燃氣鍋爐排煙冷凝熱回收分析

胡少波，姚正華

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 蘇州 215600）

冷凝式換熱器是增設在天然氣鍋爐尾部的余熱回收裝置。當煙氣在通道內通過傳熱面時，只要近壁面溫度達到露點溫度，就會有水蒸氣凝結，釋放出部分汽化潛熱，并傳遞給受熱面內工質。因此，可以將排煙中大量的能量加以回收利用，從而達到節能環保的效果。隨著制造工業的不斷發展，各種新型高效的冷凝換熱裝置層出不窮，但是不論從結構，還是從實際余熱回收效果來看都有了非常大的改進。本論文對4t/h的燃氣蒸汽鍋爐加裝的冷凝式換熱器進行了設計計算，得到了一些換熱器的尺寸。

1 煙氣的特性分析

天然氣的成分絕大部分為烴，在燃氣鍋爐排煙中，水蒸氣的含量較高，有分析表明，在排煙中，可利用的熱能里，水蒸氣的汽化潛熱所占的份額相當大，每1 m3天然氣燃燒后可以產生1.55 kg水蒸氣。因此，其具有可觀的汽化潛熱，大約為3 700 kJ/Nm3，占天然氣的低位發熱量的10%以上。在傳統鍋爐中，排煙溫度一般在160～250℃，而煙氣中的水蒸氣仍處于過熱狀態，不可能凝結成液態的水而放出汽化潛熱。因此，傳統的天然氣鍋爐理論熱效率一般只能達到90%左右，而利用冷凝式換熱器，只要把煙氣溫度降到煙氣露點溫度以下，就可回收煙氣中的顯熱和水蒸氣的凝結潛熱，按低位發熱量為基準計算，天然氣鍋爐熱效率可達到甚至超過110%[1]。

2 實例應用

本文以下面的已知條件為例進行實驗：

（1）燃料：天然氣（體積百分比），如表1所示。

表1 天然氣體積百分比

（2）設計鍋爐的蒸發量為4t/h，產生1.6 MPa的飽和蒸汽；

（3）空氣過剩系數取1.1，空氣進口溫度為20℃，室外氣壓取一個標準大氣壓；

（4）鍋爐排煙溫度取50℃，要求設置冷凝式省煤器；

（5）鍋爐采用縱置式單鍋筒室燃結構，煙氣經輻射受熱面和對流受熱面冷卻后，進入省煤器，降溫至50℃排入大氣中。

2.1 露點溫度計算

在水蒸氣分壓力不變的情況下，使空氣冷卻至飽和濕蒸汽狀態時，將有水滴析出，此時的溫度為露點溫度。

三原子氣體體積VRO2=1.023 m3，水蒸氣體積VH2O=2.175 9 m3，氮氣體積 =8.693 43 m3，過剩氧氣體積VO2=0.301 77 m3。

查《傳熱學》附錄10得露點溫度t'py=57.6℃

同時，查表得水蒸氣的密度ρ=0.100 948 kg/m3，煙氣焓ipy=962.55 kJ/m3。

2.2 管內水流量計算

在熱平衡中

其中，

煙氣流量m煙=1.345 m3/s；

省煤器出口時剩的水蒸氣體積V'H2O=1.389m3/m3；

換熱器進口水溫度Tm1=40℃，出口水溫度Tm2=90℃；

汽化潛熱r=2 364.2 kJ/kg。

經過計算，得水流量mm=1.434 kg/s。

（1）管內水流速

因為管內水的流速有限制，所以取蛇形管根數n=8，所以管內水的流速νm=4.23 m/s。

（2）水蒸氣開始凝結時管內水的溫度

根據 mmCm(Tm2-Tm1)=(i煙-i"煙）m煙，得水的溫度T'm=42.45℃。

表2 沒發生水蒸氣凝結的換熱器的管長計算

2.3 沒發生水蒸氣凝結的換熱器的管長

沒發生水蒸氣凝結的換熱器的管長計算如表2所示。

2.4 發生水蒸氣凝結的換熱器的管長

發生水蒸氣凝結的換熱器的管長計算如表3所示。

表3 發生水蒸氣凝結的換熱器的管長計算

3 結束語

（1）天然氣鍋爐排放的煙氣中有較大含量的水蒸氣，若將煙氣溫度降低到露點溫度以下回收水蒸氣釋放的汽化潛熱，可將鍋爐效率提高10%以上。

（2）冷凝式換熱器常規段管長為4.66 m，冷凝段管長為10.94 m。

[1]車得福.冷凝式鍋爐及其系統[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]趙欽新，惠世恩.燃油燃氣鍋爐[M].西安：西安交通大學出版社，2000.

[3]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]E.U.施林德爾.換熱器設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1998.