冷凝燃氣鍋爐的設(shè)計及應(yīng)用研究

何爭艷

（湖南省特種設(shè)備檢驗檢測研究院，湖南長沙 410117）

0 引言

在可持續(xù)戰(zhàn)略實施之下，節(jié)能減排成為了社會上的一個熱門問題。隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷變化，天然氣這種清潔能源在社會發(fā)展中發(fā)揮了重大作用。在相關(guān)的政策實施下，我國天然氣獲得了快速發(fā)展，這為燃氣鍋爐的發(fā)展打下了堅實基礎(chǔ)。冷凝燃氣鍋爐因為提升能源利用率，減少污染物的排放，受到了行業(yè)與社會消費者的關(guān)注，同時也被各個行業(yè)和領(lǐng)域廣泛使用，為行業(yè)各個群體帶去便利。因此，對冷凝燃氣鍋爐的設(shè)計與應(yīng)用進行分析有一定現(xiàn)實意義。

1 冷凝燃氣鍋爐特點

冷凝燃氣鍋爐就是指冷凝式的燃氣鍋爐，一般分為民用與商用兩種（圖1）。冷凝鍋爐的關(guān)鍵與特點在于冷凝技術(shù)，這是一種新型節(jié)能與環(huán)保的技術(shù)。在冷凝燃氣鍋爐的工作中，其是經(jīng)過一定裝置把鍋爐燃燒之后排放的熱氧氣能量回收，經(jīng)過回收之后的排煙溫度約60 ℃，這樣可以提升熱效率，節(jié)省燃氣。在回收過程中還可以降低有害氣體的排放量，減少對環(huán)境的污染。

圖1 冷凝燃氣鍋爐

冷凝式燃氣鍋爐之所以有著極高的熱效應(yīng)和節(jié)能效果，其主要原因有以下2 個方面：一是顯熱回收，冷凝鍋可以減低鍋爐排煙溫度，減少燃料燃燒損失，回收了煙氣中的顯熱。這樣就能有效提升鍋爐熱效率。在設(shè)計普通的熱水鍋爐時，為了預(yù)防煙氣露點腐蝕，排煙溫度一般在160 ℃，排煙熱損失7%。但是冷凝燃氣鍋爐使用了新型耐腐蝕材料，讓鍋爐在設(shè)計時不會受到煙氣露點的影響；二是潛熱回收，煙氣露點溫度是指煙氣中水蒸汽分壓力之下的飽和溫度，如果鍋爐排煙溫度在煙氣露點溫度之下，則煙氣中水蒸汽會開始凝結(jié)，進而釋放汽化潛熱。汽化潛熱是燃料的高位熱值與地位熱值差，天然氣汽化潛熱占了低位熱值11%左右。如果煙氣全部冷凝，則汽化潛熱會被回收，鍋爐熱效率也會有所提升。

2 冷凝燃氣鍋爐的設(shè)計要點

2.1 換熱面積和換熱方式

設(shè)計冷凝燃氣鍋爐時，如果把鍋爐排放煙氣溫度下降到60 ℃，實現(xiàn)冷凝效果，就要加大換熱面積。在這其中并不是簡單地增加設(shè)備體系、擴大傳熱面積，而是提高設(shè)備體積輸熱面積。在這其中可以對原始鍋爐結(jié)構(gòu)做好優(yōu)化，運用肋片管、波紋管等換熱面。在實際工作中要研究對傳熱面積的優(yōu)化，從而擴大傳熱面積。經(jīng)常運用的措施就是擴大換熱器，以此縮小鍋爐體積。而對于換熱模式而言，逆流換熱時水流出口溫度才會在超出煙氣出口溫度，這一點是順流換熱沒有辦法達到的。所以，設(shè)計鍋爐時，要把換熱器轉(zhuǎn)變成逆流的模式。加強流體速度是做好傳熱有效方式，在擴大傳熱面積時，減少鍋爐水容量，增快水流速，優(yōu)化水流動狀況，提升紊流脈動性。通過這種方式能夠加強對流換熱系數(shù)，進而實現(xiàn)傳熱目標(biāo)。設(shè)計換熱器時，需要考慮以上相關(guān)因素，才能夠?qū)崿F(xiàn)很好的冷凝效果。

2.2 防腐措施

在燃氣鍋爐中，每立方天然氣燃燒以后基本會生成1.55 kg水蒸汽。水蒸汽在液化成水時，會溶解煙氣包含的物質(zhì)如氮氧化物等，讓冷凝水具備一定酸性，其酸堿值一般是3～5，所以對鍋爐殼有一定腐蝕影響。因此，在設(shè)計鍋爐換熱器時，盡量要使用不銹鋼等相關(guān)性能相對好的材料。如果采用常見鋼板這些材料，將會嚴重影響鍋爐的使用壽命。一些非冷凝的鍋爐，在設(shè)計時把排煙溫度規(guī)劃到了150 ℃之上，沒有兼顧吸收水蒸汽時候會釋放熱能，未能形成冷凝水，因此不會發(fā)生上面這些的問題。

2.3 空氣預(yù)混

要想創(chuàng)造新型燃氣鍋爐，需要使用空氣預(yù)混技術(shù)。此項技術(shù)能夠加強效果，提高其工作質(zhì)量和水平，同時還可以降低氮氧化物。設(shè)備運行中，空氣和燃料依次輸送到燃燒室燃燒，在此過程中會有過量空氣系數(shù)大等相關(guān)問題，進而降低燃燒效率。100%空氣預(yù)混技術(shù)的運用，把空氣與燃料依據(jù)一定配比混合以后進入燃燒室，這種方式能減少空氣需量。在以往的鍋爐中，空氣過量系數(shù)通常為1.5，也就是1 m3天然氣需要有15 m3空氣助燃?，F(xiàn)在空氣過量系數(shù)可設(shè)定在1.2 左右，也就是1 m3天然氣燃燒要有12 m3空氣助燃，這樣可以降低3 m3損失?？諝膺^量較小時，煙氣里水蒸汽會增多，水蒸汽比重較大，煙氣露點也會有所上升，讓煙氣快速轉(zhuǎn)成冷凝模式、釋放潛熱。因為煙氣中水蒸汽比重的估測較難，而測量煙氣中的CO2量能夠反映出露點溫度變化。煙氣中CO2含量高，過量空氣會降低，露點溫度越高，冷凝就越多。煙氣中CO2含量低時，過量空氣量提升，露點溫度變低，冷凝就越少。天然氣燃燒后產(chǎn)生的有毒氣體主要是CO 與NOx，在燃燒時煙氣中CO 量較低，不過NOx控制工作比較復(fù)雜，在太陽照耀下大氣中的NOx和單碳氧化合物會發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生一些有害物質(zhì)并出現(xiàn)光化學(xué)煙霧（一種對環(huán)境有嚴重污染的物質(zhì)）。降低NOx含量、優(yōu)化燃燒方式，也可以設(shè)法清除煙氣中的NOx，讓煙氣凈化后再排出。

2.4 比例調(diào)節(jié)

以往鍋爐中只存在開啟與停運狀態(tài)、鍋爐小火和大火狀況，這種簡單狀態(tài)難以達到預(yù)期效果。設(shè)計冷凝燃氣鍋爐時，還要使用調(diào)節(jié)技術(shù)，這樣可以依據(jù)熱負荷實際情況，讓設(shè)備自己控制火焰大小，使其始終保持最好的比例狀態(tài)中。使用這項調(diào)節(jié)技術(shù)，能夠把傳統(tǒng)鍋爐中大火燃燒與頻繁啟動停運狀態(tài)，優(yōu)化鍋爐負荷，降低出力，增多設(shè)備工作時間，控制啟動與停止次數(shù)，從而達到節(jié)能目標(biāo)，這種技術(shù)是在空氣預(yù)混技術(shù)基礎(chǔ)上，運用無極變速風(fēng)機，把混合好的燃氣與空氣送入鍋爐中燃燒，保障空氣中CO2含量在合理范圍中。依據(jù)鍋爐熱負荷需要調(diào)節(jié)風(fēng)機工作速度，控制鍋爐出力。如果不使用空氣預(yù)混技術(shù)，鍋爐火焰大小也能夠有效控制，但是燃料與空氣比例卻沒有辦法維系穩(wěn)定狀態(tài)。通常情況下，空氣量是依據(jù)大火燃燒情況設(shè)置的，這樣就讓鍋爐小火燃燒時過量空氣太多、效率下降低，無法達到冷凝需求。

3 冷凝燃氣鍋爐的實際應(yīng)用研究

在西部氣田開發(fā)的帶動下，天然氣這種高熱值的清潔能源會被越來越廣泛地使用。未來幾年，我國雖然依然是以燃煤為主，但是煤炭在能源消耗中的比例在不斷下降，而燃油與燃氣的比例將會大幅增加，與其配套的設(shè)備也會大規(guī)模增加。以天然氣作為主要燃料的鍋爐，運行時排放的煙氣有著極高的溫度，其中水蒸汽（約19%）是氬氣熱量的主要載體，這部分熱量需要進行回收。冷凝燃氣鍋爐是在燃氣非凝結(jié)鍋爐基礎(chǔ)上，在煙道中加入了回收水蒸汽汽化潛熱的換熱器，這樣可以回收余熱、提升鍋爐效率，同時還可以吸收煙氣中酸性物質(zhì)，減少環(huán)境污染。當(dāng)前的凝結(jié)燃氣鍋爐容量較小，主要用于民用。而在西氣東輸?shù)沫h(huán)境下，發(fā)電方面的大容量冷凝式燃氣鍋爐會得到廣泛運用。在實際運用過程中，為了獲得更高的鍋爐效率，合理降低鍋爐出水溫度是十分重要的，一般情況下出水溫度保持在60～70 ℃。例如，一臺90 kW 的冷凝鍋爐，功率是100%、鍋爐出水溫度70 ℃時，效率大概是98%；而在功率是30%、出水溫度30 ℃時，熱效率可以高達108%。在這個過程中要保障較低的回水溫度，回水溫度越低，則效率就越高。因此，只強調(diào)冷凝鍋爐最高值是不正確的，冷凝鍋爐實際運用熱效率取決于運用條件，這在設(shè)計選型時需要認真考慮。冷凝鍋爐可以使用在中央空調(diào)或生活熱水中，其在泳池地采暖等低溫加熱系統(tǒng)中熱效率可以實現(xiàn)最理想值。在一些國外地區(qū)經(jīng)常使用的壁掛冷凝鍋爐與落地鍋爐，壁掛鍋爐作用在于家庭與小型商業(yè)供熱系統(tǒng)中，也能夠多臺聯(lián)機使用在大的供熱系統(tǒng)中（圖2）。落地式鍋爐經(jīng)常用在一些大型供熱系統(tǒng)，也可以多臺聯(lián)機后用在更大的供熱系統(tǒng)。

圖2 壁掛冷凝鍋爐

4 結(jié)束語

在環(huán)保意識不斷加強和社會產(chǎn)業(yè)發(fā)展之下，冷凝燃氣鍋爐的運用逐漸廣泛。在設(shè)計冷凝燃氣鍋爐時，需要合理運用預(yù)混技術(shù)、防腐技術(shù)以及比例調(diào)節(jié)等相關(guān)技術(shù)，以此來讓冷凝燃氣鍋爐更加完善與高效。從這些技術(shù)上設(shè)計高效的冷凝燃氣鍋爐，促使其功能更加符合人們的運用需求，提升鍋爐工作效率，保障人們的正常生活與工作，進而促使整個行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。