冷凝式鍋爐的節(jié)能參數(shù)分析及應(yīng)用

施全臻

上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司

0 前言

在國(guó)內(nèi)，燃燒天然氣的設(shè)備在運(yùn)行過程中因受露點(diǎn)腐蝕、磨損等方面的原因，其排煙溫度往往遠(yuǎn)超設(shè)備的設(shè)計(jì)值。普通的燃?xì)忮仩t排煙溫度一般在150℃～250℃以上，這一排煙溫度造成了鍋爐的效率普遍在80%左右。在燃燒過程中，由于天然氣成分的原因，煙氣中幾乎不含有SO2；氮氧化物排放量較燃煤降低45%、較燃油降低63%；CO2排放量比燃煤少52%、比燃油少26%。相較于一般燃料，由于天然氣中含有大量甲烷，導(dǎo)致其燃燒后排出的煙氣中含有大量的水蒸氣（容積成分接近20%），這部分水蒸氣中含有大量的潛熱，而這一潛熱占天然氣高位發(fā)熱量的比例為10%～11%。若不及時(shí)將這一熱量進(jìn)行回收利用，將間接造成鍋爐效率偏低，在同等熱量需求下，燃料耗量增大，造成能源浪費(fèi)和大氣環(huán)境污染。

冷凝式鍋爐是指在鍋爐燃燒做功的過程中，利用余熱提取技術(shù)將排煙溫度降至煙氣露點(diǎn)以下，將煙氣中的水蒸氣進(jìn)行凝結(jié)從而釋放提取其中的汽化潛熱。在鍋爐效率的計(jì)算過程中，若以燃料低位發(fā)熱量Qdw作為基準(zhǔn)，則冷凝式鍋爐的熱效率可達(dá)到100%以上[1-2]。

1 冷凝式鍋爐的工作原理和特點(diǎn)

在傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)中，由于運(yùn)行時(shí)排煙溫度過高，其煙道尾部受熱面一方面排煙溫度過高，一部分顯熱無(wú)法得到回收，并且，由于排煙溫度未降至露點(diǎn)溫度以下，水蒸氣不會(huì)產(chǎn)生冷凝，大量的汽化潛熱無(wú)法得到回收再利用。而在冷凝式鍋爐中，由于設(shè)定排煙溫度低于露點(diǎn)溫度，保證水蒸氣以冷凝式以釋放出汽化潛熱，使熱量得以回收，大幅提高鍋爐的熱效率。與此同時(shí)，由于煙氣中水蒸氣冷凝，將煙氣中的部分NOX、CO2溶解于水蒸氣中，減少了此類空氣污染物的排放，具有環(huán)保效益[3-4]。

冷凝式鍋爐具有如下特點(diǎn)：

（1）冷凝式換熱器材質(zhì)多變[5]

在冷凝式鍋爐中，大量水蒸氣冷凝，同時(shí)煙氣中的酸性氣體溶于水蒸氣中，使冷凝水具有酸性腐蝕的特性，會(huì)對(duì)換熱器產(chǎn)生腐蝕，因此在冷凝式換熱器中通常選材要求較一般換熱器高，需具有較強(qiáng)的防腐蝕能力，因此冷凝換熱器的制造成本較高。在冷凝式換熱器中，防腐材料多種多樣，包括鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼和蒙乃爾合金等多種形式。

（2）節(jié)能效果好

在冷凝式鍋爐中，為解決一般鍋爐排放大量汽化潛熱的問題，將煙氣溫度設(shè)定為露點(diǎn)溫度以下，以此提高鍋爐的熱效率[6-7]，充分回收利用煙氣的顯熱和水蒸氣的冷凝熱，使燃?xì)忮仩t效率提升至100%～110%[3]。

在以天然氣為燃料的鍋爐中，煙氣中水蒸氣的含量直接與燃料的原始組成以及鍋爐的排煙溫度密切相關(guān)[8-9]。當(dāng)燃料中H元素的含量大時(shí)，產(chǎn)生的水蒸氣量也會(huì)較多，此時(shí)，高、低位發(fā)熱量差值越大。其中天然氣等有機(jī)氣態(tài)燃料為最大，液態(tài)燃料依次減小，其汽化潛熱也逐次減少。

（3）良好的環(huán)保效益[10-12]

燃料在鍋爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的煙氣中常伴有NOX、SOX等酸性氣體和CO2等溫室氣體，若直接排放至大氣中會(huì)造成環(huán)境污染，而在冷凝式鍋爐中，由于會(huì)產(chǎn)生冷凝水，酸性氣體和溫室氣體會(huì)溶于水中，從而降低了負(fù)面氣體的直接排放，減弱對(duì)環(huán)境的污染。

（4）安裝位置可因地制宜

冷凝式節(jié)能器采用強(qiáng)化翅片換熱管結(jié)構(gòu)，翅片管外部走煙氣，管內(nèi)走水，同時(shí)冷凝式節(jié)能器本體結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間較小，安裝位置可因地制宜。

（5）冷凝式節(jié)能器屬低阻設(shè)備，系統(tǒng)阻力隨著煙氣流速的增加而增加。

冷凝式換熱器的類型見圖1，各種類的區(qū)別見表1：

圖1 接觸式余熱回收器類型

2 冷凝式鍋爐的煙氣分析及熱量回收計(jì)算

2.1 天然氣成分

上海市天然氣組成主要有東海平湖天然氣田，也是目前上海天然氣主要供氣氣源之一。其成分檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表1 冷凝式換熱器的種類及區(qū)別

表2 上海市天然氣組成成分

該天然氣的低位發(fā)熱量為Qdr=36.59MJ/Nm3，高位發(fā)熱量為Qgr=40.52 MJ/Nm3，兩者相差為3.93 MJ/Nm3，該差值即為煙氣中水蒸氣的汽化潛熱。在一般燃?xì)忮仩t排煙溫度下，水蒸氣仍處于過熱狀態(tài)，因而由鍋爐排煙所帶走的汽化潛熱占低位發(fā)熱量的比例可用式1求得。

對(duì)于東海天然氣而言，通過上式計(jì)算得出Δη=10.74%，即：傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t每燃燒1Nm3天然氣產(chǎn)生的水蒸氣帶走的汽化潛熱占燃?xì)獾蜔嶂礠dr的10.74%，這意味著在傳統(tǒng)鍋爐中，有很大的熱損失是由于水蒸氣中所含有的汽化潛熱造成的[13-15]。同時(shí)，該比例可用來表示若將該部分汽化潛熱利用，可以使鍋爐效率提高的百分比。

2.2 燃燒產(chǎn)物——煙氣成分計(jì)算

本文所指的煙氣是天然氣在鍋爐內(nèi)完全燃燒后的產(chǎn)物。供給鍋爐的空氣恰好完全滿足燃料燃燒所需時(shí)，此時(shí)的空氣量稱為理論空氣量，燃料完全燃燒產(chǎn)生的煙氣量為理論煙氣量。

在實(shí)際的鍋爐運(yùn)行中，為了保證燃料完全燃燒，實(shí)際空氣量與理論空氣量之比都是大于1的，該比例稱為過量空氣系數(shù)。在燃燒完成后，空氣會(huì)有剩余，此時(shí)煙氣中必然存在剩余的過量氧氣，這時(shí)的煙氣量稱為實(shí)際煙氣量。若燃燒不完全，煙氣中會(huì)含有CO、CH4和H2等未燃盡的可燃成分[16]。以上海天然氣為例，計(jì)算燃?xì)忮仩t燃燒后的理論空氣量、理論煙氣量及實(shí)際煙氣量，并對(duì)燃燒產(chǎn)物進(jìn)行分析。

2.2.1 理論空氣量

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1Nm3天然氣完全燃燒所需要的理論空氣量為：

式中，H2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C5H12、C6H14為天然氣各組分的容積分?jǐn)?shù)。

根據(jù)式2，可以計(jì)算得出，天然氣燃燒理論空氣量為V0k=9.68Nm3/Nm3

2.2.2 實(shí)際空氣量

為保證燃料燃燒效率，鍋爐實(shí)際送風(fēng)量大于理論空氣量，實(shí)際空氣量與理論空氣量的比值稱為過量空氣系數(shù)，用α表示。實(shí)際空氣量計(jì)算公式如式（3）：

以實(shí)際運(yùn)行過程中，燃?xì)忮仩t的過量空氣系數(shù)α一般為1.05～1.25，則根據(jù)式3，計(jì)算得出，天然氣燃燒所需實(shí)際空氣量Vk=10.16～12.1Nm3/Nm3

2.2.3 理論煙氣量

（1）三原子氣體體積

理論煙氣成分為C02、SO2、N2和H2O。在煙氣分析時(shí)，CO2和SO2的量經(jīng)常合在一起進(jìn)行，并且反應(yīng)生成CO2合SO2的化學(xué)反應(yīng)方程式也有諸多相似之處，因此CO2和SO2常常被統(tǒng)稱為三原子氣體，用RO2表示。

H2S、CmHn、CO、CO2——燃?xì)庵懈鞣N各組分的容積成分。

（2）水蒸氣體積

3）氮?dú)怏w積

4）理論煙氣量

2.2.4 實(shí)際煙氣量

實(shí)際煙氣量包含了天然氣燃燒后生成的產(chǎn)物及剩余的空氣量，實(shí)際煙氣量的計(jì)算如式8：

根據(jù)α=1.05～1.25，及式8計(jì)算得出，天然氣燃燒產(chǎn)生的實(shí)際煙氣量為Vy=11.184～13.12 Nm3/Nm3。

表3 東海天然氣燃燒所需的空氣量和生成的煙氣量(Nm3)

表4 煙氣中水蒸氣含量分析

圖2 煙氣中水蒸氣含量與空氣過量系數(shù)的關(guān)系

由圖2可知，煙氣中水蒸氣含量與空氣過量系數(shù)滿足以下關(guān)系式

Vw=-14.25α+4.25

式中Vw——煙氣中水蒸氣含量，%；

α——空氣過量系數(shù)。

2.3 冷凝式節(jié)能器熱量回收計(jì)算

燃?xì)忮仩t煙氣經(jīng)過冷凝式節(jié)能器后，溫度會(huì)降低到50℃以下，此時(shí)回收的熱量既包括顯熱量又包括潛熱量，很難分別單獨(dú)計(jì)算。因此，對(duì)于鍋爐出口煙氣在100℃以上時(shí)，未發(fā)生冷凝，節(jié)能器僅回收顯熱；對(duì)于煙氣溫度從100℃降到50℃時(shí)，節(jié)能器工作在濕空氣下既回收顯熱又回收潛熱。

節(jié)能器冷凝熱量計(jì)算[17]如下：

（1）煙氣顯熱回收量為

式中Qx——可回收的顯熱量，kW；

Vf——實(shí)際煙氣總體積，Nm3/h；

ρf——標(biāo)準(zhǔn)工況下煙氣密度，kg/Nm3；

Cpf——煙氣的定壓比熱，kJ/kg·℃；

tf0——煙氣在冷凝式節(jié)能器進(jìn)口溫度，℃；

tf——煙氣在冷凝式節(jié)能器出口溫度，℃；

（2）冷凝的水蒸氣容積（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）按式（10）計(jì)算：

VHO——水蒸氣容積，m3/m3；

Vy——煙氣容積，m3；

Ps——對(duì)應(yīng)溫度水蒸氣飽和壓力，Pa；

Py——煙氣壓力，Pa。

水蒸氣凝結(jié)液量按式11計(jì)算：

（3）煙氣潛熱回收量為

式中Qq——可回收的潛熱量，kW；

r——煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，kJ/kg；

（4）煙氣回收總熱量Q為：

2.4 冷凝式鍋爐的余熱回收案例

上海某燃?xì)忮仩t額定工況下每小時(shí)燃燒500 Nm3天然氣，上海市全年平均大氣壓力接近1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，以空氣系數(shù)α=1.1為例，此時(shí)煙氣露點(diǎn)為59℃，額定工況下每小時(shí)燃燒天然氣產(chǎn)生的煙氣質(zhì)量為7 243 kg。

表5 α=1.1時(shí)煙氣成分的百分?jǐn)?shù)

混合氣體煙氣的比熱根據(jù)各組分真實(shí)比熱和其質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照式求出

式中Cpf——煙氣的定壓比熱，kJ/kg·℃；

ri——煙氣各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

根據(jù)煙氣露點(diǎn)，分別取60℃、50℃、40℃三個(gè)不同的設(shè)計(jì)排煙溫度，及安裝冷凝式換熱器之前的正常排煙溫度180℃。查詢?cè)谶@些溫度下的煙氣的各成分的比熱，并且按照上式計(jì)算煙氣的定壓比熱容，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 煙氣的定壓Cp f

上海某燃?xì)忮仩t每小時(shí)燃燒500 Nm3天然氣，根據(jù)公式（9）得每小時(shí)煙氣可回收的顯熱量為1 443.240MJ。

通過查水蒸氣熱力學(xué)特性表，查找出在各個(gè)設(shè)計(jì)溫度下水蒸氣的飽和壓力，從而可以求得水蒸氣冷凝比例。當(dāng)煙氣在冷凝式節(jié)能器出口溫度為50℃時(shí)冷凝比例為28.27%；當(dāng)煙氣在冷凝式節(jié)能器出口溫度為40℃時(shí)冷凝比例為57.42%。根據(jù)公式（10）～（12）得煙氣在冷凝式節(jié)能器出口溫度50℃每小時(shí)水蒸氣的汽化潛熱量為552MJ；在冷凝式節(jié)能器出口溫度40℃每小時(shí)水蒸氣的汽化潛熱量為1 119.4MJ。

3 結(jié)論及建議

通過以上煙氣分析、熱量回收計(jì)算和節(jié)能改造實(shí)例可得出以下結(jié)論和建議：

（1）當(dāng)常規(guī)鍋爐增設(shè)冷凝式節(jié)能器后，排煙溫度仍不可無(wú)限制地降低。因?yàn)楫?dāng)排煙溫度較低時(shí)，會(huì)形成露點(diǎn)腐蝕，對(duì)換熱器有一定程度的影響，縮短使用壽命。因此，冷凝式換熱器常需采用耐腐蝕的材料，造成其制造成本較高。

（2）冷凝式鍋爐并非只是普通增設(shè)冷凝式換熱器就可以完成的，需通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從整體上進(jìn)行把關(guān)，綜合了燃料燃燒的控制力度、冷凝式換熱器防腐、煙氣分析、供熱模式轉(zhuǎn)化等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。

（3）在天然氣鍋爐中，由于增設(shè)冷凝式節(jié)能器后，其煙氣內(nèi)的水蒸氣得以冷凝而釋放出大量汽化潛熱，其熱量占比可達(dá)高位熱值的10%左右。并且，在冷凝水側(cè)，煙氣內(nèi)的酸性氣體與溫室氣體直接溶于冷凝水中，降低直接排放至大氣中造成的環(huán)境影響，可同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排和保護(hù)環(huán)境的作用。