冷凝式燃?xì)忮仩t的冷凝熱回收研究

吳文漪

上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司上海卷煙廠

0 引言

冷凝式鍋爐是利用高效的煙氣冷凝余熱回收裝置來吸收鍋爐尾部排煙中的顯熱和水蒸氣凝結(jié)所釋放的潛熱，以達(dá)到提高鍋爐熱效率的目的。在傳統(tǒng)鍋爐中，排煙溫度一般在160～250℃，甚至更高，使得燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的水在煙氣中處于過熱狀態(tài)的水蒸氣，隨煙氣從煙囪中流失。傳統(tǒng)鍋爐熱效率一般只能達(dá)到85%～91%。而冷凝燃?xì)忮仩t，它把排煙溫度降低到50～70℃，充分回收了煙氣中的顯熱和水蒸氣的凝結(jié)潛熱，熱效率大幅提高。

冷凝式燃?xì)忮仩t在國外已發(fā)展了近30年，國外一些公司和研究單位對冷凝式燃?xì)忮仩t的節(jié)能特性進(jìn)行了大量的研究。美國Hydrotherm公司[1]在有人居住的住宅及實(shí)驗(yàn)室中測量了用于熱水供應(yīng)及室內(nèi)采暖的一體化燃?xì)夤┡到y(tǒng)的性能，并用理論和實(shí)驗(yàn)的方法研究了冷凝式燃?xì)忮仩t的節(jié)能特性。英國燃?xì)夤荆℅as Corporation Watson House）的科學(xué)家M.Searle[2]分析了鍋爐的容量比、點(diǎn)火方式和散熱器類型對冷凝式燃?xì)忮仩t節(jié)能特性的影響，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對平均年效率進(jìn)行了多項(xiàng)式回歸分析。英國謝菲爾德大學(xué)Qun Chen團(tuán)隊(duì)[3]，研究在40 MW大規(guī)模應(yīng)用冷凝鍋爐集中供熱系統(tǒng)中加入冷凝設(shè)備的可行性。研究表明，回收的水蒸氣潛熱使鍋爐的熱效率提高顯著。Dan Teodor等人[4]對冷凝式鍋爐在實(shí)際運(yùn)行工況下的熱效率表現(xiàn)及其能源經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。其研究表明，冷凝式鍋爐每年節(jié)省17.5%的燃料在現(xiàn)實(shí)操作條件下是可能的。針對冷凝式鍋爐常見的酸性冷凝水與換熱器接觸的腐蝕問題，R.Trojanowski等人[5]研究了聚合物在冷凝熱交換器中的應(yīng)用。

我國隨著節(jié)能和環(huán)保意識的增強(qiáng)，在上世紀(jì)90年代中期才逐步開始對煙氣冷凝換熱機(jī)理有了初步的研究，相對于歐洲國家晚了30年左右。重慶建筑大學(xué)[6]對冷凝式燃?xì)鉄崴鞯臒峁ば阅苓M(jìn)行了理論分析和對比試驗(yàn)，結(jié)果表明冷凝式燃?xì)鉄崴鞅绕胀ㄐ腿細(xì)鉄崴鳠嵝士商岣?2.39%。北京建筑工程學(xué)院[7][8]在2.1 kW天然氣鍋爐尾氣煙道上安裝了冷凝式換熱器，進(jìn)行熱回收實(shí)驗(yàn)和環(huán)保分析，通過冷凝式換熱器回收煙氣中的潛熱和顯熱，提高熱效率5%，NOx去除率為8.7%。西安交通大學(xué)查爽[9]利用現(xiàn)成的壁掛鍋爐尾部加翅片管式換熱器進(jìn)行了煙氣冷凝換熱特性實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要處理得到了鍋爐熱效率與回水溫度、排煙溫度、過?？諝庀禂?shù)和冷凝液量間的關(guān)系。南華大學(xué)寇廣孝等[10]以我國典型燃料為例，利用鍋爐熱平衡原理，分析了不同燃料冷凝式鍋爐提高熱效率最大潛力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)侯麗娟[11]研究了大容量冷凝式燃?xì)鉄崴仩t的熱力學(xué)性能，鍋爐排煙溫度由約120℃降到低于60℃，鍋爐熱效率提高約5%，鍋爐系統(tǒng)水阻力降低0.03 MPa。西安交通大學(xué)車得福團(tuán)隊(duì)[12]對天然氣鍋爐改造為冷凝式鍋爐的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究及評價(jià)。

冷凝式燃?xì)忮仩t是通過回收排煙中水蒸氣的汽化潛熱來減少排煙熱損失的，因此單位燃?xì)馊紵a(chǎn)生的煙氣經(jīng)冷凝換熱后所得到的冷凝液質(zhì)量的多少能反映鍋爐節(jié)能能力的高低。在對冷凝式燃?xì)忮仩t的排煙熱損失進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須知道冷凝液的質(zhì)量，而冷凝液的冷凝和煙氣的成分，與露點(diǎn)溫度有關(guān)，降低排煙溫度的同時(shí)可以回收煙氣的潛熱和顯熱，但產(chǎn)生的大量冷凝水、CO2和NOX的原因會含有一定的酸性，是否會帶來腐蝕是關(guān)鍵問題。所以，本文采用理論和試驗(yàn)對上述問題進(jìn)行了分析，并研究了安裝冷凝器的燃?xì)忮仩t熱效率的提升情況。

1 冷凝液產(chǎn)量的影響因素分析

1.1 煙氣成分對冷凝液產(chǎn)量的影響分析

天然氣燃燒形成煙氣與天然氣自身成分有密切關(guān)系。東海平湖天然氣田是目前上海天然氣主要供氣氣源之一，其成分檢測數(shù)據(jù)如表1。

煙氣冷凝前水蒸氣含量理論計(jì)算見表2，由表可知，煙氣中水蒸氣的含量在15%～18.6%之間，隨過量空氣系數(shù)的增加而減少。露點(diǎn)溫度隨過量空氣系數(shù)的增加而降低。

1.2 煙氣露點(diǎn)溫度對冷凝液產(chǎn)量的影響分析

表1 東海平湖天然氣組成成分

表2 煙氣水蒸氣含量分析

煙氣冷凝是發(fā)生在換熱器壁面溫度低于煙氣露點(diǎn)溫度時(shí)候，隨著換熱的進(jìn)行，煙氣主流溫度低于露點(diǎn)溫度，煙氣開始在主流區(qū)域也發(fā)生冷凝，因此煙氣冷凝和露點(diǎn)溫度有關(guān)。而露點(diǎn)溫度和過量空氣系數(shù)有關(guān)，燃燒天然氣時(shí)，過量空氣系數(shù)與煙氣露點(diǎn)溫度之間的關(guān)系見表3，由表可知，露點(diǎn)溫度隨過量空氣系數(shù)的增大而減小。由于露點(diǎn)溫度和空氣過量系數(shù)有關(guān)，因此同一排煙溫度不同空氣過量系數(shù)下的煙氣冷凝理論冷凝液質(zhì)量不同，隨空氣過量系數(shù)的增大而減小。

表3 煙氣理論冷凝液質(zhì)量和冷凝率（40℃）

在工程實(shí)際應(yīng)用中，常用冷凝率來衡量潛熱回收的效果。冷凝率為冷凝的水蒸氣體積與全部水蒸氣體積之比。水蒸氣冷凝率的曲線見圖1，由圖可知，冷凝率隨溫度的減小而逐漸增大，但其變化率隨溫度的降低而減小，同溫度下低的過量空氣系數(shù)有高的冷凝率。

圖1 不同過量空氣系數(shù)下排煙溫度與冷凝率的關(guān)系

但需要注意的是，上述分析值均為理論值，水蒸氣實(shí)際冷凝時(shí)，煙氣中的水蒸氣需要穿過濃厚的不凝氣體層，才能到達(dá)液膜表面冷凝，實(shí)際冷凝液質(zhì)量和冷凝率一般低于理論值。

2 采用冷凝式節(jié)能技術(shù)對鍋爐熱效率提升的研究

2.1 冷凝式節(jié)能技術(shù)對于鍋爐熱效率的影響

相對于燃煤鍋爐，燃?xì)忮仩t沒有灰渣，熱平衡方程式可以簡化為：

式中Qr——送入鍋爐的熱量，Q1——有效利用熱量，Q2——排煙熱損失，Q3——化學(xué)不完全燃燒熱損失，Q4——鍋爐散熱損失。

燃?xì)忮仩t在初步回收煙氣顯熱（排煙溫度約150℃）的情況下，各項(xiàng)熱損失的分布情況表明對燃?xì)忮仩t影響最大的是鍋爐排煙熱損失。降低鍋爐排煙損失最直接的方式就是降低排煙溫度，將煙氣中的熱量進(jìn)行回收。煙氣的熱量可以分成煙氣顯熱和煙氣中水蒸氣汽化潛熱兩部分，當(dāng)排煙溫度較高時(shí)，水蒸氣以氣態(tài)形式存在，汽化潛熱不進(jìn)行釋放，此時(shí)回收熱量主要為煙氣顯熱，由于煙氣的比熱容相對較小，因此煙氣溫度的降低對于鍋爐效率的提升不明顯。當(dāng)煙氣溫度繼續(xù)降低，煙氣中析出冷凝液，此時(shí)的熱量回收則主要以回收汽化潛熱為主，由于單位質(zhì)量水蒸氣的汽化潛熱遠(yuǎn)大于煙氣顯熱，此時(shí)對于鍋爐效率具有明顯的提升作用。圖2是某燃?xì)忮仩t排煙損失隨排煙溫度變化的曲線，從圖中可以明顯看出，鍋爐的排煙熱損失隨排煙溫度的變化有兩個(gè)存在差異的變化區(qū)間，在170℃下降至約60℃過程中變化緩慢，而在約60℃下降至25℃過程中變化劇烈，具有明顯的拐點(diǎn)，此拐點(diǎn)是煙氣的露點(diǎn)溫度，當(dāng)煙氣溫度低于該溫度后，回收熱量轉(zhuǎn)變?yōu)橐运魵饫淠瘽摕釣橹鳎仩t熱損失即得到顯著減少，因此冷凝式節(jié)能技術(shù)相對于傳統(tǒng)的鍋爐煙氣余熱回收技術(shù)，鍋爐熱效率的提升是非常顯著的。

圖2 排煙溫度與排煙熱損失關(guān)系曲線（過量空氣系數(shù)1.2）

以表1所示的天然氣數(shù)據(jù)來看，該天然氣的低位發(fā)熱量為Qdr=36.59 MJ/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)熱量的比例可用下求得：

對于表1所示的天然氣而言，通過上式計(jì)算得出Δη=10.74%，也就是說傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t每燃燒1 Nm3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%，這就意味著在傳統(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。同時(shí)，該比例可用來表示若將該部分汽化潛熱利用，可以提高鍋爐效率的極限值。

2.2 鍋爐提升熱效率計(jì)算模型

對于冷凝式節(jié)能器冷側(cè)一般為水，對其質(zhì)量流量、進(jìn)出口溫度的監(jiān)測易于實(shí)現(xiàn)且均是運(yùn)行所監(jiān)測的數(shù)據(jù)，具體有冷凝式節(jié)能器水體積流量L、進(jìn)水溫度tlp、出水溫度tej，可建立冷凝式節(jié)能器吸收熱量與這些變量的關(guān)系：

式中，C=4.2 kJ/kg·℃；m=ρ×L=10(本文固定水的流量為10 L/s)，Δt=tej-tlp；

另外，鍋爐運(yùn)行還監(jiān)測天然氣瞬時(shí)流量Dg（Nm3/h），假設(shè)天然氣低位發(fā)熱量Qdr一般變化較小，則瞬時(shí)節(jié)約的天然氣量：

則基于運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)，所建立的鍋爐瞬時(shí)熱效率提升計(jì)算模型為：

2.3 鍋爐測試核定提升熱效率

為了核定鍋爐安裝上冷凝式二級節(jié)能器后所提升的鍋爐熱效率，委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對使用和未使用節(jié)能器的鍋爐運(yùn)行效率進(jìn)行了測試，測試結(jié)果匯總見表4。

由表明顯可見，在使用冷凝式二級節(jié)能器情況下，鍋爐排煙溫度由140.3℃大幅降至79.5℃，排煙熱損失由5.71%降至2.6%，鍋爐熱效率由92.1%升高至95.2%，約提升3%。

表4 鍋爐運(yùn)行效率測試結(jié)果匯總對比

2.4 運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)核定提升熱效率

為了與鍋爐測試所核定提升熱效率進(jìn)行對比印證，對浦東科技創(chuàng)新園區(qū)4臺鍋爐進(jìn)行了運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，依據(jù)所建立的基于運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的鍋爐提升熱效率計(jì)算模型，對鍋爐提升熱效率進(jìn)行了分析（見表5）。

為了確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性，挑選2019年6月與7月兩個(gè)月開展了數(shù)據(jù)采集，每臺鍋爐分別在每周一到周五輪換單獨(dú)運(yùn)行，每小時(shí)取一點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)，每天（第一天7:00至第二天6:00）共24個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。按此規(guī)則取數(shù)據(jù)，6月與7月兩個(gè)月內(nèi)共取得1#爐240個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位，2#爐240個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位，3#爐240個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位，4#爐216個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位包含數(shù)據(jù)有連排板式熱交換器出水溫度（二級節(jié)能器進(jìn)水溫度）、二級節(jié)能器出水溫度、鍋爐天然氣瞬時(shí)流量。從各臺爐運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)及提升熱效率來看，單日鍋爐提升熱效率雖然有小幅波動，但基本均在5%左右。記錄期內(nèi)1#爐共記錄10天數(shù)據(jù)，2#爐共記錄10天數(shù)據(jù)，3#爐共記錄10天數(shù)據(jù)，4#爐共記錄9天數(shù)據(jù)。根據(jù)每天記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)位可算出每天該臺運(yùn)行鍋爐的二級節(jié)能器對鍋爐效率提升的平均值。

從各臺爐平均運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)及提升熱效率來看，與單日鍋爐提升熱效率的趨勢類似，雖然有小幅波動，但基本也均在5%左右。

3 結(jié)論

本文研究了冷凝熱的回收對燃?xì)忮仩t熱效率影響，并測試了安裝冷凝式節(jié)能器的燃?xì)忮仩t熱效率。得出以下結(jié)論：

1）由于露點(diǎn)溫度和空氣過量系數(shù)有關(guān)，因此同一排煙溫度不同空氣過量系數(shù)下的煙氣冷凝理論冷凝液質(zhì)量不同，隨空氣過量系數(shù)的增大而減小。

2）冷凝率隨排煙溫度的減小而逐漸增大，但其變化率隨排煙溫度的降低而減小，同溫度下低的過量空氣系數(shù)有高的冷凝率。

表5 鍋爐效率運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)核定提升熱效率匯總對比

3）當(dāng)煙氣溫度低于煙氣露點(diǎn)溫度后，回收熱量轉(zhuǎn)為以水蒸氣冷凝汽化潛熱為主，鍋爐熱損失顯著減少，因此冷凝式節(jié)能技術(shù)相對于傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t熱效率的提升是非常顯著的。

4）使用冷凝式燃?xì)忮仩t，經(jīng)反平衡檢測鍋爐排煙溫度由140.3℃大幅降至79.5℃，排煙熱損失由5.71%降至2.6%，鍋爐熱效率由92.1%升高至95.2%，約提升3%。由正平衡測試?yán)淠鬟M(jìn)出水的得熱量，得出燃?xì)忮仩t的熱效率提升5%。