一種深度回收煙氣中冷凝水潛熱的冷凝器

劉　亮， 宿新天， 郭少春，王　碩，崔敬麗

(1.保定市金能換熱設備有限公司,河北 保定 071000；2.中航工業沈陽飛機工業集團有限公司，遼寧 沈陽 110850；3．中國熱處理行業協會，北京 100083)

一種深度回收煙氣中冷凝水潛熱的冷凝器

劉亮1， 宿新天1， 郭少春1，王碩2，崔敬麗3

(1.保定市金能換熱設備有限公司,河北 保定 071000；2.中航工業沈陽飛機工業集團有限公司，遼寧 沈陽 110850；3．中國熱處理行業協會，北京 100083)

摘要：介紹了一種深度回收煙氣中冷凝水潛熱的冷凝器，通過冷凝器把煙氣中水蒸汽冷凝并吸收釋放出的潛熱從而將管內冷水加熱，水溫可在30～95 ℃調節，通過給水泵把被加熱的水輸送到鍋爐或供暖系統中加以利用。安裝深度回收煙氣冷凝水潛熱的燃氣鍋爐比普通燃氣鍋爐熱效率高10%左右，鍋爐效率可接近100%，通過提高企業能源的利用率來解決當前能源供需和環境污染的矛盾是一條有效的途徑。

關鍵詞：冷凝器；傳熱管；潛熱；熱效率

國務院發布的《大氣污染防治行動計劃》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、長三角和珠三角等區域細顆粒物濃度分別下降25%、20%和15%左右。為實現上述目標，需加大綜合治理力度，減少多污染物排放，培育和壯大節能環保產業，促進重大環保技術裝備和產品的創新開發與產業化應用。

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力和銷路，涉及到企業的生存和發展，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有效的途徑。用煙道氣余熱來加熱水或預熱空氣，使鍋爐熱利用率大幅度提高，可以節省燃料和減少二氧化碳的排放量。工業爐排煙溫度可達到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，鍋爐效率可接近100%。

1深度回收冷凝技術

1.1燃氣工業爐的熱損失分析

傳統的燃氣工業爐的熱量損失主要發生在下述3個方面：1)爐體散熱損失；2)不完全燃燒損失(電爐不存在此項)；3)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對上述3個方面做深入研究，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%[1]，其溫度一般可達到150～190 ℃，這部分熱量只包括煙氣顯熱，不包括煙氣中水蒸汽的潛熱。

1.2回收煙氣余熱后鍋爐熱效率分析

工業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。

燃氣鍋爐煙氣熱量包括干煙氣的熱量和水蒸汽的熱量Q1[1-2]：

Q1=γCpgT1+M1hfg(T1)

(1)

煙氣出口處煙氣和冷凝液的熱量Q2為：

Q2=γCpgT2+M2hfg(T2)+mcoolCpT2

(2)

回收煙氣總換熱量Q為：

Q=Q1-Q2

(3)

冷凝水潛熱換熱量Qcool為：

Qcool=mcoolhfg(T1)

(4)

煙氣顯熱熱量Qg為：

Qg=α0ηA0(Tg—Ti)

(5)

式中，Q1是煙氣輸入熱量，單位為kJ/h；Q2是煙氣出口處熱量，單位為kJ/h；Q是回收排煙總熱量，單位為kJ/h；T1是 煙氣入口處溫度，單位為℃；T2是煙氣出口處溫度，單位為℃；η是翅片冷凝器效率；α0是煙氣側對流換熱系數，單位為W/(m2·K)；γ是煙氣的質量流量，單位為kg/h；mcool是冷凝液生成量，單位為kg/h；hfg是水蒸汽焓值，單位為kJ/kg；A0是翅片管束外表面積，單位為m2。

排煙溫度下降時，Ipy就會下降，Q2隨之減小，鍋爐的熱損失減少；當排煙溫度<60 ℃，煙氣中的水蒸汽冷凝成水釋放出潛熱，1 kg水蒸汽冷凝時會釋放2 500 kJ熱量。1 m3天然氣燃燒后會產生2.25 m3水蒸汽,釋放出3 391 kJ熱量，以天然氣低值35 000 kJ為基準,則需提高鍋爐熱效率ξ1：

(6)

式中，ξ1是回收鍋爐煙氣余熱提高熱效率；Q冷是冷凝器吸收的熱量，單位為kJ/Nm3；Q輸是燃氣燃燒發熱值，單位為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%，2項合計提高鍋爐熱效率為：

ξ2=7.15%+1.8%=8.95%

按現行國家標準，以燃料低位發熱值為基準計算鍋爐熱效率,回收前鍋爐的熱效率為91%,加上述2項，鍋爐合計熱效率ξ為：

ξ=ξ1+ξ2=91%+8.95%=99.95%

(7)

2冷凝器結構

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

圖1　冷凝器結構圖

3冷凝器的創新點

3.1換熱管的管內強化傳熱

換熱管基管上加工有螺旋溝槽，基管外部焊接有翅片，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地強化[3]。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和改變并兼顧流動阻力。螺旋翅片換熱管如圖2所示。

圖2　螺旋翅片換熱管圖

3.2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，通過在光管外表面無切削整體擠壓翅片來增大外表面的面積，相當于增大了管外的換熱系數，從而達到強化傳熱的目的[4]。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可達到使該傳熱元件總傳熱能力增大的目的。

3.3冷凝器相關技術的改進措施

為實現該項技術改進，主要做了3方面的工作：1)對冷凝器后邊的煙道改用耐腐蝕材料；2)燃燒系統改用按比例調節的燃燒方式，確保冷凝器運行性能穩定、高效；3)配備冷凝水排放系統。

煙氣的余熱回收主要是通過對流換熱來完成的。本方案具有質量小、造價低、安全可靠性高和調節簡單等優點。

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對某中心醫院進行了現場實地測試，結果見表1。

表1　冷凝器性能參數表

5經濟效益和社會效益

5.1經濟效益

1)燃氣爐節約天然氣量。回收熱量按289 kW計算，平均每小時每臺鍋爐節省天燃氣(低位發熱值按8 500 kcal/Nm3計算)36.8 m3，每天可節天燃氣量368 m3(按每天工作10 h)，一年可節約天然氣55 200 m3(一年工作150 d)。

2)年節約資金：5.52×2.8=15.46萬元。

3)投資回收期為76 d。

5.2社會效益

每年減少向大氣中排放二氧化碳量M=0.000 590 8×55 200=32.6 t。

6結語

冷凝器在工業爐的余熱回收方面的成功應用表明燃氣爐的熱效率可以得到顯著的提高，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,若使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將近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防治措施。

參考文獻

[1] 花秀峰, 李曉明.火力發電廠煙氣余熱利用的分析和應用[J]. 節能, 2013(11):89-91.

[2] 崔永章, 錢申賢. 天然氣熱水器翅片式冷凝換熱器的計算方法[J]. 煤氣與電力， 2000(11):411-413.

[3] 趙蔚琳, 莊 駿, 張 紅. 一種新型高效強化傳熱技術[J]. 工業爐, 2004(3):8-10.

[4] 何介英.工業爐節能技術[M].濟南：山東科學技術出版社，1984.

責任編輯李思文

北方材料科學與工程研究院濟南所研制的

8類34種國家二級標準物質順利通過評審

2014年12月底，中國兵器工業集團北方材料科學與工程研究院濟南所的相關技術人員在北京參加了全國標準物質管理委員會組織的國家二級標準物質評審。濟南所申報了氣體、農殘和濾光片等共計8類35種標準物質，經過技術人員的認真答辯，最終有34種二級標準物質順利通過評審。目前，國內標準物質申報及審查越來越嚴格，總體通過率僅為30%，而此次濟南所的通過率達到97.1%，充分說明了濟南所深厚的技術實力，獲得了評審專家的高度評價。本次通過評審的8大類34種二級標準物質是繼2013年獲批的1種一級標準物質、17種二級標準物質的又一次擴充，本次評審通過后，濟南所共擁有標準物質達260種，形成了專業領域廣、數量眾多、品種較為齊全的標準物質庫，標準物質的銷售也是一年一個新臺階，面對激烈的市場競爭，濟南所會繼續以市場為導向，不斷提高標準物質研制的技術能力與水平，不斷擴充標準物質的種類和數量，建立更加完善的標準物質庫，成為權威的標準物質研制、提供、發放技術機構。

——摘自中國兵器工業集團公司網

Application of Recovering Waste Heat in Gas Furnace of Steel Jar Modified Treatment

LIU Liang1，SU Xintian1，GUO Shaochun1, WANG Shuo2, CUI Jingli3

(1.Baoding Jinneng Exchanger Co., Ltd , Baoding 071000, China;2.AVIC Shenyang Aircraft Corporation,Shenyang 110850, China;3.China Heat Treatment Association, Beijing 100083, China)

Abstract:The paper introduced a kind of condenser which can fully recover the latent heat of steam in the exhausted gas, and absorbed latent heat of steam is used to heat the cold water in pipe, the water temperature can be adjusted in range of 30～ 95 ℃ and the heated water can be pumped into the boiler or heating system through pipes. The thermal efficiency of a gas boiler with the latent heat recovery installation is about 10% higher than that of the ordinary gas boiler, close to the efficiency of 100%. Improvement of the utilization rate of energy in enterprises will be greatly benefit to solve the contradiction of energy supply and environmental pollution.

Key words:condenser, heat transfer pipe, latent heat, thermal efficiency

收稿日期：2014-11-12

作者簡介：劉亮(1981-)，男，助理工程師，主要從事熱能工程設計及開發等方面的研究。

中圖分類號：TB 657

文獻標志碼：B