WNS型燃?xì)鉄崴仩t煙氣余溫利用分析

摘 "要：在“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)下，我國將構(gòu)建以燃?xì)夤釣橹鲗?dǎo)，電采暖為輔助，其他清潔能源為補(bǔ)充的多元化供熱能源體系。WNS型燃?xì)鉄崴仩t運(yùn)行中產(chǎn)生的高溫?zé)煔馓N(yùn)含余溫能量，如何高效對煙氣余熱回收備受關(guān)注。該文從過量空氣系數(shù)影響燃燒與熱損失、冷凝水含汽化潛熱可提高效率、對流換熱面積、空氣溫度影響燃燒4個方面深入剖析高溫?zé)煔庥酂崂糜绊?。針對這些，提出優(yōu)化燃燒效能、提升換熱效率、多級串聯(lián)換熱器等方式提高高溫?zé)煔饫寐省樘岣咤仩t熱效率、節(jié)能降耗及環(huán)保提供參考。

關(guān)鍵詞：高溫?zé)煔?；余熱回收；鍋爐熱效率；雙碳；WNS型燃?xì)鉄崴仩t

中圖分類號：TK229.8 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2025）10-0091-04

Abstract： With the advancement of the dual carbon goal， China will build a diversified heating energy system dominated by gas heating， assisted by electric heating， and supplemented by other clean energy sources. The high-temperature flue gas generated during operation of the WNS gas-fired hot water boiler contains residual temperature energy. How to efficiently recover flue gas waste heat has attracted much attention. This paper deeply analyzes the impact of waste heat utilization of high-temperature flue gas from four aspects： excess air coefficient affects combustion and heat loss， condensate water contains latent heat of vaporization can improve efficiency， convective heat transfer area， and air temperature affects combustion. In response to these， methods such as optimizing combustion efficiency， improving heat exchange efficiency， and multi-stage series heat exchangers are proposed to improve the utilization of high-temperature flue gas. It provides a reference for improving boiler thermal efficiency， saving energy and reducing consumption and environmental protection.

Keywords： high-temperature flue gas; waste heat recovery; boiler thermal efficiency; double carbon; WNS gas-fired hot water boiler

在“雙碳”目標(biāo)的背景下，傳統(tǒng)的以煤為燃料的燃煤鍋爐逐漸被以天然氣為代表的燃?xì)鉄崴仩t所替代[1]，相較于傳統(tǒng)的燃煤鍋爐，以天然氣為主的清潔能源燃燒后主要產(chǎn)物是CO2和H2O見表1。在同等熱量輸出情況下，燃?xì)忮仩t相對于燃煤鍋爐，二氧化碳排放量有所減少。同時燃?xì)鉄崴仩t的燃燒器可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)門開度和氣門開度以實(shí)現(xiàn)精確的天然氣和空氣的混合比例，使其能夠充分燃燒。一般燃?xì)忮仩t的燃燒效率可以達(dá)到90%～95%。但在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的煙氣，其中蘊(yùn)含著可觀的余溫能量。如果能夠有效地利用這些煙氣余溫，不僅可以提高鍋爐的熱效率，降低能源消耗，還可以減少對環(huán)境的熱污染[2]。

1 "煙氣的產(chǎn)生

WNS型燃?xì)鉄崴仩t工藝流程如圖1所示，燃燒器將天然氣噴入爐膛內(nèi)燃燒，燃燒過程中，空氣與天然氣按照一定的比例混合產(chǎn)生高溫?zé)煔狻＿@里的能量是指天然氣在燃燒過程中將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。

燃燒過程中產(chǎn)生的熱能與燃燒室四周的水冷壁進(jìn)行第一次熱交換，將熱量傳遞一網(wǎng)水；燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠诨厝际覂?nèi)匯聚后，流經(jīng)第二回程，與其中的對流管束進(jìn)行再一次的熱交換，緊接著煙氣流經(jīng)第三回程，在第三回程分別在熱網(wǎng)水預(yù)熱器、余熱取熱器、空預(yù)器中分別進(jìn)行熱交換，最終由煙囪排入大氣。根據(jù)相關(guān)研究表明，燃?xì)鉄崴仩t在運(yùn)行中最大的熱損失是天然氣燃燒后形成的高溫?zé)煔?。排煙溫度越高，排煙熱損失越大。排煙溫度每升高15～20 ℃，排煙熱損失會升高約1%。此外，高溫?zé)煔庵羞€含有大量的水蒸氣，這些水蒸氣在排放過程中也會帶走一部分熱量，進(jìn)一步加劇了能量的損耗。因此，提高鍋爐的熱效率和節(jié)約能源的最佳方法是充分利用高溫?zé)煔庵械臒崃?，降低排煙溫度?/p>

2 "煙氣余熱利用影響因素分析

2.1 "過量空氣系數(shù)

過量空氣系數(shù)（α）是指實(shí)際空氣量（Vactual）與理論空氣量（Vtheoretical）之比，即α=■。理論空氣量是指燃料完全燃燒時，按照化學(xué)反應(yīng)方程式計算得出的所需空氣量。對于天然氣（主要成分甲烷CH4）而言，根據(jù)其完全燃燒的化學(xué)方程式，可計算出理論空氣量。

在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中無論過量空氣系數(shù)過大或過小都會對燃燒設(shè)備產(chǎn)生不利影響。當(dāng)過量空氣系數(shù)過小時，空氣供應(yīng)不足，天然氣無法完全燃燒，會產(chǎn)生一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮–MHN）等不完全燃燒產(chǎn)物，會導(dǎo)致燃燒室內(nèi)積碳增加，從而影響熱交換效率，甚至引發(fā)回火等安全問題。當(dāng)過量空氣系數(shù)為1時，理論上燃?xì)馀c空氣恰好完全反應(yīng)，此時燃燒效率最高[3]。在這種情況下，天然氣中的甲烷能夠與適量的氧氣充分反應(yīng)，生成二氧化碳和水，此時化學(xué)能得到最有效的釋放，熱損失最小。過量空氣系數(shù)過大時，雖然能夠保證燃料充分燃燒，但會造成煙氣排放量增大，進(jìn)而造成熱損失增加，同樣會使煙氣中不凝氣體所占比例增大，導(dǎo)致煙氣中水蒸氣所占份額減小，使水蒸氣的分壓力和煙氣露點(diǎn)溫度降低，水蒸氣冷凝難度變大，回收的潛熱量減少，鍋爐熱效率降低[4]。過量空氣系數(shù)與露點(diǎn)溫度關(guān)系如圖2所示。

2.2 "對流換熱面積

對流換熱是指流體與固體表面之間由于相對運(yùn)動而發(fā)生的熱量傳遞過程。在燃?xì)鉄崴仩t中，高溫?zé)煔馀c受熱面（對流管束）之間通過對流換熱將熱量傳遞給一網(wǎng)水。熱量傳遞的方向是從高溫的煙氣向低溫的水，其驅(qū)動力是溫度差。煙氣在流動過程中，與對流管束接觸時，將熱量傳遞給受熱面，受熱面再將熱量傳遞給內(nèi)部的水，使水溫度升高。

對流換熱的熱流量計算公式

Q=hAT ， （1）

式中：Q為熱流量，Ｗ；h為對流換熱系數(shù)，Ｗ/m2·Ｋ；A為對流換熱面積，m2；？駐T為流體與固體表面之間的溫差，Ｋ。

根據(jù)對流換熱公式，在對流換熱系數(shù)h和溫差？駐T一定的情況下，熱流量Q與對流換熱面積A成正比。因此，增大對流換熱面積可以增加熱量傳遞的速率，提高鍋爐的熱效率。在鍋爐設(shè)計中，想要增大對流換熱面積，就需要增加對流管束的數(shù)量或增大翅片的面積，使更多的熱量從煙氣傳遞到水中，從而提高鍋爐的熱輸出。但是，一味地增加對流換熱面積并不能沒有限制地提高熱效率。隨著對流換熱面積的增大，會導(dǎo)致煙氣在對流管束中的流通速度緩慢，大大增加風(fēng)機(jī)的能耗；過大的對流換熱面積可能會使煙氣溫度降得過低，接近或低于露點(diǎn)溫度，導(dǎo)致煙氣中的水蒸氣凝結(jié)，產(chǎn)生酸性冷凝水，對設(shè)備造成腐蝕，影響設(shè)備的使用壽命和安全性。

2.3 "冷凝水

天然氣在燃燒時會產(chǎn)生含有大量水蒸氣煙氣，若天然氣中含有其他氫含量較高的雜質(zhì)或成分，燃燒后產(chǎn)生的水蒸氣量會進(jìn)一步增加，從而提高水蒸氣體積分?jǐn)?shù)，導(dǎo)致露點(diǎn)溫度升高。當(dāng)煙氣溫度低至露點(diǎn)溫度時，水蒸氣將從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，同時會釋放出大量的汽化潛熱。在此過程中，煙氣中的二氧化硫、氮氧化物等會溶解在冷凝水中，從而減少了酸性氣體的排放。隨著煙氣溫度的降低，灰塵、未完全燃燒的碳顆粒等會附著在冷凝器表面，從而減少顆粒物排放到大氣中的量。

煙氣露點(diǎn)溫度是指在一定壓力下，煙氣中水蒸氣開始凝結(jié)成液態(tài)水時的溫度。露點(diǎn)溫度與煙氣中的水蒸氣分壓和其他成分（如二氧化碳、二氧化硫等）有關(guān)。

2.4 "空氣溫度

我國北方地區(qū)冬季室外溫度基本保持在零下。據(jù)研究表明，當(dāng)空氣溫度較低時，空氣密度較大，根據(jù)流體力學(xué)原理，密度大的流體在流動過程中慣性較大。因此，低溫空氣進(jìn)入燃燒區(qū)域時，其流速相對較慢，與燃?xì)獾幕旌闲Ч赡懿患?，?dǎo)致火焰根部的熱量供應(yīng)不穩(wěn)定。出現(xiàn)回火現(xiàn)象，損壞燃燒器，甚至引發(fā)火災(zāi)或爆炸等安全事故。空氣溫度對氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）的排放同樣有影響。當(dāng)溫度升高時，火焰溫度也會相應(yīng)升高，氮?dú)飧菀着c氧氣發(fā)生反應(yīng)生成氮氧化物。而空氣溫度過低，會導(dǎo)致天然氣燃燒不充分，從而使一氧化碳排放量增加。

3 "提升煙氣余熱利用的措施

3.1 "優(yōu)化燃燒效果

過量空氣系數(shù)在天然氣燃燒過程中起著至關(guān)重要的作用，其直接影響著燃燒效率、污染物排放以及鍋爐的整體性能。往往在實(shí)際中鍋爐運(yùn)行的負(fù)荷需要根據(jù)當(dāng)?shù)販囟惹闆r而定，這意味著鍋爐燃燒器的氣門和風(fēng)門的開度是非線性變化的，若天然氣與空氣混合比例不協(xié)調(diào)，可能會導(dǎo)致不完全燃燒。在實(shí)際燃燒過程中，為了保證燃料充分燃燒，通常會供給比理論空氣量更多的空氣?；赑ID等智能算法使燃料和空氣混合比達(dá)到最佳，可根據(jù)鍋爐負(fù)荷的變化自動調(diào)節(jié)風(fēng)門、氣門以及風(fēng)機(jī)頻率。除了控制過量空氣系數(shù)，還可以通過監(jiān)測尾部煙氣的含氧量，當(dāng)尾部煙氣含氧量處于3%～5%（對于天然氣等優(yōu)質(zhì)燃料）范圍內(nèi)時，意味著燃?xì)馀c空氣的混合比例較為合適，能夠?qū)崿F(xiàn)較為充分地燃燒。同時還可以通過人工觀火孔觀察火焰顏色，通過對比火焰粗估氧含量，若觀察火焰藍(lán)中有點(diǎn)偏黃白，輪廓清晰，表明火焰穩(wěn)定，沒有偏移。若出現(xiàn)黃色、渾濁或灰蒙蒙的火焰，則表明風(fēng)量配比過小或風(fēng)氣混合不勻；若冒黑煙，就是不完全燃燒產(chǎn)生的炭黑。

燃?xì)鉄崴仩t在長時間的高溫、高壓運(yùn)行時，雖不會產(chǎn)生大量的煙塵，但累計產(chǎn)生的積碳、灰塵等雜質(zhì)會形成隔熱層附著在換熱面上，導(dǎo)致受熱面的導(dǎo)熱系數(shù)降低、煙氣在煙道內(nèi)流動不均勻。影響傳熱效果的同時，還可能加速局部受熱面的磨損[5]。

3.2 "提升換熱效能

較大的換熱面積意味著煙氣與換熱介質(zhì)之間有更多的接觸機(jī)會，能有效破壞邊界層，增強(qiáng)傳熱效果。根據(jù)對流換熱的熱流量計算公式，對于普通換熱器增加換熱面積最好的方法就是在普通光管面加裝翅片，可根據(jù)實(shí)際鍋爐運(yùn)行的負(fù)荷采用縱向、橫向或者是螺旋式等；同時也可以通過使用對流換熱系數(shù)更好的材料來提高對流換熱，對流換熱系數(shù)高的材料，在相同的煙氣余熱的前提下，可以通過較小的換熱面積使換熱器的體積減小，減少占地面積和設(shè)備成本，尤其適用于空間有限的場所。

除了增加換熱面和提高對流換熱系數(shù)之外還可以采用多級換熱器串聯(lián)的模式，通過換熱器中不同的冷媒，高溫?zé)煔庖来瓮ㄟ^各級換熱器，使得每級換熱器都能吸收一部分煙氣的余熱，提高煙氣余熱的利用效率。但需要注意的是煙氣在各級換熱器中的溫度是逐漸降低的，所以要根據(jù)煙氣流動的方向，根據(jù)煙氣溫度的變化情況合理地分配換熱面積，在煙氣進(jìn)入第三回程處，煙氣余溫最高，熱交換潛力大，可適當(dāng)增加換熱面積。隨著煙氣進(jìn)入多級換熱器，煙氣余溫逐漸降低，在后續(xù)換熱器逐漸減少換熱面積。

3.3 "添加冷凝裝置

高溫?zé)煔庵兴魵庠诘竭_(dá)露點(diǎn)溫度時會產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象，研究表明，冷凝水在形成過程中釋放出大量的汽化潛熱，合理回收冷凝水的熱量可以使鍋爐熱效率提高3%～5%甚至更高。

一般的鍋爐冷凝裝置分為表面式和混合式2種。表面式主要由高效熱交換器、冷凝水收集系統(tǒng)、循環(huán)介質(zhì)系統(tǒng)等構(gòu)成，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔忭樦仩t進(jìn)入熱交換器內(nèi)，與管道內(nèi)的一網(wǎng)回水進(jìn)行熱量傳遞，但因?yàn)橐痪W(wǎng)回水溫度低于露點(diǎn)溫度，高溫?zé)煔庵械乃魵庥隼溟_始凝結(jié)，釋放出大量的汽化潛熱。這部分潛熱以熱交換的形式傳遞給一網(wǎng)回水，使其溫度升高。凝結(jié)下來的冷凝水則通過冷凝水收集系統(tǒng)收集并用于一網(wǎng)水補(bǔ)水，需要注意的是冷凝水通常呈酸性，會對設(shè)備造成腐蝕。

混合式冷凝裝置由混合式熱交換器、噴淋系統(tǒng)、氣液分離裝置等構(gòu)成。高溫?zé)煔馀c噴淋系統(tǒng)噴淋的低溫水進(jìn)行熱交換，一般水的溫度低于煙氣露點(diǎn)溫度，這樣煙氣中的水蒸氣會迅速冷凝，釋放汽化潛熱，使水的溫度升高，氣液混合物經(jīng)氣液分離裝置在離心力、重力的作用下實(shí)現(xiàn)分離[6-7]。通過這種方式不僅將煙氣的顯熱進(jìn)行熱交換，同時水蒸氣的汽化潛熱也能充分利用。

4 "結(jié)束語

在“雙碳”目標(biāo)推動下，燃?xì)鉄崴仩t成為供熱領(lǐng)域的重要角色，其煙氣余溫利用意義重大，本文以WNS型燃?xì)鉄崴仩t為研究對象，從煙氣產(chǎn)生過程來看，天然氣燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?，在爐膛及后續(xù)回程與受熱面多次熱交換后排出，排煙熱損失是主要問題。影響煙氣余熱利用的因素眾多。主要是從過量空氣系統(tǒng)對于天然氣燃燒的影響、鍋爐受熱面積與高溫?zé)煔鈱α鲹Q熱的關(guān)系、煙氣中水蒸氣的換熱潛力以及空氣溫度對于煙氣余熱利用的影響4個方面分析了高溫?zé)煔庥酂崂糜绊懸蛩?，得到以下結(jié)論。

1）天然氣燃燒時過量空氣系數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際鍋爐運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，還可以監(jiān)測尾部煙氣的含氧量來判斷燃燒室內(nèi)具體燃燒的效果。

2）增加對流換熱面積和使用對流換熱系數(shù)高的材料可以有效提高對流換熱的效率，同時還可采取多級換熱器串聯(lián)方式，但要根據(jù)煙氣的溫度適當(dāng)調(diào)整換熱面積。

3）在鍋爐運(yùn)行過程中，還需充分考慮空氣溫度的影響，需要采取必要的調(diào)控措施，保障燃燒安全與穩(wěn)定，降低污染物排放，這對于提高鍋爐整體性能、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排至關(guān)重要。

4）根據(jù)供熱的條件適當(dāng)選用冷凝裝置有利于高溫?zé)煔馄瘽摕岬睦?，降低排煙溫度，同時，凝結(jié)的冷凝水在經(jīng)過水處理后可用于一網(wǎng)水補(bǔ)水。

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