深度回收燃氣熱處理爐煙氣中水蒸汽潛熱的冷凝器

保定市金能換熱設備有限公司（河北 071000)宿新天

最近國務院發布《大氣污染防治行動計劃》規定具體指標是：到2017年，全國地級以上城市可吸入顆粒物濃度比2012年下降10%以上；京津冀、長三角、珠三角等區域細顆粒物濃度分別下降25%、20%、15%左右。為實現以上目標，具體措施是加大綜合治理力度，減少多污染物排放；其中培育壯大節能環保產業，促進重大環保技術裝備、產品的創新開發與產業化應用。

目前，我國工業爐的能源利用水平還相當低，平均熱效率不到85%。利用余熱可以節約大量燃料，減少大氣污染，改善勞動條件，提高產量以及降低成本。節能是工業爐發展的關鍵，能耗的高低直接反映在產品的成本和價值上，也影響到產品的競爭能力和銷路，涉及到企業的發展和生存。通過提高企業能源的利用率，來解決當前能源供需矛盾是一條最有效途徑之一。用煙道氣余熱加熱水或是預熱空氣，使燃氣爐熱利用率大幅度地提高，可以節省燃料和減少二氧化碳的排放量。工業爐排煙溫度達到150～220℃，有效地利用這些大量的余熱資源尤其是深度回收利用煙氣中冷凝水釋放的潛熱，是最有效的節能措施之一。例如安裝冷凝器的燃氣鍋爐比普通燃氣鍋爐熱效率高10%左右。

1.深度回收冷凝技術概述

（1）燃氣工業爐的熱損失分析 傳統的熱處理燃氣爐的熱量損失主要發生在以下3個方面：爐體散熱損失，不完全燃燒損失（電爐不存在此項），排煙熱量損失。顯然，提高火焰類工業爐熱效率的基本途徑就是要從以上三個方面下功夫。其中排煙損失是鍋爐熱損失中最大的一項，約占鍋爐熱損失的70%～80%，一般達到150～190℃，這部分熱量只包括煙氣顯熱，但不包括煙氣中水蒸汽的潛熱。

（2）回收煙氣余熱后鍋爐熱效率分析 燃氣熱處理爐燃料的節約量是衡量工業爐余熱利用經濟性的重要指標，其燃料節約率是評定爐子熱效率的依據。預熱鍋爐給水，提高了燃料的利用率，達到了節能的目的。

燃氣鍋爐煙氣熱量應包括干煙氣的熱量和水蒸汽的熱量Q1

煙氣出口處煙氣和冷凝液的熱量Qr

回收煙氣總換熱量Q

冷凝水潛熱換熱量Qcool

煙氣顯熱熱量Qg

式中 Q1——煙氣輸入熱量，kJ/h；

Q2——煙氣出口處熱量，kJ/h；

Q——回收排煙總熱量，kJ/h；

Cpg——煙氣比熱容，kal/（Nm3·℃）；

T1——煙氣入口處溫度，℃；

T2——煙氣出口處溫度，℃；

η——翅片冷凝器效率；

α0——煙氣側對流換熱系數，W/（m2·K）；

γ——煙氣的質量流量，kg/h；

mcool——冷凝液生成量，kg/h；

hfg——水蒸汽焓值，kJ/kg；

A0——翅片管束外表面積，m2。

排煙溫度下降時，鍋爐的熱損失隨之減少。當排煙溫度降低到60℃以下，煙氣中的水蒸汽冷凝成水釋放出潛熱，1kg水蒸汽冷凝時會釋放2500kJ熱量。1Nm3天然氣燃燒后會產生2.25m3水蒸汽，以釋放出3391kJ熱量占到天然氣低值35000kJ為基準，則提高鍋爐熱效率ξ1

式中 ξ1——回收鍋爐煙氣余熱提高熱效率；

Q冷——冷凝器吸收的熱量，kJ/Nm3；

Q輸——燃氣燃燒發熱值，kJ/Nm3。

降低煙氣溫度回收的顯熱效率為1.8%，潛熱提高的熱效率為7.15%，兩項合計提高鍋爐熱效率：

按現行國家標準以燃料低位發熱值為基準，本案例計算鍋爐熱效率，回收前鍋爐的熱效率為91%，加上述兩項鍋爐合計熱效率ξ：

2.冷凝器的結構

冷凝器由方圓管道、冷水進口、翅片換熱管、框架、冷凝水出口及熱水出口組成，如圖1所示。

3.冷凝器的特點

（1）換熱管的管內強化傳熱 換熱管基管上加工有螺旋溝槽和基管外部焊接有翅片（見圖2），帶有螺旋溝槽的翅片管可以強化管內流體一側的對流換熱，螺旋溝槽翅片管使流體在管內產生螺旋運動并具有一定的徑向速度，從而有效地強化管內對流換熱，這使整個傳熱過程相應強化。同時，螺旋溝槽管便于快速大批量加工，使總傳熱系數顯著提高，這樣可以降低制造成本；換熱管螺旋形溝槽的螺旋角及節距可以方便地在加工過程中調整、改變并兼顧流動阻力。

（2）換熱管的管外強化傳熱 翅片管式冷凝器的傳熱是煙氣通過管壁將熱量直接傳遞給冷水進行相變換熱，屬于一次性換熱，同時由于管內是冷水而管外是煙氣，管內的換熱系數較管外大的多，因此總的傳熱系數主要取決于管外的換熱系數，通過在光管外表面鑲裝無切削整體擠壓翅片來增大外表面的面積，相當于增大管外的換熱系數，從而達到強化傳熱的目的。在保持管外側翅片傳熱能力不變的條件下，通過提高管內側對流換熱達到使該傳熱元件總傳熱能力增大的目的。

（3）冷凝器相關技術的改進措施 為實現該項技術改進主要需做以下三方面的工作：對冷凝器后邊的煙道改用耐腐蝕材料；燃燒系統改用按比例調節的燃燒方式，確保冷靜凝器運行性能穩定、高效；配備有冷凝水排放系統。

圖1 冷凝器結構示意

圖2 螺旋翅片換熱管

煙氣的余熱回收，主要是通過對流換熱來完成的。本方案具有重量輕、造價低、安全可靠性高、調節簡單等顯著的優點。

4.現場實測結果

該冷凝器自從2011年12月投產已來，運行正常，2013年4月26日河北省鍋爐監督檢驗院，在某廠現場實地進行測試，結果如附表所示。

冷凝器性能參數表

5.經濟效益和社會效益

（1）經濟效益 燃氣爐節約天然氣量，回收熱量按289kW計算，平均每小時每臺鍋爐節省天燃氣（低位發熱值按8500kcal/Nm3計算）36.8m3，每天可節天燃氣量368m3（按每天工作10h）。一年可節約省天然氣55200m3（一年工作150天）。年節約資金：55200×2.8=15.46萬元。投資回收期為76天。

（2）社會效益 每年減少向大氣中排放二氧化碳排放量 M：

M=0.0005908×55200=32.6t。

6.結語

冷凝器在熱處理燃氣爐余熱回收的成功應用，表明燃氣爐的熱效率會顯著提高。目前，工業生產中有大量鍋爐的煙氣余熱未能得到充分利用，若煙氣中水蒸汽潛熱得到深度回收利用，就可以把燃氣爐的熱效率提高到100%，這樣不但可以節省大量燃料，還能減少二氧化碳的排放，對改善空氣質量、預防大氣污染是一項積極有效的措施。