冷凝换热与燃油气锅炉节能.pdf

5 2 工业锅炉 2 0 1 2年第 6期 总第 1 3 6期 文章编号 1 0 0 4 8 7 7 4 2 0 1 2 0 6 5 2 - 0 4 冷凝换热与燃油气锅炉节能 席代 国 广州天鹿锅炉有限公 司， 广州 5 1 0 9 3 1 Co n d e n s i n g He a t Tr a n s f e r a n d t he En e r g y Co n s e r v a t i o n o f Oi l ／Ga s fir e d Bo i l e r XI Da i g u o G u a n g z h o u T i a n l u B o i l e r C o ．L t d ，G u a n g z h o u 5 1 0 9 3 1 ， C h i n a 摘要 对当前国内冷凝式锅炉技术研发过程中出现的问题提出了一些看法 ， 并对当前燃 油气锅炉节能方法进行总结 ， 建议尽快组织制定相关技术规范， 以引导我国燃气冷凝锅炉产品 健康、 科学发展。 关键词 冷凝锅炉 ； 排烟温度 ； f 5 位发热量 ； 锅炉热效率 中图分类号 T K 2 2 9 文献标识码 B O 引言 随着 国民经济的发展和节能环保要求的提高以 及燃气供应源的增加 ， 近年来 ， 国内冷凝换热技术和 包括冷凝式锅炉在 内的相关产 品都有所 发展 ， 备受 市场和业内人士的关注。但是， 在发展过程中， 我们 也发现存在一些问题需要进行规范界定 如燃气烟 气中水蒸气的冷凝温度确定 、 锅炉热效率与锅炉 系 统热效率的计算、 冷凝式锅炉 的规范定义等。现就 上述问题与大家讨论并就燃油气锅炉节能方法进行 交流。 l 与冷凝式锅 炉相关问题讨论 文献[ 1 ] 告诉我们 ① 如果锅炉 的排 烟温度 降 低到足够低的水平 ， 那么烟气 中呈过热状态 的水蒸 气就会凝结而放出汽化潜热 。国内外把通过冷凝烟 气中的水蒸气 ， 使得其 中的汽化潜热得以利用 的锅 炉称为冷凝式锅炉 c o n d e n s i n g b o i l e r ； ②是否采用 冷凝方式回收烟气余热大体上取决于是否能将回收 的热量加以利用 ； ③一般来说 ， 排烟中的水蒸气潜热 在 6 0℃以下才能得以回收， 能回收的热量依赖于所 要求利用的温度和利用率 ； ④根据国外资料报道 ， 降 低 指烟气 到露点之前 的温度可使锅炉热效率提 高 2 ％ ～ 5 ％， 若将烟气温度降到露点以下， 由于挽 回了潜热 损失 ， 因而可使锅 炉热效 率提高 1 1 ％ ～ 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 1 8 作者简介 席 代 国， 大 专毕业 ， 早年 从事 锅炉设计 ， 现从 事企 业管理 。 1 5 ％ 以上 。 1 ． 1 天然气完全燃烧产生的大量水分 水蒸气 是 开发冷凝锅炉 的动力 天然气的主要成分是 甲烷 C I t ， 占 9 5 ％左右 。 还有少量其他碳氢化合物及氢气等其他成分。因 此， 只要分析甲烷燃烧就可以大体看出天然气燃烧 产生的水分重量 。C H 完全燃烧 的化 学方程式 如 下 CH4 2 02 CO2 2 H2 O 从该方程式可以看 出 1 克分 子的 C H 完全燃 烧后可生成 2克分子的水 ； 按照分子式重量计算 ， 即 1 6克的 C H 完全燃烧生成 3 6克的水 。这些水分在 炉膛内全部蒸发成水蒸气 ， 其重量是非常可观的， 是 甲烷 自身被燃烧掉重量的 2 ． 2 5倍。这大量水蒸气 正是天然气高位发热量与低位发热量相差约 3 7 0 0 k J ／ m 的根本原 因。因此， 国内外锅炉 同行致力于 开 发 能够 回收 这 巨 大潜 热 的锅 炉 新 产 品， 德 国 F r 6 1 i n g公司早在 3 0年前就成功开发 出这类冷凝热 水锅炉 我们了解到欧洲国家的冷凝锅炉大都是 ≤ 2 0 0 0 k W 的热水锅炉 ， 其锅炉热效 率可接近或超 过 1 0 0 ％ 视低温回水温度而定 。冷凝锅炉在我 国 起步较晚， 但也展现出良好前景 。 1 ． 2 燃气锅炉烟气 中水蒸气的冷凝温度 燃天然气锅炉烟气 中水蒸气 的冷凝温度 ， 无论 是锅炉设计或是拟定产品的技术参数， 我以为都是 一 个非常重要 、 必须 明确的指标。但 目前存在不 同 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 探讨 园地 冷凝换热与燃油气锅炉节能 5 3 说法 ， 有说 ， 燃天然气烟气中水蒸气的冷凝温度随烟 气 中s 0 含量增加会升高 ， 且很难确定 ； 有说冷凝锅 炉烟气冷凝温度为 7 5 或 7 0 c c， 且为数不少的“ 冷 凝锅炉” 运行中的排烟温度都大大超过以上温度。 由资料得知， 天然气主要成分是 C H ， 其它成分 也主要是碳氢 化合物 ， 基本不 含硫 现天然气和液 化石油气的纯度很高， 可排除 S O 对烟气冷凝温度 的影响 ， 天然气燃烧后烟气 主要成分是 C O 、 H 0 、 N 、 N O 。文献[ 2 ] 中介绍 若燃烧在大气压下进行 ， 当过量空气系数为 1 ． 1时 ， 其相应的炯气露点温度 是 5 7℃ 。 图 1 示 出了烟气露点温度随过量空气系数变化 的情况 。实际上 ， 虽然各地的天然气成分有所不 同， 但 由于其主要成分为 甲烷且 占绝大部分 ， 其 它部分 影响很小 ， 经计算其露点温度误 差不超过 3 ％ 符合 实际要求的范围 。 p ＼ 赠 姻 过 墩 气 系 数 图 1 图 2示出了不 同排烟温度下 的锅炉热效率 ， 图 中显示 ， 烟气温度在 6 01 8 0℃区间变化时锅炉效 率缓慢变化 ， 而烟气温度在 2 0～ 6 0 区间变化时锅 炉热效率变化较大。可见 6 0 c C是天然气烟气显热 和潜热的分界点， 因而有理 由认为天然气 烟气露点 温度应不超过 6 0℃。 l 1 5 1 1 0 基l o 5 1 O 0 耀 9 5 9 0 当然在 锅 炉实 际 运行 过 程 中 如起 、 停 炉 阶 段 ， 在锅炉前后烟箱、 对流烟道和局部保温较差 的 地方在主流烟气温度较高的情况下也会有冷凝水产 生等情况发生 ， 但不能说 ， 此时的温度就是烟气开始 冷凝的温度 。 1 ． 3 锅炉热效率与锅炉 系统热效率 目前我国采用的锅炉热效率定义为锅炉中被有 效利用的热量 Q 占输 入锅炉 总热量 Q 输入锅 炉 总热量 Q 通常就是燃料低位发热量 的百分 比， 用 r ． 叼表示。即， 叼 1 0 0 ％。 V 问题及分析 1 图 3所示为一种燃气 蒸汽冷凝锅炉水 系 统。软水箱出来的水一循环泵一经过冷凝器一进入 软水箱 ； 软水箱的水一锅炉。图 3中烟气冷凝器的 位置是一般蒸汽锅炉省煤器 节能器 所处 的位置 。 如果按照一般蒸汽锅炉给水系统， 锅炉给水 由软化 水箱一 给水泵一省煤器一锅炉 ， 那么烟气冷凝器做 得再大再好也不可能将排烟温度降到烟气的冷凝温 度。故设计者将经烟气冷凝器 的水进入软水箱 ， 然 后再进锅炉 ， 意在用软水箱 的水将烟气温度降多一 点 如要将烟气温度降到 6 0‘℃， 那 么冷凝器 出水温 度应 ≤4 5℃ 。暂且不谈烟气冷凝器和水箱的水能 否将烟气温度降到冷凝温度 ， 但至少是软水箱的水 是不能全部进人锅炉 因为理论上此水箱必须足够 大 ， 否则短时间内水箱 的水就会沸腾 。问题是 ， 那 些被加热 尚未进锅炉的热水折算后作为锅炉的热效 率是否合理 。 图 3 带冷凝器蒸汽冷凝锅炉给水系统 2 图 4所示为另一种冷凝 蒸汽锅炉给水 系 统 ， 即在 烟气 冷凝 器 前 面 串联一 个 省煤 器 节能 器 ， 如需要冷凝时 ， 则将两 台并 联水泵 同时开启。 其水流程是 软化水箱 的水经冷凝器后再经省煤器 ， 然后一部分进锅炉， 另有一部分经加热后多余的水 流回软水箱 。在锅炉连续运行的额定工况下软化水 箱 的水温将不断升高 ， 此系统要将烟气温度降到冷 凝温度是有 困难的。 我们按 图 5蒸汽锅炉水系统 ， 采用 N D钢翅片 管冷凝器 ， 用 2 0℃水将烟气温度 降到 6 0℃ 出水 4 5℃ ， 计算结果显示需要 2 ． 2倍 以上蒸汽锅炉给 卯 加 舳 ∞ ∞ 加 ∞ ● 瞍 ∞ ∞ 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 工业锅炉 2 0 1 2年第 6 胡 总第 1 3 6期 水量。 图4 带节能器、 冷凝器蒸汽冷凝锅炉给水系统 图 5 蒸汽锅炉加冷凝器水系统 3 目前 国内也有将 冷凝器布置在与锅炉闭合 循环 回路无关的二次回路里 ， 冷凝器 回收的热量折 算后作为锅炉的热效率是否合理。 基于此 ， 我认为为了便于 比较燃气锅炉和锅炉 系统热效率 ， 将燃料的低位热量作为分母 ， 将 回收的 水蒸气凝结放热加在分子上 ， 按式 1 来计算 热效 率得出的结果超过 1 0 0 ％是可以的。 叼 1 0 0 ％ 1X U 竹 一 I J 。 式 中Q 。 锅炉中被有效利用的热量 ， k J Q 输入锅炉总热量 按 天然气 的低 位发 热量 ， k J Q 潜 热 回收水蒸气凝结放热量 ， k J 分析 1 若式 中 Q 潜 热被锅 炉利用 ， 此时热效 率称锅炉热效率 ； 2 若式 中 Q 潜 热 未被锅炉利用 ， 而是在锅炉 以 外的部门被利用， 此时热效率应称锅炉系统热效率。 2 提高燃油气 锅炉热效 率的方法 对于中小型燃油燃气蒸汽锅炉和热水锅 炉 如 WN S型锅壳式锅炉、 L H S型立式锅炉 而言 ， 提高其 热效率的方法主要有烟管 中加装 “ 扰流子” 、 尾部加 装节能器和冷凝换热器的方法。 2 ． 1 烟管中加装“ 扰流子” 目前市场上 WN S型和 L H S型锅壳式燃油燃气 蒸汽锅炉和热水锅炉的烟管有两种 一种是光管 ， 另 一 种是螺纹烟管。螺纹烟管是在机床上外压螺旋凹 槽在管 内形 成螺旋 凸缘 ， 旨在破 坏管 内烟气 流动 “ 层流底层” ， 提高烟管的传热效率 实践证明， 螺旋 凸缘高度为 2 m m 的时候放热系数 达到最大值 ， 螺旋节距对放热系数 影响相对较小 。但不少螺 纹烟管由于工艺上 的原因， 在管内形成的凸缘高度 不够 ， 不足以扰流或破坏“ 层流底层”， 故传热效果 不 明显。对 于上述两种 烟管可 以在管 内加 “ 扰流 子” 。 1 紧贴烟管内壁 面插 入螺旋 弹簧丝 即用直 径 2 m m不锈钢丝 ， 绕成螺距 2 8 mm的弹簧丝 勾住 管子两端即可。 2 紧贴烟管 内壁面插人 波浪形扁钢。即， 用 厚 1～1 ． 2 m m不锈钢板裁成宽度稍小于管内径 的 不锈钢条 与烟管一样长 每隔 5 0 m m扭一个角度 约 1 2 0 。 然后插入管孑 L 内 对于燃气锅壳式锅炉的 烟管 ， 若采用波浪形扁钢 和选用较高的烟气流速其 传热效果会更好 。 这里要指出螺旋弹簧丝或波浪形扁钢必须紧贴 烟管内壁面。由于烟气在烟管内处于紊流状态 ， 其 存在的“ 层流底层” 有较大的热阻， “ 扰流子” 紧贴炯 管内壁面 ， 将 导致 “ 层流底层 ” 周期性地被破坏 ， 传 热热阻降低 ， 就强化 了传热。上述 两种方法在我司 运用实践表 明， 可将燃油燃气锅壳 式蒸汽锅炉排烟 温度降低 3 0～ 5 0℃ ， 提高效率 1 ． 2 ％ ～ 2 ． 0 ％。 2 ． 2 在燃油燃气锅炉尾部加装冷凝换热器 通常 ， 锅炉尾气在超过 1 0 0℃ 的温度下就离开 锅炉进入烟 囱， 这一温度远 高于烟气的露点 ， 因此 这部分水蒸气的凝结放热就被浪费掉了。对一些所 谓的清洁燃料 ， 例如天然气或者木材燃料 ， 可以通过 将烟气温度降低到 6 0℃ 以下 ， 从而额外获得 1 1 ％ ～ 1 5 ％的热量 显热和潜热总和 如图6所示 。 冷凝换热回收的热量普遍用于 室内采暖、 游泳 池、 加热工艺用水， 纺织厂和食品厂需要的工艺热水 最适合采用冷凝式换热回收的热量。 我司是在常规燃气蒸汽锅炉和热水锅炉尾部加 冷凝换热器 如图 7 回收烟气余热。冷凝换热器可 以使锅炉系统 同时有高温 回路和低 温 回路 如图 5 。低温回路的 2 0～4 5℃热水用途不受 限制 ， 可 用于生活和生产工艺用水 ， 以满足 同用户的需求； 冷凝换热器采用传热系数大 、 重量轻的具有外扩张 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 探讨 园地 冷凝换热与燃油气锅炉节能 5 5 面的 0 9 C r C u S b耐硫 酸低 温 露点 腐 蚀用 钢 管 N D 钢 或纯铜整体翼片内螺纹换热管制成。 r肄 势 洋 垫 推 Ⅱ 收 ， 提 高 效 率 t 遣空 气 系 ／‘ ‘ 一 5 ％ 较高过量空 ． 、 排烟温度／ v 图6 冷凝换热温度与热量曲线 图 7 冷凝换热 器 3 总结 1 天然气是冷凝锅炉最好的燃料 。这不仅是 因为天然气是洁净燃料 ， 更重要 的是天然气燃烧后 能够产生 比天然气 自身重量大一倍 以上的水蒸气 ， 这为锅炉的冷凝提供了前提条件。 2 最高锅炉热效率的冷凝锅炉应 当是 以天然 气为燃料 的热水锅炉 ， 特别是低温回水的热水锅炉。 6 0℃以下的低温 回水为锅炉烟气 中水蒸气 冷凝提 供 了有利条件。只要锅炉受热面科学巧妙布置 ， 锅 炉热效率就 可能像德 国 F r 6 l i n g公 司那样接近或超 过 1 0 0 ％ ， 而燃烧天然气 的蒸汽锅炉要设计成冷凝 锅炉不仅技术上困难 ， 而且成本高 ， 水蒸气冷凝热量 的回收也很有限。 3 锅炉热效率 的定义为锅炉输出的有效利用 热与输入锅炉总热量之比。因此凡是 回收的烟气中 水蒸气冷凝热量进入锅炉系统 ， 使得锅炉蒸发量或 热水量增加 ， 从而使锅炉热效率提高， 这样 的锅炉才 是冷凝锅炉。如果锅炉排炯中水蒸气冷凝热量 回收 后没有进入锅炉系统 ， 而是供给其他部门用热 ， 那么 这是锅炉的余热 回收 ， 锅炉系统热效率虽也确 实得 到提高 ， 但严格说来 ， 这个锅炉不能称为冷凝锅炉。 4 在 额定 工 况 下 ， 排 烟温 度 高 于冷 凝 温度 6 0℃ 的锅炉不是冷凝锅炉。 5 对于燃 油气 烟火 管锅 炉 ， 在烟管 中正确安 装 “ 扰流子” 螺旋弹簧丝或波浪形扁钢 ， 可以增强 烟气对壁面的传热 ， 降低排炯温度 ， 有一定 的节能效 果 。 6 发展燃气冷凝锅炉产 品是我们行业每个工 作者的责任 。要做好应用研究和推广工作 ， 对现有 的研发成果和技术经验加 以总结提升 ， 并借鉴 国外 发展经验进行有关标 准化工作 ， 规范引导我国燃气 冷凝锅炉的健康、 科学发展， 为市场提供更多更好的 燃气冷凝锅炉产品， 为我国工业锅炉节能减排做 出 贡献。强 参考文献 [ 1 ] 车得福．冷凝式锅炉及其系统 [ M] ．北京 机械_丁业 出 版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 张晓晖．燃气锅炉排烟冷凝热回收技术[ J ] ．工业锅炉， 2 0 0 8 4 ． 欢迎订 阅 工业锅炉 欢 迎 刊登 广 告 ，、 V ● - V V I ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ O ∞ 如 踮 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 一 一 壹 一 、 鲫 崧 凰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m