關于冷凝式燃氣鍋爐的節能與環保特性的分析

紀健波

摘要：冷凝式燃氣鍋爐就是使用冷凝式換熱器，將鍋爐排煙中水蒸氣凝結下來，以達到提高鍋爐熱效率降低污染的燃氣鍋爐。由于其在提高熱效率，降低污染物排放的突出優點，在供暖單位、鐵路行業及其他行業都得到了廣泛的應用。研究冷凝式燃氣鍋爐的節能與環保特性，無疑會對有效利用能源，提高能源的利用效率，都具有重大的現實意義。

關鍵詞：冷凝式；燃氣鍋爐；節能；環保

1 冷凝式燃氣鍋爐熱效率的計算

鍋爐熱效率，即鍋爐的總有效利用熱量占鍋爐送入熱量的百分數。一般設計鍋爐和進行鍋爐熱效率分析時，多采用反平衡法。該方法要求測定鍋爐的各項熱損失，然后按照公式（1）進行計算。

（1）式中：η為鍋爐的熱效率，%；q2為排煙熱損失，%；q3為化學不完全燃燒熱損失，%；q4為機械不完全燃燒熱損失，%；q5為鍋爐的散熱損失，%；q6為灰渣的物理熱損失及冷卻水熱損失，%。而以不同的發熱量作為計算依據，鍋爐的熱效率可以分為低位熱效率和高位熱效率。發熱量是指1kg固（液）體燃料或1m3氣體燃料，完全燃燒所放出的熱量。將計入水蒸氣汽化潛熱的發熱量稱為高位發熱量；將不計入水蒸氣的汽化潛熱的發熱量稱為低位發熱量。在我國，傳統的熱效率計算是采用低位發熱量作為基準。在考慮水蒸氣汽化潛熱的情況下，需要對公式（1）進行修正，修正結果如式（2）所示。

（2）式中：ηnet為按照低位發熱量計算的熱效率，Qgr，v，ar表示燃料的高位發熱量，kJ/m3；而Qnet，v，ar表示燃料的低位發熱量，kJ/m3，其余符號意義與式（1）相同。從公式（2）可以看出要提高鍋爐熱效率以實現節能，必須分析并設法減少后面的各項熱損失。對于燃氣鍋爐，灰渣物理熱損失q6和機械不完全燃燒熱損失q4幾乎為零；在鍋爐正常運行的情況下，化學不完全燃燒熱損失q3也接近為零；因此，燃氣鍋爐的最主要熱損失是排煙熱損失q2和散熱損失q5。如果外表面采用絕熱及密封性能好的外罩殼作為保溫層，q5可以降低到較小。而冷凝式燃氣鍋爐的高熱效率，則是通過回收煙氣中的汽化潛熱來實現的，排煙熱損失q2對整體熱效率的影響更為明顯。故而，降低排煙熱損失是冷凝式燃氣鍋爐提高熱效率的主要途徑。

2 冷凝式燃氣鍋爐的節能特性分析

2.1燃氣種類

冷凝式燃氣鍋爐燃氣種類包括天然氣、礦井氣、液化石油氣等。不同的燃氣組成成分各不相同，發熱量也不同。組成成分不同，燃燒所需的理論空氣量不同、燃燒產物更是不同。特別是H元素含量不同，天然氣H元素含量的質量百分數往往高達18～26%。冷凝式燃氣鍋爐中燃氣燃燒的產生的水蒸氣體積分數和煙氣體積分數的不同。以某地區天然氣為例主要成分見表1。其燃燒化學反應方程式：

根據燃燒化學反應方程式結合某地區天然氣成分顯示冷凝燃氣鍋爐有別于燃用其他燃料鍋爐冷凝。燃其他燃料鍋爐中含H元素低，燃燒過程中產生的水蒸氣份額并不大。盡管采用冷凝技術手段讓其煙氣中的水蒸汽90%冷凝下來，放出的全部顯熱和潛熱被鍋爐的冷凝器熱交換系統全部吸收后對外供熱。效率提高也不明顯。然而，冷凝鍋爐燃用的天然氣產生大量的理論水蒸汽容積份額占煙氣容積份額的18～25%。也包含少部分入爐冷空氣帶入的水蒸汽。相比較燃煤鍋爐燃燒產物的水蒸汽份額僅為5～10%，燃油鍋爐燃燒產物的水蒸汽含量為8～15%。煙氣的水蒸汽容積份額越高，煙氣露點溫度也越高。天然氣高位發熱量和低位發熱量相差很大。煙氣熱量的主要依靠大量的水蒸汽攜帶。攜帶的熱量約為所有排煙熱損失總和的50～79%。正因為天然氣的該特性使冷凝式燃氣鍋爐能夠充分利用這部分熱量，進而提高鍋爐的效率。

2.2排煙溫度

常規燃氣鍋爐在燃燒過程中，排煙溫度和過量空氣系數分別在250攝氏度和1.15以下，此時其熱效率可以達到90%左右，而冷凝式燃氣鍋爐在應用的過程中，其熱效率會提升到98%甚至105%，這與冷凝式燃氣鍋爐的露點溫度相比更低具有密切的關系，露點溫度的大小與煙氣中水蒸氣的含量之間具有較明顯的正相關性。通常情況下燃氣鍋爐的煙氣露點溫度在55至60攝氏度之間，如果冷凝式燃氣鍋爐的露點溫度在58.2攝氏度時，排煙處煙氣溫度比其小，冷凝式燃氣鍋爐會直接將煙氣中含有的水蒸汽冷凝，是水蒸氣中存在的潛熱和被汽化的水蒸氣中存在的潛熱被直接回收利用，達到節能的效果，如果在冷凝式燃氣鍋爐的露點溫度在58.2攝氏度時，排煙處煙氣溫度比其大，冷凝式燃氣鍋爐會通過冷凝器中相比煙氣換熱系數導熱系數更突出的換熱螺紋管對流過的煙氣進行冷凝，同樣達到節能的效果，不過此時的冷凝過程相比更加復雜。

2.3過量空氣系數

總體來說，過量的空氣系數增大會增加煙氣的體積，水蒸汽容積份額減少，從而使水蒸汽分壓力減小，煙氣的露點溫度也呈降低趨勢。增加煙氣中水蒸汽冷凝的難度。過量空氣為1.15時露點溫度為58.2。降低煙氣露點溫度對蒸汽冷凝熱量的回收產生影響。除此之外，冷凝器的對外供熱系統進出口工質參數、燃燒空氣的參數都會對冷凝式燃氣鍋爐的排煙熱損失產生影響，特別冷凝式燃氣鍋爐中的換熱系統（冷凝器或節能器），通過工藝流體工質與換熱器熱交換，進而降低煙氣溫度，減少排煙熱損失。入爐空氣的含濕量和溫度參數，標準狀態下入爐空氣的含濕量為10g/m3。這些參數變化都會對冷凝燃氣鍋爐中的排煙熱損失產生影響。

3 冷凝式燃氣鍋爐的環保特性

由于燃氣鍋爐中使用的燃氣，在燃燒后會產生二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、硫化物、粉塵、碳氫化合物等對空氣產生嚴重污染的氣體和粉塵，所以在用冷凝式燃氣鍋爐替代傳統燃氣鍋爐的過程中，要有意識的對其環保特性進行優化。冷凝式燃氣鍋爐在應用的過程中，可以直接利用冷凝器在煙氣中產生大量的水蒸氣，是其和煙氣中含有的各種有害物質進行傳熱、傳質等理化反應，使這些有害氣體由氣態轉化成液態，進而被有效的收集，并傳輸至相應的處理廠集中的處理，這不僅可以使燃氣燃燒過程中產生的有害物質不能直接的向空氣排放，降低了有害氣體對空氣的污染和破壞，而且在燃氣鍋爐應用的過程中，可以舍去專項的脫硫工藝，降低了企業在設備成本方面的投入，所以冷凝式燃氣鍋爐在環保方面的效果也極為突出。

在實踐中人們發現，在排氣溫度在25至40攝氏度，而空氣過量系數在1至1.4之間的情況下，可以使排除煙氣中一氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫的體積濃度分別縮減1.58×10-6至5.82×10-6m3/m3、1.19×10-6至2.92×10-6m3/m3、36×10-6至103×10-6m3/m3、1270×10-6至4591×10-6m3/m3，而且具體的環保效果會隨著水蒸氣溫度的變化和空氣過量系數的變化上下浮動；在排氣溫度在25至40攝氏度，而空氣過量系數在1至1.4之間的情況下，排除煙氣中一氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫的體積濃度的縮減與水蒸氣的吸收也具有一定的關系，通常情況下，一氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫的吸收率會分別達到8.6%、2.0%、0.107%和100%，這進一步證實冷凝式燃氣鍋爐在環保方面的有效性。現階段人們常識將燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐和冷凝式燃氣鍋爐的環保特性進行對比，但結合各方面的研究成果均體現出冷凝式燃氣鍋爐在環保方面的競爭優勢，為冷凝式燃氣鍋爐的推廣應用創造了條件。

4結束語：

冷凝式燃氣鍋爐既具有節能、環保的優勢，又可以彌補燃氣鍋爐在熱損失方面的缺陷，是一種高效率、低污染的現代鍋爐。應大力推進冷凝式燃氣鍋爐的應用，并不斷創新提高鍋爐熱效率，節約了天熱氣減少有害物質的排放。

參考文獻：

[1]用于冷凝式模塊化鍋爐高調節比的全預混燃燒控制技術[J].馬威.工業鍋爐.2016（03）.

[2]一種用于鍋爐冷凝式換熱器的熱力計算方法[J].李建波，吳曉明，陳凱，鄧磊，車得福.工業鍋爐.2016（06）.

[3]冷凝式節能器在燃氣鍋爐余熱回收中的應用[J].宋丹丹，俞增盛.上海節能.2015（05）.endprint