浸沒式燃燒鍋爐的設計

李瑞宇

摘要：目前我國的環保政策日趨完善，工業企業中高污染、高能耗的設備已逐漸被燃燒清潔燃料的新型設備所取代，天然氣等清潔能源已成為工業企業的首選，但是天然氣的價格較昂貴，所以提高天然氣鍋爐的燃燒效率仍然是一個十分重要的問題。本文提出的浸沒式燃燒技術能夠預先將燃氣與空氣送入燃燒室，再將燃燒完全后的高溫煙氣噴入液相區達到液體與高溫煙氣直接換熱從而與液體二次換熱。通過實驗與技術經濟分析得知，此技術具有節省制造成本、傳熱效率高、能源利用率高、對鍋爐的腐蝕性小等優點。

Abstract： At present， China's environmental protection policy is becoming more and more perfect. The equipment with high pollution and high energy consumption in industrial enterprises has been gradually replaced by new equipment that burns clean fuel. Clean energy such as natural gas has become the first choice of industrial enterprises， but the price of natural gas is relatively expensive， so increasing the combustion efficiency of natural gas boilers remains a very important issue. The immersion combustion technology proposed in this paper can send gas and air into the combustion chamber in advance， and then spray the high-temperature flue gas after combustion into the liquid phase to directly exchange heat between the liquid and the high-temperature flue gas to exchange heat with the liquid. Through experiments and technical economic analysis， this technology has the advantages of saving manufacturing cost， high heat transfer efficiency， high energy utilization rate， and low causticity to the boiler.

關鍵詞：沉浸式燃燒;天然氣鍋爐;燃燒技術;燃燒效率

Key words： immersed combustion;natural gas boiler;combustion technology;combustion efficiency

中圖分類號：TK229.8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）20-0178-03

0 ?引言

天然氣鍋爐因具有設計投資小、運行調節方便、清潔性好、易滿足環保要求等優點被用戶青睞[1]。

在用天然氣相對其它固體燃料具有雜質含量很少、低磨損、少結渣等優點，且能夠更好的提高鍋爐受熱面的煙氣流速，而被廣大用戶積極采用[2]。而國內在用燃氣鍋爐中保溫性能較好的熱效率可達90%以上（低位熱值），但由于其價格相對昂貴（約為煤5倍、輕柴油1.5倍），所以如何提高然氣鍋爐熱效率極為重要。

提高鍋爐熱效率，就必須減少各種熱損失。對于燃氣鍋爐，由于氣體燃盡時灰分基本為零，更無固體、液體燃料的機械不完全燃燒現象，故機械不完全燃燒熱損失q4、灰渣物理熱損失q6均為零;在鍋爐正常運行的情況下，化學不完全燃燒熱損失q3接近于零;散熱損失q5和鍋爐的爐型及維護結構有關，對于燃氣鍋爐，一般均為小型快裝鍋爐，外表面積較小，并采用了高熱阻及封閉的外罩殼作為保溫層，q5也不大，并且隨鍋爐容量的增大而減少，如2.8 MW熱水鍋爐的q5約為2%。因此燃氣鍋爐最主要熱損失是排煙熱損失q2。所謂排煙熱損失是指煙氣離開末級受熱面帶走的熱量，對鍋爐排煙溫度的高低起決定性作用。

排煙熱損失是降低鍋爐效率的主要因素。若采用常規的鍋爐設計技術，不加裝節能器，6t/h以下的鍋爐尾部煙溫達300℃，10t/h以下的鍋爐尾部煙溫在230℃左右，而20t/h的鍋爐尾部煙溫也高達200℃。此外，由于天然氣燃料含氫量大，經驗分析每產生10萬大卡的熱量所產生的水蒸氣相對燃煤工業鍋爐多2倍，較重油高46%左右。又由于標況下水在100℃時汽化，而目前大多數燃氣鍋爐煙溫均超過200℃，因此水蒸氣汽化潛熱歲尾部煙道損失掉而無法回收。又因水蒸汽凝結會放出大量的熱量，如果采用浸沒式燃燒技術將排煙溫度降低到40℃，不但可以減低排煙熱損失，還可以回收大量的水蒸汽凝結所釋放的汽化潛熱，使鍋爐的效率大幅度提高。吉林省能源研究所曾對一臺采用浸沒式燃燒技術的2t/h天然氣鍋爐進行了熱工測試，其熱效率高達98%，若按考慮水蒸汽的凝結熱計算，其鍋爐熱效率達103%。所以，采用浸沒式燃燒技術可以極大地提高鍋爐熱效率，節約大量的資金，值得大力推廣。

1 ?概述

浸沒式燃燒是一種新型的燃燒技術，能夠預先將燃氣與空氣送入鍋爐的燃燒室完全燃燒，再將燃燒完全后的高溫煙氣噴入液相區，從而達到與液體的二次換熱目的。

浸沒式燃燒過程屬無焰燃燒的一種，而其換熱方式屬直接接觸式換熱。此種燃燒方式的早期應用在于解決鍋爐間壁式換熱的問題，主要如下：

①氣體對流換熱系數較小，同等出力下所需傳熱面多。

②設備大且傳熱系數較小，投資大。

③加熱或蒸發易結晶、易結垢、粘稠的液體時，接觸壁面易產生水垢，降低設備熱效率，甚至引起安全事故。

④排出的煙氣溫度高，熱損失大，不安全。

⑤設備效率低，能耗高。

浸沒式燃燒（直接接觸式換熱），具有優點如下：

①傳熱面不固定，解決了間壁式換熱器傳熱面的腐蝕、結垢、結晶等問題。適用于蒸發或加熱腐蝕性強、粘稠、易結垢和易結晶的液體。

②高溫煙氣經液體鼓泡流出，從而能夠使氣液兩相流充分接觸換熱。又由于氣液混合時攪動強烈，大大增加了氣液間的換熱面，從而強化換熱過程，能夠使高溫的煙氣余熱以最大限度給液體加熱，達到降低排煙溫度的目的，其熱效率則遠高于間壁式換熱器。以鍋爐為例，采用浸沒式燃燒技術的鍋爐其熱效率（低位熱值）可高達103%。

浸沒燃燒方式因具有上述諸多優點，極大的提高了能源使用率，至使其已成為節能的重要措施之一。

2 ?浸沒式燃燒系統結構簡介

目前，在鍋爐上應用的浸沒式燃燒系統結構主要有以下兩種：

2.1 填充層型浸沒式燃燒系統

如圖1所示，其殼體多由耐熱玻璃所制，并在內部填充拉希環。工作原理如下：

高溫煙氣進入燃燒室6后，經氣體分配器由下往上過填充層。液體則經液體分配器自上往下噴淋，穿過填充層。二者于填充層中相互混合進行接觸式換熱。換熱過程主要受以下幾個因素影響：

①填充物的比表面面積，即單位體積填充物所具有的表面積。它為氣液兩相提供接觸面。比表面積與填充物的形狀、大小有關。

②液氣比，即噴淋液體量與燃燒產物量之比。選用合適的液氣比可以保證濃氣充分接觸。當噴淋液體量過小，液體有可能不能淋過全部填充物表面積，從而使之與氣體接觸面減小，即減少了傳熱面積。因此，液氣比的大小直接反映傳熱效率的高低。

③氣體空塔速度與進氣量和塔徑相關。考慮壓力損失后適當的進氣速度可保持氣液兩相流持續并充分接觸，從而最大增強換熱面積提高傳熱效率。

④液相噴淋分布情況很大程度影響換熱過程。當液相噴淋不均時，填充物局部未能潤濕，則換熱效率降低。當液相自上而下噴淋時，由于動力粘度相對氣相較大易沿壁面流動，因此合理的填充物布置和排列也尤為重要。

上述結構阻力小且效率極高，但其缺點為設備產能小，對比同等處理量設備，其體型較大。

2.2 多孔板型浸沒燃燒裝置

多孔板型浸沒燃燒系統如圖2所示。

在塔式裝置內裝有多孔板，液體由塔頂自上而下噴淋，并沿多孔板小孔下沉。熱煙氣則從塔底送入，經多孔板小孔上升到液相層。氣液沿孔板流動的情況也會隨塔內兩相流的變化狀況處于不斷變化之中。

液體由于堆積在某一時刻由多孔板部分開孔處向下流動，煙氣則經過多孔板另外部分開孔處向上流動。流經氣體多孔板開孔周圍時，多孔板上氣波相即泡沫層高度將逐漸增高。

當壓力增加到能夠使多孔板上的液體靜壓與氣體自身壓力之和大于多孔板下氣壓時，液體則通過此氣流孔向下流;當流經液體的多孔板開孔周圍時，液體不斷下流使多孔板上部氣液相高度慢慢降低，當多孔板下方煙氣壓力大于上部氣壓與水靜壓之和時，煙氣則由此開孔強制向上流動，進一步液相與氣相順次自動交換，并與柵板的泡沫層直接接觸。在泡沫層中，氣液的交替流動多孔板的氣液兩相接觸面能夠不斷更新，能夠為強化換熱提供極有利條件。

因此，決定此種強化換熱的主要因素為兩相流體力學性狀及多孔板性能，而兩相流又隨氣液流量、氣液性質及孔板結構等因素變化。包括多孔板的孔徑、開孔率、泡沫層高度、節距、板厚度、空塔速度、波氣比、煙氣及液體特性等。

合理的設計取決于多孔板結構及液氣比，但與填充式浸沒燃燒裝置相比，多孔板型浸沒燃燒裝置生產量比較大，故而此種裝置可操作性差、控制范圍窄。氣、液量的變化也會直接決定兩相流換熱狀況，以至于可能超出正常適用狀態，造成傳熱惡化。

3 ?浸沒燃燒的裝置能否對鍋爐產生腐蝕探討

采用浸沒式燃燒裝置可以極大地提高鍋爐熱效率，但是由于在鍋爐，熱水和煙氣直接接觸，因此采用此技術后能否對鍋爐的安全運行產生影響是一個人們普遍關心的問題。表1給出了大慶油田的天然氣成分分析（取自長春鍋爐廠熱力計算書）。

文獻[3]又給出了兩鍋爐常用氣體燃料的成分見表2。

不難看出天然氣中幾乎不含硫元素，所以冷凝水回收裝置產生的熱水基本呈中性，對鍋爐運行不會產生影響。即使個別油田的天然氣含有微量的硫元素，進入鍋爐的熱水也只能呈極弱的酸性，對鍋爐運行不但無害，反而有利，其原因分析如下：

眾所周知，工業鍋爐的給水品質較差，硬度大，很容易在受熱面上形成鈣鎂水垢。水垢是鍋爐發生過熱爆管的根本原因。如果鍋爐給水呈弱酸性，可以發生以下反應：

CaCO3+2H+→Ca+H2O+CO2

MgCO3+2H+→Mg+H2O+CO2

可見，此時給水可以起到去除水垢的作用，不會影響，反而有利于鍋爐的安全運行。而且，國家標準規定，常規鍋爐運行時鍋水的pH值須？叟12，也就是說鍋水呈現很強的堿性，即使冷凝水呈弱酸性也不會對鍋水的堿度有任何影響，可以保障鍋爐的正常運行。

4 ?技術經濟性分析

本文以一臺經吉林省能源研究所測試的2t/h天然氣鍋爐（多孔板型浸沒燃燒裝置）為例進行探討。根據文獻[4]，如果不采用冷凝水回收裝置其排煙大約在180℃左右，效率為88%（低位熱值）;而在鍋爐尾部安裝冷凝水回收裝置后，經測試效率提高到103%（低位熱值），增加了15%。根據文獻[3]，一般天然氣的發熱量為36533kJ/m3，蒸發量為2t/h的天然氣鍋爐每小時要消耗大約150m3天然氣。由于鍋爐效率增加了15%，所以每小時節約天然氣22.5m3。每立方米天然氣按1.5元計算，每小時節約燃料費34元。按每天運行12小計算，則每天節約408元，一年可節約成本408×365=14.9萬元。也就是說，一年可以節約大約15萬元的運行費用，其經濟效益十分可觀。

5 ?結論

①由于浸沒式燃燒法中高溫煙氣直接與液體接觸，因此不需要布置管式受熱面。與常規鍋爐相比，可以節約大量的鋼材，大大降低鍋爐的制造成本。

②由于浸沒式燃燒法中高溫煙氣直接與液體進行傳熱與傳質，煙氣在液體中形成強烈的攪動，故傳熱及傳質面積大，速度快，傳遞能力大，傳熱系數是常規鍋爐的5～10倍。一般來說，浸沒式燃燒鍋爐的體積只有常規鍋爐的1/5左右，而且內部也沒有管式受熱面，因此制造成本遠低于常規鍋爐大約只有常規鍋爐的1/10左右。因此，可以考慮全部采用不銹鋼來制造。

③由于浸沒式燃燒法中高溫煙氣直接與液體進行傳熱與傳質，故傳熱質面積大，速度快，傳遞能力大，排煙溫度極低，能充分利用煙氣中水蒸汽的汽化潛熱，鍋爐效率極高（低位熱值熱效率可達103%）。

④根據上文對鍋爐腐蝕問題的討論可知，采用浸沒式燃燒法對鍋爐運行不但無害，反而有利，值得大力推廣。

⑤就浸沒式燃燒裝置的結構而言，填充層式和多孔板式燃燒裝置各有其優缺點，填充層式燃燒裝置占地面積大，結構復雜，造價略高。但是這種燃燒裝置換熱效果好，操作簡單。多孔板式燃燒裝置體積小，結構簡單，造價較高。但是其操作復雜，傳熱效果也略低于填充層式。作為初次采用浸沒式燃燒技術的單位，以采用填充層式燃燒裝置為宜。

參考文獻：

[1]蓋德坤.燃氣鍋爐改造和設計有關問題分析[J].建筑工程技術與設計，2018（36）：4027.

[2]王懷彬，孟莉莉.WNS型燃油、燃氣鍋爐技術現狀與發展方向[J].熱能動力工程，2002，17（2）：115-118.

[3]車得福.冷凝式鍋爐及其系統[M].機械工業出版社，2002.

[4]亢艷濱，等.超低排煙溫度的高效燃氣熱水鍋爐[J].工業鍋爐，2001（6）：35-38.