+(O2+N2)→2H2O+CO2+NOX+N2+O2+39842 KJ/m3

(天然氣) (空氣) (水蒸氣)

10%(4100 KJ/Nm3)水蒸氣排到煙氣中←天然氣高位發(fā)熱量

↓ (39700 KJ/Nm3)

↓

排放到大氣(55 ℃，4.6%) ↓天然氣低位發(fā)熱量

↓(35600 KJ/Nm3)

↑ (100%)

冷凝器回收熱效率(7.8%、140 ℃) ↓ ↓

↑ 鍋爐熱效率

熱管空氣預(yù)熱器回收熱效率(5.6%、) ↓ (98%)

↑ ↓

鍋爐本體煙氣←含有蒸汽顯熱的排煙損失←散熱損失

(200 ℃) (8%) (1.6%)

提高燃?xì)忮仩t熱效率的有效途徑是鍋爐尾部增加熱管空預(yù)器和冷凝器等余熱回收裝置，使鍋爐煙氣溫度從200 ℃以上降至60 ℃左右，可將燃燒產(chǎn)生水蒸氣中的汽化潛熱和煙氣大部分熱量回收.在工程實際應(yīng)用方面：熱管式空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)，由多根φ32 mm鋼制高頻焊接翅片管做成的熱管、殼體板、隔板和支架等組成.安裝在鍋爐尾部煙氣出口處，一般下部為煙氣通道，上部為空氣通道.被加熱的空氣送入爐膛助燃.使煙氣溫度從200 ℃降至140 ℃左右，空氣溫度從20 ℃升高到70 ℃左右.鍋爐熱效率提高5%～6%.

冷凝器由多根不銹鋼鋁合金翅片管、殼體板和支架組成，一般翅片管徑在φ38～51 mm，殼體板為4～6 mm普通鋼板.管內(nèi)介質(zhì)為鍋爐給水，流速在1～2 m/s，翅片管外為煙氣通道.冷凝器幾何尺寸與鍋爐容量相關(guān).安裝在鍋爐熱管空預(yù)器后、引風(fēng)機(jī)前煙道處.一般將煙氣溫度從140 ℃降至60 ℃，充分利用煙氣中的潛熱(煙氣中凝結(jié)水從煙道中排除).設(shè)計冷凝器時，煙氣流速一般在7～12 m/s，流速小于7 m/s時，易積灰堵塞；煙氣流速大于12 m/s時，冷凝器磨損嚴(yán)重，同時會產(chǎn)生噪音和振動現(xiàn)象.詳細(xì)冷凝器設(shè)計，請參閱有關(guān)換熱器設(shè)計書籍.WNS燃?xì)忮仩t尾部加裝冷凝器鍋爐熱效率可提高7～8%，使鍋爐熱效率達(dá)到98%以上.燃?xì)忮仩t尾部設(shè)置熱管式空氣預(yù)熱器和冷凝器技術(shù)，國內(nèi)許多鍋爐制造企業(yè)已采用，如揚州斯大鍋爐有限公司等.

3 結(jié)束語

WNS鍋殼燃?xì)忮仩t在我國經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已成為燃?xì)忮仩t中一個重要系列，在鍋爐本體結(jié)構(gòu)布置、燃燒器匹配、強化傳熱、高溫?zé)熓夜馨搴附印⑽膊糠e水處理、低噪環(huán)保運行等方面取得了長足進(jìn)步，目前廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活中的各個領(lǐng)域.但是，目前燃?xì)忮仩t排煙溫度普遍偏高(一般在200 ℃以上)，造成很大的能源浪費已成為亟待解決的問題.本文對提高WNS型燃?xì)忮仩t利用熱管預(yù)熱器和冷凝器降低煙溫，提高熱效率作了初步探討，供燃?xì)忮仩t科技工作者借鑒和參考.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]鍋爐機(jī)組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2001

[2]趙欽新,惠世恩.燃油燃?xì)忮仩t[M].西安交通大學(xué)出版社.2000

[3]陳學(xué)俊,陳聽寬.鍋爐原理[M].西安交通大學(xué)出版社.1994

[4]車得福.冷凝式鍋爐及其系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2002

[5]劉福仁，沈貞珉，徐福安.燃?xì)忮仩t作業(yè)人員讀本；中國計量出版社：2005.12

[6]斯大鍋爐有限公司產(chǎn)品技術(shù)資料2013