浸沒式燃燒鍋爐的設(shè)計

李瑞宇

摘要：目前我國的環(huán)保政策日趨完善，工業(yè)企業(yè)中高污染、高能耗的設(shè)備已逐漸被燃燒清潔燃料的新型設(shè)備所取代，天然氣等清潔能源已成為工業(yè)企業(yè)的首選，但是天然氣的價格較昂貴，所以提高天然氣鍋爐的燃燒效率仍然是一個十分重要的問題。本文提出的浸沒式燃燒技術(shù)能夠預(yù)先將燃?xì)馀c空氣送入燃燒室，再將燃燒完全后的高溫?zé)煔鈬娙胍合鄥^(qū)達(dá)到液體與高溫?zé)煔庵苯訐Q熱從而與液體二次換熱。通過實驗與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析得知，此技術(shù)具有節(jié)省制造成本、傳熱效率高、能源利用率高、對鍋爐的腐蝕性小等優(yōu)點。

Abstract： At present， China's environmental protection policy is becoming more and more perfect. The equipment with high pollution and high energy consumption in industrial enterprises has been gradually replaced by new equipment that burns clean fuel. Clean energy such as natural gas has become the first choice of industrial enterprises， but the price of natural gas is relatively expensive， so increasing the combustion efficiency of natural gas boilers remains a very important issue. The immersion combustion technology proposed in this paper can send gas and air into the combustion chamber in advance， and then spray the high-temperature flue gas after combustion into the liquid phase to directly exchange heat between the liquid and the high-temperature flue gas to exchange heat with the liquid. Through experiments and technical economic analysis， this technology has the advantages of saving manufacturing cost， high heat transfer efficiency， high energy utilization rate， and low causticity to the boiler.

關(guān)鍵詞：沉浸式燃燒;天然氣鍋爐;燃燒技術(shù);燃燒效率

Key words： immersed combustion;natural gas boiler;combustion technology;combustion efficiency

中圖分類號：TK229.8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）20-0178-03

0 ?引言

天然氣鍋爐因具有設(shè)計投資小、運(yùn)行調(diào)節(jié)方便、清潔性好、易滿足環(huán)保要求等優(yōu)點被用戶青睞[1]。

在用天然氣相對其它固體燃料具有雜質(zhì)含量很少、低磨損、少結(jié)渣等優(yōu)點，且能夠更好的提高鍋爐受熱面的煙氣流速，而被廣大用戶積極采用[2]。而國內(nèi)在用燃?xì)忮仩t中保溫性能較好的熱效率可達(dá)90%以上（低位熱值），但由于其價格相對昂貴（約為煤5倍、輕柴油1.5倍），所以如何提高然氣鍋爐熱效率極為重要。

提高鍋爐熱效率，就必須減少各種熱損失。對于燃?xì)忮仩t，由于氣體燃盡時灰分基本為零，更無固體、液體燃料的機(jī)械不完全燃燒現(xiàn)象，故機(jī)械不完全燃燒熱損失q4、灰渣物理熱損失q6均為零;在鍋爐正常運(yùn)行的情況下，化學(xué)不完全燃燒熱損失q3接近于零;散熱損失q5和鍋爐的爐型及維護(hù)結(jié)構(gòu)有關(guān)，對于燃?xì)忮仩t，一般均為小型快裝鍋爐，外表面積較小，并采用了高熱阻及封閉的外罩殼作為保溫層，q5也不大，并且隨鍋爐容量的增大而減少，如2.8 MW熱水鍋爐的q5約為2%。因此燃?xì)忮仩t最主要熱損失是排煙熱損失q2。所謂排煙熱損失是指煙氣離開末級受熱面帶走的熱量，對鍋爐排煙溫度的高低起決定性作用。

排煙熱損失是降低鍋爐效率的主要因素。若采用常規(guī)的鍋爐設(shè)計技術(shù)，不加裝節(jié)能器，6t/h以下的鍋爐尾部煙溫達(dá)300℃，10t/h以下的鍋爐尾部煙溫在230℃左右，而20t/h的鍋爐尾部煙溫也高達(dá)200℃。此外，由于天然氣燃料含氫量大，經(jīng)驗分析每產(chǎn)生10萬大卡的熱量所產(chǎn)生的水蒸氣相對燃煤工業(yè)鍋爐多2倍，較重油高46%左右。又由于標(biāo)況下水在100℃時汽化，而目前大多數(shù)燃?xì)忮仩t煙溫均超過200℃，因此水蒸氣汽化潛熱歲尾部煙道損失掉而無法回收。又因水蒸汽凝結(jié)會放出大量的熱量，如果采用浸沒式燃燒技術(shù)將排煙溫度降低到40℃，不但可以減低排煙熱損失，還可以回收大量的水蒸汽凝結(jié)所釋放的汽化潛熱，使鍋爐的效率大幅度提高。吉林省能源研究所曾對一臺采用浸沒式燃燒技術(shù)的2t/h天然氣鍋爐進(jìn)行了熱工測試，其熱效率高達(dá)98%，若按考慮水蒸汽的凝結(jié)熱計算，其鍋爐熱效率達(dá)103%。所以，采用浸沒式燃燒技術(shù)可以極大地提高鍋爐熱效率，節(jié)約大量的資金，值得大力推廣。

1 ?概述

浸沒式燃燒是一種新型的燃燒技術(shù)，能夠預(yù)先將燃?xì)馀c空氣送入鍋爐的燃燒室完全燃燒，再將燃燒完全后的高溫?zé)煔鈬娙胍合鄥^(qū)，從而達(dá)到與液體的二次換熱目的。

浸沒式燃燒過程屬無焰燃燒的一種，而其換熱方式屬直接接觸式換熱。此種燃燒方式的早期應(yīng)用在于解決鍋爐間壁式換熱的問題，主要如下：

①氣體對流換熱系數(shù)較小，同等出力下所需傳熱面多。

②設(shè)備大且傳熱系數(shù)較小，投資大。

③加熱或蒸發(fā)易結(jié)晶、易結(jié)垢、粘稠的液體時，接觸壁面易產(chǎn)生水垢，降低設(shè)備熱效率，甚至引起安全事故。

④排出的煙氣溫度高，熱損失大，不安全。

⑤設(shè)備效率低，能耗高。

浸沒式燃燒（直接接觸式換熱），具有優(yōu)點如下：

①傳熱面不固定，解決了間壁式換熱器傳熱面的腐蝕、結(jié)垢、結(jié)晶等問題。適用于蒸發(fā)或加熱腐蝕性強(qiáng)、粘稠、易結(jié)垢和易結(jié)晶的液體。

②高溫?zé)煔饨?jīng)液體鼓泡流出，從而能夠使氣液兩相流充分接觸換熱。又由于氣液混合時攪動強(qiáng)烈，大大增加了氣液間的換熱面，從而強(qiáng)化換熱過程，能夠使高溫的煙氣余熱以最大限度給液體加熱，達(dá)到降低排煙溫度的目的，其熱效率則遠(yuǎn)高于間壁式換熱器。以鍋爐為例，采用浸沒式燃燒技術(shù)的鍋爐其熱效率（低位熱值）可高達(dá)103%。

浸沒燃燒方式因具有上述諸多優(yōu)點，極大的提高了能源使用率，至使其已成為節(jié)能的重要措施之一。

2 ?浸沒式燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

目前，在鍋爐上應(yīng)用的浸沒式燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有以下兩種：

2.1 填充層型浸沒式燃燒系統(tǒng)

如圖1所示，其殼體多由耐熱玻璃所制，并在內(nèi)部填充拉希環(huán)。工作原理如下：

高溫?zé)煔膺M(jìn)入燃燒室6后，經(jīng)氣體分配器由下往上過填充層。液體則經(jīng)液體分配器自上往下噴淋，穿過填充層。二者于填充層中相互混合進(jìn)行接觸式換熱。換熱過程主要受以下幾個因素影響：

①填充物的比表面面積，即單位體積填充物所具有的表面積。它為氣液兩相提供接觸面。比表面積與填充物的形狀、大小有關(guān)。

②液氣比，即噴淋液體量與燃燒產(chǎn)物量之比。選用合適的液氣比可以保證濃氣充分接觸。當(dāng)噴淋液體量過小，液體有可能不能淋過全部填充物表面積，從而使之與氣體接觸面減小，即減少了傳熱面積。因此，液氣比的大小直接反映傳熱效率的高低。

③氣體空塔速度與進(jìn)氣量和塔徑相關(guān)?？紤]壓力損失后適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣速度可保持氣液兩相流持續(xù)并充分接觸，從而最大增強(qiáng)換熱面積提高傳熱效率。

④液相噴淋分布情況很大程度影響換熱過程。當(dāng)液相噴淋不均時，填充物局部未能潤濕，則換熱效率降低。當(dāng)液相自上而下噴淋時，由于動力粘度相對氣相較大易沿壁面流動，因此合理的填充物布置和排列也尤為重要。

上述結(jié)構(gòu)阻力小且效率極高，但其缺點為設(shè)備產(chǎn)能小，對比同等處理量設(shè)備，其體型較大。

2.2 多孔板型浸沒燃燒裝置

多孔板型浸沒燃燒系統(tǒng)如圖2所示。

在塔式裝置內(nèi)裝有多孔板，液體由塔頂自上而下噴淋，并沿多孔板小孔下沉。熱煙氣則從塔底送入，經(jīng)多孔板小孔上升到液相層。氣液沿孔板流動的情況也會隨塔內(nèi)兩相流的變化狀況處于不斷變化之中。

液體由于堆積在某一時刻由多孔板部分開孔處向下流動，煙氣則經(jīng)過多孔板另外部分開孔處向上流動。流經(jīng)氣體多孔板開孔周圍時，多孔板上氣波相即泡沫層高度將逐漸增高。

當(dāng)壓力增加到能夠使多孔板上的液體靜壓與氣體自身壓力之和大于多孔板下氣壓時，液體則通過此氣流孔向下流;當(dāng)流經(jīng)液體的多孔板開孔周圍時，液體不斷下流使多孔板上部氣液相高度慢慢降低，當(dāng)多孔板下方煙氣壓力大于上部氣壓與水靜壓之和時，煙氣則由此開孔強(qiáng)制向上流動，進(jìn)一步液相與氣相順次自動交換，并與柵板的泡沫層直接接觸。在泡沫層中，氣液的交替流動多孔板的氣液兩相接觸面能夠不斷更新，能夠為強(qiáng)化換熱提供極有利條件。

因此，決定此種強(qiáng)化換熱的主要因素為兩相流體力學(xué)性狀及多孔板性能，而兩相流又隨氣液流量、氣液性質(zhì)及孔板結(jié)構(gòu)等因素變化。包括多孔板的孔徑、開孔率、泡沫層高度、節(jié)距、板厚度、空塔速度、波氣比、煙氣及液體特性等。

合理的設(shè)計取決于多孔板結(jié)構(gòu)及液氣比，但與填充式浸沒燃燒裝置相比，多孔板型浸沒燃燒裝置生產(chǎn)量比較大，故而此種裝置可操作性差、控制范圍窄。氣、液量的變化也會直接決定兩相流換熱狀況，以至于可能超出正常適用狀態(tài)，造成傳熱惡化。

3 ?浸沒燃燒的裝置能否對鍋爐產(chǎn)生腐蝕探討

采用浸沒式燃燒裝置可以極大地提高鍋爐熱效率，但是由于在鍋爐，熱水和煙氣直接接觸，因此采用此技術(shù)后能否對鍋爐的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響是一個人們普遍關(guān)心的問題。表1給出了大慶油田的天然氣成分分析（取自長春鍋爐廠熱力計算書）。

文獻(xiàn)[3]又給出了兩鍋爐常用氣體燃料的成分見表2。

不難看出天然氣中幾乎不含硫元素，所以冷凝水回收裝置產(chǎn)生的熱水基本呈中性，對鍋爐運(yùn)行不會產(chǎn)生影響。即使個別油田的天然氣含有微量的硫元素，進(jìn)入鍋爐的熱水也只能呈極弱的酸性，對鍋爐運(yùn)行不但無害，反而有利，其原因分析如下：

眾所周知，工業(yè)鍋爐的給水品質(zhì)較差，硬度大，很容易在受熱面上形成鈣鎂水垢。水垢是鍋爐發(fā)生過熱爆管的根本原因。如果鍋爐給水呈弱酸性，可以發(fā)生以下反應(yīng)：

CaCO3+2H+→Ca+H2O+CO2

MgCO3+2H+→Mg+H2O+CO2

可見，此時給水可以起到去除水垢的作用，不會影響，反而有利于鍋爐的安全運(yùn)行。而且，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，常規(guī)鍋爐運(yùn)行時鍋水的pH值須？叟12，也就是說鍋水呈現(xiàn)很強(qiáng)的堿性，即使冷凝水呈弱酸性也不會對鍋水的堿度有任何影響，可以保障鍋爐的正常運(yùn)行。

4 ?技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

本文以一臺經(jīng)吉林省能源研究所測試的2t/h天然氣鍋爐（多孔板型浸沒燃燒裝置）為例進(jìn)行探討。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，如果不采用冷凝水回收裝置其排煙大約在180℃左右，效率為88%（低位熱值）;而在鍋爐尾部安裝冷凝水回收裝置后，經(jīng)測試效率提高到103%（低位熱值），增加了15%。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，一般天然氣的發(fā)熱量為36533kJ/m3，蒸發(fā)量為2t/h的天然氣鍋爐每小時要消耗大約150m3天然氣。由于鍋爐效率增加了15%，所以每小時節(jié)約天然氣22.5m3。每立方米天然氣按1.5元計算，每小時節(jié)約燃料費34元。按每天運(yùn)行12小計算，則每天節(jié)約408元，一年可節(jié)約成本408×365=14.9萬元。也就是說，一年可以節(jié)約大約15萬元的運(yùn)行費用，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

5 ?結(jié)論

①由于浸沒式燃燒法中高溫?zé)煔庵苯优c液體接觸，因此不需要布置管式受熱面。與常規(guī)鍋爐相比，可以節(jié)約大量的鋼材，大大降低鍋爐的制造成本。

②由于浸沒式燃燒法中高溫?zé)煔庵苯优c液體進(jìn)行傳熱與傳質(zhì)，煙氣在液體中形成強(qiáng)烈的攪動，故傳熱及傳質(zhì)面積大，速度快，傳遞能力大，傳熱系數(shù)是常規(guī)鍋爐的5～10倍。一般來說，浸沒式燃燒鍋爐的體積只有常規(guī)鍋爐的1/5左右，而且內(nèi)部也沒有管式受熱面，因此制造成本遠(yuǎn)低于常規(guī)鍋爐大約只有常規(guī)鍋爐的1/10左右。因此，可以考慮全部采用不銹鋼來制造。

③由于浸沒式燃燒法中高溫?zé)煔庵苯优c液體進(jìn)行傳熱與傳質(zhì)，故傳熱質(zhì)面積大，速度快，傳遞能力大，排煙溫度極低，能充分利用煙氣中水蒸汽的汽化潛熱，鍋爐效率極高（低位熱值熱效率可達(dá)103%）。

④根據(jù)上文對鍋爐腐蝕問題的討論可知，采用浸沒式燃燒法對鍋爐運(yùn)行不但無害，反而有利，值得大力推廣。

⑤就浸沒式燃燒裝置的結(jié)構(gòu)而言，填充層式和多孔板式燃燒裝置各有其優(yōu)缺點，填充層式燃燒裝置占地面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價略高。但是這種燃燒裝置換熱效果好，操作簡單。多孔板式燃燒裝置體積小，結(jié)構(gòu)簡單，造價較高。但是其操作復(fù)雜，傳熱效果也略低于填充層式。作為初次采用浸沒式燃燒技術(shù)的單位，以采用填充層式燃燒裝置為宜。

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