燃氣鍋爐煙氣余熱冷凝回收的研究與應用

魏立全

摘 要：應用煙氣余熱冷凝回收裝置能夠降低燃氣鍋爐的能源消耗。基于此，本文闡述了冷凝器的低溫介質、余熱回收系統、翅片管式冷凝換熱器余熱回收裝置的設計，同時，針對冷凝器的性能和效益進行分析，通過計算燃氣鍋爐煙氣數據與余熱潛力數值，能夠分析出應用冷凝器的燃氣鍋爐煙氣余熱回收效果。通過論述以上方法，來為技術人員提供一些參考。

關鍵詞：燃氣鍋爐；煙氣余熱；冷凝回收

中圖分類號：TK229.8 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）06-0007-02

如今，我國使用的燃氣鍋爐存在制造成本低，易遭受低溫腐蝕的問題，導致鍋爐的使用率只有理論應用效率的80-90%。因此，將傳統的天然氣鍋爐設計成為冷凝式鍋爐能夠提升鍋爐的工作效率，產生很好的節能效果。在燃氣鍋爐的煙氣余熱系統中設計冷凝器，可以提高煙氣余熱的利用率，降低鍋爐的資源消耗，提升經濟效能。

1 燃氣鍋爐的煙氣余熱研究

1.1 天然氣成分

一般來說，天然氣的低熱發熱量，高位發熱量為，二者差值為，這個數值就是水蒸氣汽化潛熱值。燃氣鍋爐的排煙溫度正常的情況下，水蒸氣處于過熱的狀態，鍋爐排煙流失的汽化潛熱值與發熱零的對比公式如下：

（1）

根據公式，可以計算出，就是指傳統的燃氣鍋爐每產生1Nm3的熱量，就會帶走11.4%的水汽汽化潛熱量。

同時，以天然氣的地位發熱值為基礎數據，按照天然氣的最佳燃燒狀態，鍋爐產生的極限熱值為111.4%（標準值），就是指鍋爐中的煙氣水蒸中的余熱也被全部利用，這個時候的鍋爐利用率達到了100%。從側面反映出，燃氣鍋爐的煙氣余熱冷凝回收具有極大的潛力值。

1.2 燃燒產物的計算

燃燒產物是指天然氣在鍋爐內部完全燃燒，完全燃燒產生的煙氣量為理論煙氣量，主要的成分為、、、。在進行煙氣分析時候，會一同分析和，因此，統稱為三原子氣體。在實際燃燒過程中，為了保證燃燒質量，實際和理論空氣量都需要大于1，如果燃燒完成后，出現剩余空氣，說明煙氣中還有氧氣，導致實際空氣量出現剩余現象。實際的煙氣量主要包括了燃燒出產物、剩余的空氣量，計算方法如下：

按照a=1.05-1.25，根據公式，可以計算，實際燃燒中的出天然氣的煙氣量為：[1] （2）

2 燃氣鍋爐煙氣余熱冷凝回收裝置的設計

2.1 煙氣余熱計算

以某高校的鍋爐房燃氣鍋爐為例，進行計算。該校的鍋爐主要為食堂、教學樓、寢室、洗澡間供熱，蒸發量為2t/h，額定溫度為194℃，天然氣的耗量為150Nm3。當a=1.1時，按照公式（2）計算出鍋爐每小時產生的空氣量和煙氣量數據如下：

容積分數：氮氣72.19；氧氣1.74；水蒸氣17.09；三原子氣體8.97；煙氣100；

摩爾質量：氮氣28.01；氧氣32.0；水蒸氣18.2；三原子氣體44.1，煙氣28.1；

質量分數素：氮氣72.72；氧氣2.01；水蒸氣11.08；三原子氣體14.02；氧氣100。

按照數據顯示，當過量空氣的系數a=1.1時候，燃燒天然氣，額定工況每小時產生的煙氣含量為2178.8kg，水蒸氣的質量為241.34kg。

該高校鍋爐每小時使用燃氣150Nm3，燃料的地位發熱量為36.6MJ/Nm3。按照煙氣濕度和煙氣溫度計算公式：可知，鍋爐在滿載負荷運行的時候，產生的不同煙氣排放溫度和實際的排煙量的損失、冷凝器的參數設計相關，能夠產生不同的回收量，進而提高燃氣鍋爐效率。數據如下：

排煙濕度180℃，熱量為1.114GJ，回收率為0，鍋爐效率提升0；

排煙濕度60℃，熱量為0.804GJ，回收率為0.31，鍋爐效率提升5.6；

排煙濕度50℃，熱量為0.778GJ，回收率為00.335，鍋爐效率提升6.1；

排煙濕度30℃，熱量為0.728GJ，回收率為0.386，鍋爐效率提升7.1[2]。

2.2 低溫介質的選擇

上文提到的高校鍋爐需要全年運行，每天的運行時長為13個小時，為了確保師生熱水需求，鍋爐的溫度設計為40℃。鍋爐的溫度升高，產生大量的熱力消耗，以供水系統為例，將30t水從20℃上升到50℃，每天需要增加30.15GJ的熱量，煙氣排放量達到10.53GJ。因此，該鍋爐將洗澡水和鍋爐給水作為冷凝低溫熱源。由于該地區的天然氣中不含有硫的成分，煙氣冷凝水的PH值在5.5左右，腐蝕度較低，可以使用碳鋼殼，將外殼底部鋼板傾斜成一定斜度，確保冷凝水流出換熱器，不會影響效果。

2.3 余熱回收系統設計

該校的鍋爐額定增發量為2t/h，為保證煙氣充分冷凝，需要將鍋爐的供水和洗澡水同時作為低溫熱源。由于洗澡水開放的時間為3個小時，如果溫度沒有達到額定數值，可以采用蒸汽輔助加熱；鍋爐給水要在水泵功效下，完成循環流動。在安裝冷凝換熱器后，排煙的溫度下降，煙氣也下降，需要借助引風機來排煙。

為了進一步測試出冷凝換熱器的回收效果，在換熱器的進水口和給水系統進水管道上，安裝計量器和溫度計量儀，進而監測數據。

為方便同時加熱兩種用水，將冷凝式轉化器設計為熱管組合式換熱器，使用不銹鋼熱管，功率為1.05kW。在鍋爐的給水一側擺放106根熱管，洗澡水一側擺放60根熱管，按照正三角形的方式搭建，計算功率計為173.5kW。

2.4 翅片管式冷凝換熱器余熱回收系統的設計

循環水的水量較大，為保證鍋爐的供熱能力，需要在間壁式換熱器加熱供暖回水，使冷凝水的溫度達到80℃，采暖回水的溫度為45℃。同時，循環水在流動的過程中，需要很多的翅片管，阻力較大，維護成本和運營成本都很高，為此，按照熱負荷的計算，截取一部分的循環水在加熱后，重新返回供熱管道，繼續完成加熱。換熱器的管道較短，阻力小，可以不增設水泵，已經被加熱的循環水依靠抽吸作用來實現混合，此外，該系統還需要設置風機來輔助排煙。

3 燃氣鍋爐煙氣余熱冷凝回收裝置應用效果分析

3.1 性能測試

通過對鍋爐系統的冷凝煙氣余熱回收裝置的設計，在安裝完成后，得出一些運行數據：

日期1：入口煙氣溫蒂181.3℃，出口煙氣溫度38.5℃，冷凝水量為138kg/h，回收余熱量0.638Gj/h；

日期2：入口煙氣溫蒂176.1℃，出口煙氣溫度37.9℃，冷凝水量為143kg/h，回收余熱量0.658Gj/h；

可以看出，由于低溫熱源充足，使得煙氣溫度下降至40℃，能夠回收大量的煙氣，回收熱量占地位發熱量的10%左右，相當于提高了10%的鍋爐效率。

3.2 效益分析

考慮到冷凝式換熱器的制造、安裝等費用，鍋爐的冷凝器的預計投資為20萬元，同時輔助排風系統為4萬元，系統的運行成本有所增加。但可回收的余熱達到10%，天然氣的價格為2.8元/m3，采用冷凝換器回收的價值為18Nm3，能源價值為47.4元/h，在不考慮運行維護費用基礎上，該校的鍋爐在滿載4921h后，能夠回收成本[3]。

4 結語

綜上所述，利用燃氣鍋爐煙氣余熱冷凝回收裝置能夠提升鍋爐燃燒的經濟效益。在此基礎上，在換熱器的進水口和給水系統進水管道上，安裝計量器和溫度計量儀，能夠監測冷凝器的運行數據；同時，將供暖回水作為低溫熱源，回水溫度越低，水量越大，余熱回收的效果越好。因此，選擇合適的低溫介質，強化余熱回收系統設計，能夠發揮燃氣鍋爐煙氣余熱冷凝回收裝置的經濟效益。

參考文獻

[1]王璐.冷凝式節能器在燃氣鍋爐余熱回收中的應用[J].中國設備工程，2017，（14）：202-203.

[2]馬有剛.煙氣余熱回收裝置在燃氣鍋爐中的應用[J].石油技師，2017，（02）：55-57.

[3]陳沖.燃氣鍋爐煙氣余熱深度回收技術應用[J/OL].機械研究與應用，2016，（06）：169-170+173.