冷凝式鍋爐的節能參數分析及應用

施全臻

上海煙草集團有限責任公司

0 前言

在國內，燃燒天然氣的設備在運行過程中因受露點腐蝕、磨損等方面的原因，其排煙溫度往往遠超設備的設計值。普通的燃氣鍋爐排煙溫度一般在150℃～250℃以上，這一排煙溫度造成了鍋爐的效率普遍在80%左右。在燃燒過程中，由于天然氣成分的原因，煙氣中幾乎不含有SO2；氮氧化物排放量較燃煤降低45%、較燃油降低63%；CO2排放量比燃煤少52%、比燃油少26%。相較于一般燃料，由于天然氣中含有大量甲烷，導致其燃燒后排出的煙氣中含有大量的水蒸氣（容積成分接近20%），這部分水蒸氣中含有大量的潛熱，而這一潛熱占天然氣高位發熱量的比例為10%～11%。若不及時將這一熱量進行回收利用，將間接造成鍋爐效率偏低，在同等熱量需求下，燃料耗量增大，造成能源浪費和大氣環境污染。

冷凝式鍋爐是指在鍋爐燃燒做功的過程中，利用余熱提取技術將排煙溫度降至煙氣露點以下，將煙氣中的水蒸氣進行凝結從而釋放提取其中的汽化潛熱。在鍋爐效率的計算過程中，若以燃料低位發熱量Qdw作為基準，則冷凝式鍋爐的熱效率可達到100%以上[1-2]。

1 冷凝式鍋爐的工作原理和特點

在傳統鍋爐系統中，由于運行時排煙溫度過高，其煙道尾部受熱面一方面排煙溫度過高，一部分顯熱無法得到回收，并且，由于排煙溫度未降至露點溫度以下，水蒸氣不會產生冷凝，大量的汽化潛熱無法得到回收再利用。而在冷凝式鍋爐中，由于設定排煙溫度低于露點溫度，保證水蒸氣以冷凝式以釋放出汽化潛熱，使熱量得以回收，大幅提高鍋爐的熱效率。與此同時，由于煙氣中水蒸氣冷凝，將煙氣中的部分NOX、CO2溶解于水蒸氣中，減少了此類空氣污染物的排放，具有環保效益[3-4]。

冷凝式鍋爐具有如下特點：

（1）冷凝式換熱器材質多變[5]

在冷凝式鍋爐中，大量水蒸氣冷凝，同時煙氣中的酸性氣體溶于水蒸氣中，使冷凝水具有酸性腐蝕的特性，會對換熱器產生腐蝕，因此在冷凝式換熱器中通常選材要求較一般換熱器高，需具有較強的防腐蝕能力，因此冷凝換熱器的制造成本較高。在冷凝式換熱器中，防腐材料多種多樣，包括鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼和蒙乃爾合金等多種形式。

（2）節能效果好

在冷凝式鍋爐中，為解決一般鍋爐排放大量汽化潛熱的問題，將煙氣溫度設定為露點溫度以下，以此提高鍋爐的熱效率[6-7]，充分回收利用煙氣的顯熱和水蒸氣的冷凝熱，使燃氣鍋爐效率提升至100%～110%[3]。

在以天然氣為燃料的鍋爐中，煙氣中水蒸氣的含量直接與燃料的原始組成以及鍋爐的排煙溫度密切相關[8-9]。當燃料中H元素的含量大時，產生的水蒸氣量也會較多，此時，高、低位發熱量差值越大。其中天然氣等有機氣態燃料為最大，液態燃料依次減小，其汽化潛熱也逐次減少。

（3）良好的環保效益[10-12]

燃料在鍋爐內燃燒產生的煙氣中常伴有NOX、SOX等酸性氣體和CO2等溫室氣體，若直接排放至大氣中會造成環境污染，而在冷凝式鍋爐中，由于會產生冷凝水，酸性氣體和溫室氣體會溶于水中，從而降低了負面氣體的直接排放，減弱對環境的污染。

（4）安裝位置可因地制宜

冷凝式節能器采用強化翅片換熱管結構，翅片管外部走煙氣，管內走水，同時冷凝式節能器本體結構緊湊，占用空間較小，安裝位置可因地制宜。

（5）冷凝式節能器屬低阻設備，系統阻力隨著煙氣流速的增加而增加。

冷凝式換熱器的類型見圖1，各種類的區別見表1：

圖1 接觸式余熱回收器類型

2 冷凝式鍋爐的煙氣分析及熱量回收計算

2.1 天然氣成分

上海市天然氣組成主要有東海平湖天然氣田，也是目前上海天然氣主要供氣氣源之一。其成分檢測數據見表2。

表1 冷凝式換熱器的種類及區別

表2 上海市天然氣組成成分

該天然氣的低位發熱量為Qdr=36.59MJ/Nm3，高位發熱量為Qgr=40.52 MJ/Nm3，兩者相差為3.93 MJ/Nm3，該差值即為煙氣中水蒸氣的汽化潛熱。在一般燃氣鍋爐排煙溫度下，水蒸氣仍處于過熱狀態，因而由鍋爐排煙所帶走的汽化潛熱占低位發熱量的比例可用式1求得。

對于東海天然氣而言，通過上式計算得出Δη=10.74%，即：傳統燃氣鍋爐每燃燒1Nm3天然氣產生的水蒸氣帶走的汽化潛熱占燃氣低熱值Qdr的10.74%，這意味著在傳統鍋爐中，有很大的熱損失是由于水蒸氣中所含有的汽化潛熱造成的[13-15]。同時，該比例可用來表示若將該部分汽化潛熱利用，可以使鍋爐效率提高的百分比。

2.2 燃燒產物——煙氣成分計算

本文所指的煙氣是天然氣在鍋爐內完全燃燒后的產物。供給鍋爐的空氣恰好完全滿足燃料燃燒所需時，此時的空氣量稱為理論空氣量，燃料完全燃燒產生的煙氣量為理論煙氣量。

在實際的鍋爐運行中，為了保證燃料完全燃燒，實際空氣量與理論空氣量之比都是大于1的，該比例稱為過量空氣系數。在燃燒完成后，空氣會有剩余，此時煙氣中必然存在剩余的過量氧氣，這時的煙氣量稱為實際煙氣量。若燃燒不完全，煙氣中會含有CO、CH4和H2等未燃盡的可燃成分[16]。以上海天然氣為例，計算燃氣鍋爐燃燒后的理論空氣量、理論煙氣量及實際煙氣量，并對燃燒產物進行分析。

2.2.1 理論空氣量

標準狀態下，1Nm3天然氣完全燃燒所需要的理論空氣量為：

式中，H2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C5H12、C6H14為天然氣各組分的容積分數。

根據式2，可以計算得出，天然氣燃燒理論空氣量為V0k=9.68Nm3/Nm3

2.2.2 實際空氣量

為保證燃料燃燒效率，鍋爐實際送風量大于理論空氣量，實際空氣量與理論空氣量的比值稱為過量空氣系數，用α表示。實際空氣量計算公式如式（3）：

以實際運行過程中，燃氣鍋爐的過量空氣系數α一般為1.05～1.25，則根據式3，計算得出，天然氣燃燒所需實際空氣量Vk=10.16～12.1Nm3/Nm3

2.2.3 理論煙氣量

（1）三原子氣體體積

理論煙氣成分為C02、SO2、N2和H2O。在煙氣分析時，CO2和SO2的量經常合在一起進行，并且反應生成CO2合SO2的化學反應方程式也有諸多相似之處，因此CO2和SO2常常被統稱為三原子氣體，用RO2表示。

H2S、CmHn、CO、CO2——燃氣中各種各組分的容積成分。

（2）水蒸氣體積

3）氮氣體積

4）理論煙氣量

2.2.4 實際煙氣量

實際煙氣量包含了天然氣燃燒后生成的產物及剩余的空氣量，實際煙氣量的計算如式8：

根據α=1.05～1.25，及式8計算得出，天然氣燃燒產生的實際煙氣量為Vy=11.184～13.12 Nm3/Nm3。

表3 東海天然氣燃燒所需的空氣量和生成的煙氣量(Nm3)

表4 煙氣中水蒸氣含量分析

圖2 煙氣中水蒸氣含量與空氣過量系數的關系

由圖2可知，煙氣中水蒸氣含量與空氣過量系數滿足以下關系式

Vw=-14.25α+4.25

式中Vw——煙氣中水蒸氣含量，%；

α——空氣過量系數。

2.3 冷凝式節能器熱量回收計算

燃氣鍋爐煙氣經過冷凝式節能器后，溫度會降低到50℃以下，此時回收的熱量既包括顯熱量又包括潛熱量，很難分別單獨計算。因此，對于鍋爐出口煙氣在100℃以上時，未發生冷凝，節能器僅回收顯熱；對于煙氣溫度從100℃降到50℃時，節能器工作在濕空氣下既回收顯熱又回收潛熱。

節能器冷凝熱量計算[17]如下：

（1）煙氣顯熱回收量為

式中Qx——可回收的顯熱量，kW；

Vf——實際煙氣總體積，Nm3/h；

ρf——標準工況下煙氣密度，kg/Nm3；

Cpf——煙氣的定壓比熱，kJ/kg·℃；

tf0——煙氣在冷凝式節能器進口溫度，℃；

tf——煙氣在冷凝式節能器出口溫度，℃；

（2）冷凝的水蒸氣容積（標準狀況下）按式（10）計算：

VHO——水蒸氣容積，m3/m3；

Vy——煙氣容積，m3；

Ps——對應溫度水蒸氣飽和壓力，Pa；

Py——煙氣壓力，Pa。

水蒸氣凝結液量按式11計算：

（3）煙氣潛熱回收量為

式中Qq——可回收的潛熱量，kW；

r——煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，kJ/kg；

（4）煙氣回收總熱量Q為：

2.4 冷凝式鍋爐的余熱回收案例

上海某燃氣鍋爐額定工況下每小時燃燒500 Nm3天然氣，上海市全年平均大氣壓力接近1標準大氣壓，以空氣系數α=1.1為例，此時煙氣露點為59℃，額定工況下每小時燃燒天然氣產生的煙氣質量為7 243 kg。

表5 α=1.1時煙氣成分的百分數

混合氣體煙氣的比熱根據各組分真實比熱和其質量分數按照式求出

式中Cpf——煙氣的定壓比熱，kJ/kg·℃；

ri——煙氣各組分的質量分數。

根據煙氣露點，分別取60℃、50℃、40℃三個不同的設計排煙溫度，及安裝冷凝式換熱器之前的正常排煙溫度180℃。查詢在這些溫度下的煙氣的各成分的比熱，并且按照上式計算煙氣的定壓比熱容，計算結果如表6所示。

表6 煙氣的定壓Cp f

上海某燃氣鍋爐每小時燃燒500 Nm3天然氣，根據公式（9）得每小時煙氣可回收的顯熱量為1 443.240MJ。

通過查水蒸氣熱力學特性表，查找出在各個設計溫度下水蒸氣的飽和壓力，從而可以求得水蒸氣冷凝比例。當煙氣在冷凝式節能器出口溫度為50℃時冷凝比例為28.27%；當煙氣在冷凝式節能器出口溫度為40℃時冷凝比例為57.42%。根據公式（10）～（12）得煙氣在冷凝式節能器出口溫度50℃每小時水蒸氣的汽化潛熱量為552MJ；在冷凝式節能器出口溫度40℃每小時水蒸氣的汽化潛熱量為1 119.4MJ。

3 結論及建議

通過以上煙氣分析、熱量回收計算和節能改造實例可得出以下結論和建議：

（1）當常規鍋爐增設冷凝式節能器后，排煙溫度仍不可無限制地降低。因為當排煙溫度較低時，會形成露點腐蝕，對換熱器有一定程度的影響，縮短使用壽命。因此，冷凝式換熱器常需采用耐腐蝕的材料，造成其制造成本較高。

（2）冷凝式鍋爐并非只是普通增設冷凝式換熱器就可以完成的，需通過系統設計，從整體上進行把關，綜合了燃料燃燒的控制力度、冷凝式換熱器防腐、煙氣分析、供熱模式轉化等多個技術領域。

（3）在天然氣鍋爐中，由于增設冷凝式節能器后，其煙氣內的水蒸氣得以冷凝而釋放出大量汽化潛熱，其熱量占比可達高位熱值的10%左右。并且，在冷凝水側，煙氣內的酸性氣體與溫室氣體直接溶于冷凝水中，降低直接排放至大氣中造成的環境影響，可同時達到節能減排和保護環境的作用。