全預(yù)混燃燒及冷凝換熱技術(shù)在鍋爐上的研究與應(yīng)用

黃丹君

浙江音諾偉森熱能科技有限公司

全預(yù)混冷凝技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)。在歐洲，由于當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)的強(qiáng)制要求，所有歐洲市場(chǎng)的鍋爐必須是冷凝爐，并出臺(tái)了相應(yīng)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)內(nèi)，全預(yù)混冷凝鍋爐尚屬于比較新型的采暖設(shè)備，且對(duì)于70 kW以上的冷凝供暖鍋爐沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。本文所有設(shè)計(jì)及測(cè)試基于歐洲最新標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)70 kW以上2 800 kW以下的燃?xì)忤T鋁鍋爐展開研究分析。通過(guò)運(yùn)行測(cè)試和比較，得出全預(yù)混冷凝技術(shù)對(duì)鍋爐熱效率、能耗及環(huán)保方面均帶來(lái)了卓越的改進(jìn)。

1 全預(yù)混燃燒和冷凝換熱技術(shù)

1.1 全預(yù)混低氮燃燒技術(shù)

（1）前預(yù)混full-premixed

全預(yù)混燃燒是指將燃?xì)夂妥銐虻目諝庠谶M(jìn)入燃燒器之前進(jìn)行充分的預(yù)混合，在燃燒的過(guò)程中無(wú)需再補(bǔ)給空氣的燃燒方式。全預(yù)混燃燒分為前預(yù)混燃燒和后預(yù)混燃燒，前預(yù)混則是指燃?xì)夂涂諝庠陲L(fēng)機(jī)前的混合器中以一定比例進(jìn)行預(yù)混，再由風(fēng)機(jī)吹入燃燒器。根據(jù)熱需求或熱負(fù)荷，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整空氣進(jìn)風(fēng)量，燃?xì)膺M(jìn)氣量則隨著進(jìn)風(fēng)量的變化而變化，以保證精確的空燃比。由此，可使燃?xì)獬浞秩紵?，保證最佳燃燒工況，提高燃燒效率和降低有害氣體排放。如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)前預(yù)混

（2）全預(yù)混金屬纖維燃燒器

前預(yù)混燃燒中使用的一種燃燒器為金屬纖維燃燒器，其表面為耐熱且軟韌的金屬纖維氈，內(nèi)有鋼質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)，可通過(guò)滾壓焊接實(shí)現(xiàn)兩者的組裝。同時(shí)由于燃燒表面的纖維結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)焰性能遠(yuǎn)高于其他材料，可以采用兩種燃燒方式進(jìn)行：藍(lán)焰方式和紅外方式 ?；鹧嬖诶w維表面外或表面形成，熱量以對(duì)流或紅外輻射形式傳導(dǎo)?；鹧娑潭€(wěn)定、徑向分布，溫度場(chǎng)均勻，基本杜絕了燃燒室的極端高溫，由此可顯著降低NOx的生成機(jī)會(huì)[1]。

由于金屬纖維燃燒器網(wǎng)布孔隙細(xì)密，且具有一定的厚度和彈性，可保證氣流均勻分布、火焰均勻燃燒，耐受熱應(yīng)力及高溫蠕變損壞的能力更強(qiáng)，從而其使用壽命也更長(zhǎng)。同時(shí)由于預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)緊湊，因此也可降低燃燒室的空間需求。

1.2 冷凝換熱技術(shù)

冷凝的原理是指高溫?zé)煔庠谟隼淠Y(jié)過(guò)程中釋放熱量，冷凝技術(shù)就是充分回收這些熱量以增加熱效率。通過(guò)熱媒水和高溫?zé)煔獾臒峤粨Q，既可降低排煙溫度，又可以將回水預(yù)熱，在此過(guò)程中，回水充分吸收了煙氣中的顯熱及水蒸氣凝結(jié)后的潛熱。以天然氣低熱值計(jì)算，熱效率可超過(guò)100%，不僅降低了能耗，而且減少了燃燒產(chǎn)物中有害物質(zhì)的排放。

回水和煙氣的熱交換如圖2所示。

圖2 熱水鍋爐的冷凝換熱示意圖

2 冷凝燃?xì)鉄崴仩t主熱交換器

2.1 一種鑄鋁式熱交換器

冷凝式燃?xì)忮仩t其核心部件為主熱交換器。傳統(tǒng)的熱交換器材質(zhì)一般為鑄鐵或不銹鋼，本文闡述的是一種硅鋁合金熱交換器，其材質(zhì)是一種典型的鋁合金，通用于歐美國(guó)家。鋁是一種具有活性的金屬，在自然條件下，鋁材的表面能夠形成一層致密的氧化層，可以有效防止酸性腐蝕和氧化，另外，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)是不銹鋼的10倍以上，故鑄鋁熱交換器比傳統(tǒng)的不銹鋼熱交換器導(dǎo)熱能力強(qiáng)，可幫用戶節(jié)省更多的能源。

在鑄造技術(shù)上，采用整體式砂鑄，采用冷芯與熱芯相結(jié)合的制芯技術(shù)及惰性氣體除氣技術(shù)。由于鋁的熔點(diǎn)較低，在高溫鑄造時(shí)有較高的流動(dòng)性，鑄造和加工性能良好，成本低，同時(shí)可鑄造出結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的熱交換器。

2.2 鑄鋁式熱交換器的結(jié)構(gòu)介紹

鑄鋁熱交換器可采用整體式鑄造，也可由若干片鑄鋁模塊組合而成，集燃燒室、煙道、水道等結(jié)構(gòu)于一體。鑄鋁件煙氣通道表面規(guī)則分布著大量的柱狀凸起，水道內(nèi)表面設(shè)有筋條，可有效增加換熱面積，優(yōu)化換熱效果，而且可縮小產(chǎn)品的體積。全水冷設(shè)計(jì)，燃燒室被水道環(huán)繞，無(wú)需其他耐火材料；整體式鑄鋁熱交換器水流自下而上環(huán)繞煙氣通道螺旋上行，而模塊式組裝的熱交換器其內(nèi)部水道為平行式，且出水端的U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使平行水道水力平衡，無(wú)局部過(guò)溫。其燃燒室及出水口位于鑄鋁熱交換器上方，回水（進(jìn)水）口位于底部，水流自下而上蜿蜒上行，高溫?zé)煔庾陨隙铝鲃?dòng)，逆向運(yùn)行以保證充分熱交換。在此過(guò)程中，煙氣溫度逐漸下降，煙氣中的水蒸氣達(dá)到露點(diǎn)溫度以下而凝結(jié)成液態(tài)水，同時(shí)帶走燃燒產(chǎn)物中的部分CO和NOx等有害物質(zhì)，從而真正達(dá)到高效、節(jié)能、環(huán)保的目的。冷凝鑄鋁熱水鍋爐在歐洲的使用已有約四十年，其耐熱應(yīng)力沖擊比薄壁不銹鋼高，且可不采用焊接工藝，使用壽命更長(zhǎng)。圖3為一種模塊式鑄鋁熱交換器的鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為一種平行式水道的水流示意圖。此一體化結(jié)構(gòu)組裝方便，可靠性高，且可根據(jù)不同單片熱交換器模塊的數(shù)量來(lái)組合成不同功率大小的鍋爐，經(jīng)濟(jì)性較高。

圖3 一種鑄鋁鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3 全預(yù)混冷凝燃?xì)忮仩t的測(cè)試運(yùn)行

3.1 實(shí)驗(yàn)室調(diào)試運(yùn)行

為使燃燒工況及排放達(dá)到最佳，需對(duì)空燃比進(jìn)行調(diào)節(jié)。針對(duì)功率范圍調(diào)節(jié)比為1:5的鍋爐調(diào)試簡(jiǎn)要介紹如下：①將鍋爐調(diào)到最大功率（最大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速），調(diào)節(jié)燃?xì)獗壤y上的主流量調(diào)節(jié)閥，用煙氣分析儀檢測(cè)煙氣中CO2含量，使CO2排放控制在9.1%±0.2%（每個(gè)鍋爐制造商對(duì)于CO2設(shè)定值根據(jù)實(shí)際有所不同），檢測(cè)最大功率是否在額定值的±5%內(nèi)；②將鍋爐調(diào)到最小功率（最小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速），調(diào)節(jié)燃?xì)獗壤y上的零點(diǎn)調(diào)節(jié)閥，檢測(cè)CO2含量，使CO2排放值比最大功率時(shí)的數(shù)值小0.2%，檢測(cè)鍋爐最小功率是否符合最小功率額定值的±5%；③回到最大功率檢查CO2含量是否在原調(diào)試值的±1%。如果偏差超限，則需重新調(diào)試一遍，直到CO2值穩(wěn)定在偏差范圍內(nèi)。在調(diào)試過(guò)程中，需保證燃?xì)鈩?dòng)壓穩(wěn)定在20 mbar及以上。燃燒產(chǎn)物中CO2的百分比，可根據(jù)使用燃?xì)獾奶匦?、?shí)際機(jī)型的配置和各地對(duì)煙氣排放的不同要求進(jìn)行調(diào)整以獲得一個(gè)最佳值。但也要考慮相應(yīng)的合適度，如CO2百分比過(guò)大時(shí)，燃燒的效率會(huì)變高，火焰燃燒高度變短，火焰更貼近燃燒器壁，燃燒器的工作溫度也在同步提升，可能會(huì)超過(guò)燃燒器所能承受的正常工作溫度，這將直接影響燃燒器的使用壽命。如果CO2百分比過(guò)小，則易產(chǎn)生工作噪音及熱效率低的問(wèn)題[2]。因此選擇合適的空燃比，對(duì)鍋爐運(yùn)行的綜合性能是非常重要的。

圖4 鑄鋁熱交換器內(nèi)部平行水道水流示意圖

3.2 測(cè)試結(jié)果

以功率600 kW的全預(yù)混冷凝燃?xì)忤T鋁熱水爐為例，完成整機(jī)調(diào)試后，根據(jù)燃?xì)饬髁坑?jì)算熱輸入；利用煙氣分析儀（可結(jié)合供回水溫差及水流量）測(cè)輸出功率、燃燒產(chǎn)物及熱效率，結(jié)果如表1所示。

在實(shí)際運(yùn)用中，為了使鍋爐達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，通常將OTC（戶外溫度補(bǔ)償）功能打開，鍋爐將自動(dòng)調(diào)節(jié)供回水溫度，從而達(dá)到最理想的節(jié)能效果。由圖5可以看出，戶外溫度-5℃到10℃為鍋爐最長(zhǎng)運(yùn)行區(qū)間（每個(gè)地區(qū)有所不同），約占供暖季的78%，而0℃到2℃為鍋爐的平均運(yùn)行點(diǎn)。結(jié)合圖6中OTC對(duì)應(yīng)的與部分負(fù)荷及熱效率的關(guān)系示意圖，可以看出，鍋爐在低負(fù)荷下熱效率最高，可以達(dá)到108%左右，而在滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，鍋爐熱效率仍可達(dá)到96%以上。但在實(shí)際運(yùn)行中，低負(fù)荷和滿負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)段所占比例較少，忽略采暖方式、建筑保溫等影響因素，理論上鍋爐平均熱效率可達(dá)100%。

表1 全預(yù)混冷凝燃?xì)鉄崴疇t測(cè)試結(jié)果

圖5 戶外溫度與采暖水溫度關(guān)系及運(yùn)行時(shí)段示意

4 結(jié)論

測(cè)試結(jié)果表明，全預(yù)混冷凝燃?xì)忤T鋁鍋爐在各工況下熱效率均非常高，綜合熱效率在97%以上；同時(shí)排煙溫度低，僅高于回水溫度5℃以內(nèi)；燃燒產(chǎn)物中有害物質(zhì)NOx和CO的排放極低，均優(yōu)于國(guó)家及地區(qū)最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)（北京市規(guī)定新建鍋爐氮氧化物NOx排放≤30 mg/m3）。相比其他類型鍋爐，全預(yù)混冷凝鑄鋁鍋爐的綜合性能優(yōu)異。

圖6 全預(yù)混冷凝爐負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的熱效率

美國(guó)研究可以改變大型電網(wǎng)儲(chǔ)能的化合物

為了向用戶提供太陽(yáng)能和風(fēng)能等清潔能源，當(dāng)陽(yáng)光或者風(fēng)力不足的時(shí)候，需要一個(gè)可靠的備用儲(chǔ)能系統(tǒng)提供電能。

當(dāng)前，美國(guó)研究人員正在研發(fā)一種金屬氧化物團(tuán)簇化合物，它具有良好的電化學(xué)特性，其儲(chǔ)能能力約是當(dāng)前“氧化還原液流電池”電化學(xué)物質(zhì)儲(chǔ)能的兩倍。它通過(guò)儲(chǔ)能能源轉(zhuǎn)化成電能時(shí)，將攜帶相反電荷的化學(xué)溶液泵入固體電極，從而產(chǎn)生電子交換提供電力。這種被稱為新“氧化還原液流電池”的技術(shù)關(guān)鍵是尋找不僅能“攜帶”足夠的電荷，又能長(zhǎng)期儲(chǔ)存而不會(huì)降解的化學(xué)物質(zhì)，從而最大限度地儲(chǔ)能和發(fā)電，并最大限度地降低系統(tǒng)充電成本。這種新化合物將改變能源存儲(chǔ)的格局。

（美國(guó)ABC）