燃?xì)忮仩t煙氣余熱冷凝回收的研究與應(yīng)用

魏立全

摘 要：應(yīng)用煙氣余熱冷凝回收裝置能夠降低燃?xì)忮仩t的能源消耗?；诖?，本文闡述了冷凝器的低溫介質(zhì)、余熱回收系統(tǒng)、翅片管式冷凝換熱器余熱回收裝置的設(shè)計(jì)，同時(shí)，針對(duì)冷凝器的性能和效益進(jìn)行分析，通過計(jì)算燃?xì)忮仩t煙氣數(shù)據(jù)與余熱潛力數(shù)值，能夠分析出應(yīng)用冷凝器的燃?xì)忮仩t煙氣余熱回收效果。通過論述以上方法，來為技術(shù)人員提供一些參考。

關(guān)鍵詞：燃?xì)忮仩t；煙氣余熱；冷凝回收

中圖分類號(hào)：TK229.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）06-0007-02

如今，我國(guó)使用的燃?xì)忮仩t存在制造成本低，易遭受低溫腐蝕的問題，導(dǎo)致鍋爐的使用率只有理論應(yīng)用效率的80-90%。因此，將傳統(tǒng)的天然氣鍋爐設(shè)計(jì)成為冷凝式鍋爐能夠提升鍋爐的工作效率，產(chǎn)生很好的節(jié)能效果。在燃?xì)忮仩t的煙氣余熱系統(tǒng)中設(shè)計(jì)冷凝器，可以提高煙氣余熱的利用率，降低鍋爐的資源消耗，提升經(jīng)濟(jì)效能。

1 燃?xì)忮仩t的煙氣余熱研究

1.1 天然氣成分

一般來說，天然氣的低熱發(fā)熱量，高位發(fā)熱量為，二者差值為，這個(gè)數(shù)值就是水蒸氣汽化潛熱值。燃?xì)忮仩t的排煙溫度正常的情況下，水蒸氣處于過熱的狀態(tài)，鍋爐排煙流失的汽化潛熱值與發(fā)熱零的對(duì)比公式如下：

（1）

根據(jù)公式，可以計(jì)算出，就是指?jìng)鹘y(tǒng)的燃?xì)忮仩t每產(chǎn)生1Nm3的熱量，就會(huì)帶走11.4%的水汽汽化潛熱量。

同時(shí)，以天然氣的地位發(fā)熱值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，按照天然氣的最佳燃燒狀態(tài)，鍋爐產(chǎn)生的極限熱值為111.4%（標(biāo)準(zhǔn)值），就是指鍋爐中的煙氣水蒸中的余熱也被全部利用，這個(gè)時(shí)候的鍋爐利用率達(dá)到了100%。從側(cè)面反映出，燃?xì)忮仩t的煙氣余熱冷凝回收具有極大的潛力值。

1.2 燃燒產(chǎn)物的計(jì)算

燃燒產(chǎn)物是指天然氣在鍋爐內(nèi)部完全燃燒，完全燃燒產(chǎn)生的煙氣量為理論煙氣量，主要的成分為、、、。在進(jìn)行煙氣分析時(shí)候，會(huì)一同分析和，因此，統(tǒng)稱為三原子氣體。在實(shí)際燃燒過程中，為了保證燃燒質(zhì)量，實(shí)際和理論空氣量都需要大于1，如果燃燒完成后，出現(xiàn)剩余空氣，說明煙氣中還有氧氣，導(dǎo)致實(shí)際空氣量出現(xiàn)剩余現(xiàn)象。實(shí)際的煙氣量主要包括了燃燒出產(chǎn)物、剩余的空氣量，計(jì)算方法如下：

按照a=1.05-1.25，根據(jù)公式，可以計(jì)算，實(shí)際燃燒中的出天然氣的煙氣量為：[1] （2）

2 燃?xì)忮仩t煙氣余熱冷凝回收裝置的設(shè)計(jì)

2.1 煙氣余熱計(jì)算

以某高校的鍋爐房燃?xì)忮仩t為例，進(jìn)行計(jì)算。該校的鍋爐主要為食堂、教學(xué)樓、寢室、洗澡間供熱，蒸發(fā)量為2t/h，額定溫度為194℃，天然氣的耗量為150Nm3。當(dāng)a=1.1時(shí)，按照公式（2）計(jì)算出鍋爐每小時(shí)產(chǎn)生的空氣量和煙氣量數(shù)據(jù)如下：

容積分?jǐn)?shù)：氮?dú)?2.19；氧氣1.74；水蒸氣17.09；三原子氣體8.97；煙氣100；

摩爾質(zhì)量：氮?dú)?8.01；氧氣32.0；水蒸氣18.2；三原子氣體44.1，煙氣28.1；

質(zhì)量分?jǐn)?shù)素：氮?dú)?2.72；氧氣2.01；水蒸氣11.08；三原子氣體14.02；氧氣100。

按照數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)過量空氣的系數(shù)a=1.1時(shí)候，燃燒天然氣，額定工況每小時(shí)產(chǎn)生的煙氣含量為2178.8kg，水蒸氣的質(zhì)量為241.34kg。

該高校鍋爐每小時(shí)使用燃?xì)?50Nm3，燃料的地位發(fā)熱量為36.6MJ/Nm3。按照煙氣濕度和煙氣溫度計(jì)算公式：可知，鍋爐在滿載負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)候，產(chǎn)生的不同煙氣排放溫度和實(shí)際的排煙量的損失、冷凝器的參數(shù)設(shè)計(jì)相關(guān)，能夠產(chǎn)生不同的回收量，進(jìn)而提高燃?xì)忮仩t效率。數(shù)據(jù)如下：

排煙濕度180℃，熱量為1.114GJ，回收率為0，鍋爐效率提升0；

排煙濕度60℃，熱量為0.804GJ，回收率為0.31，鍋爐效率提升5.6；

排煙濕度50℃，熱量為0.778GJ，回收率為00.335，鍋爐效率提升6.1；

排煙濕度30℃，熱量為0.728GJ，回收率為0.386，鍋爐效率提升7.1[2]。

2.2 低溫介質(zhì)的選擇

上文提到的高校鍋爐需要全年運(yùn)行，每天的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為13個(gè)小時(shí)，為了確保師生熱水需求，鍋爐的溫度設(shè)計(jì)為40℃。鍋爐的溫度升高，產(chǎn)生大量的熱力消耗，以供水系統(tǒng)為例，將30t水從20℃上升到50℃，每天需要增加30.15GJ的熱量，煙氣排放量達(dá)到10.53GJ。因此，該鍋爐將洗澡水和鍋爐給水作為冷凝低溫?zé)嵩?。由于該地區(qū)的天然氣中不含有硫的成分，煙氣冷凝水的PH值在5.5左右，腐蝕度較低，可以使用碳鋼殼，將外殼底部鋼板傾斜成一定斜度，確保冷凝水流出換熱器，不會(huì)影響效果。

2.3 余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該校的鍋爐額定增發(fā)量為2t/h，為保證煙氣充分冷凝，需要將鍋爐的供水和洗澡水同時(shí)作為低溫?zé)嵩?。由于洗澡水開放的時(shí)間為3個(gè)小時(shí)，如果溫度沒有達(dá)到額定數(shù)值，可以采用蒸汽輔助加熱；鍋爐給水要在水泵功效下，完成循環(huán)流動(dòng)。在安裝冷凝換熱器后，排煙的溫度下降，煙氣也下降，需要借助引風(fēng)機(jī)來排煙。

為了進(jìn)一步測(cè)試出冷凝換熱器的回收效果，在換熱器的進(jìn)水口和給水系統(tǒng)進(jìn)水管道上，安裝計(jì)量器和溫度計(jì)量?jī)x，進(jìn)而監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

為方便同時(shí)加熱兩種用水，將冷凝式轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)為熱管組合式換熱器，使用不銹鋼熱管，功率為1.05kW。在鍋爐的給水一側(cè)擺放106根熱管，洗澡水一側(cè)擺放60根熱管，按照正三角形的方式搭建，計(jì)算功率計(jì)為173.5kW。

2.4 翅片管式冷凝換熱器余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

循環(huán)水的水量較大，為保證鍋爐的供熱能力，需要在間壁式換熱器加熱供暖回水，使冷凝水的溫度達(dá)到80℃，采暖回水的溫度為45℃。同時(shí)，循環(huán)水在流動(dòng)的過程中，需要很多的翅片管，阻力較大，維護(hù)成本和運(yùn)營(yíng)成本都很高，為此，按照熱負(fù)荷的計(jì)算，截取一部分的循環(huán)水在加熱后，重新返回供熱管道，繼續(xù)完成加熱。換熱器的管道較短，阻力小，可以不增設(shè)水泵，已經(jīng)被加熱的循環(huán)水依靠抽吸作用來實(shí)現(xiàn)混合，此外，該系統(tǒng)還需要設(shè)置風(fēng)機(jī)來輔助排煙。

3 燃?xì)忮仩t煙氣余熱冷凝回收裝置應(yīng)用效果分析

3.1 性能測(cè)試

通過對(duì)鍋爐系統(tǒng)的冷凝煙氣余熱回收裝置的設(shè)計(jì)，在安裝完成后，得出一些運(yùn)行數(shù)據(jù)：

日期1：入口煙氣溫蒂181.3℃，出口煙氣溫度38.5℃，冷凝水量為138kg/h，回收余熱量0.638Gj/h；

日期2：入口煙氣溫蒂176.1℃，出口煙氣溫度37.9℃，冷凝水量為143kg/h，回收余熱量0.658Gj/h；

可以看出，由于低溫?zé)嵩闯渥悖沟脽煔鉁囟认陆抵?0℃，能夠回收大量的煙氣，回收熱量占地位發(fā)熱量的10%左右，相當(dāng)于提高了10%的鍋爐效率。

3.2 效益分析

考慮到冷凝式換熱器的制造、安裝等費(fèi)用，鍋爐的冷凝器的預(yù)計(jì)投資為20萬(wàn)元，同時(shí)輔助排風(fēng)系統(tǒng)為4萬(wàn)元，系統(tǒng)的運(yùn)行成本有所增加。但可回收的余熱達(dá)到10%，天然氣的價(jià)格為2.8元/m3，采用冷凝換器回收的價(jià)值為18Nm3，能源價(jià)值為47.4元/h，在不考慮運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用基礎(chǔ)上，該校的鍋爐在滿載4921h后，能夠回收成本[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，利用燃?xì)忮仩t煙氣余熱冷凝回收裝置能夠提升鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)效益。在此基礎(chǔ)上，在換熱器的進(jìn)水口和給水系統(tǒng)進(jìn)水管道上，安裝計(jì)量器和溫度計(jì)量?jī)x，能夠監(jiān)測(cè)冷凝器的運(yùn)行數(shù)據(jù)；同時(shí)，將供暖回水作為低溫?zé)嵩?，回水溫度越低，水量越大，余熱回收的效果越好。因此，選擇合適的低溫介質(zhì)，強(qiáng)化余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠發(fā)揮燃?xì)忮仩t煙氣余熱冷凝回收裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]王璐.冷凝式節(jié)能器在燃?xì)忮仩t余熱回收中的應(yīng)用[J].中國(guó)設(shè)備工程，2017，（14）：202-203.

[2]馬有剛.煙氣余熱回收裝置在燃?xì)忮仩t中的應(yīng)用[J].石油技師，2017，（02）：55-57.

[3]陳沖.燃?xì)忮仩t煙氣余熱深度回收技術(shù)應(yīng)用[J/OL].機(jī)械研究與應(yīng)用，2016，（06）：169-170+173.