冷凝式鍋爐節能效果分析

宋克農，李 倩，焦盈盈

(1.山東城市建設職業學院，山東 濟南 250103；2.濟南大學 化學化工學院，山東 濟南 250022)

1 冷凝式鍋爐

傳統鍋爐排煙溫度高，熱效率低。隨著鍋爐排煙溫度的降低，煙氣中含有的熱量將減少，尤其是排煙溫度降低到一定程度后，煙氣中呈過熱狀態的水蒸氣就會凝結而放出汽化潛熱，水蒸氣的汽化潛熱得以回收，按低位熱值發熱量QDW為基準計算，熱效率可以達到甚至超過100%，這類鍋爐就是冷凝式鍋爐[1]。這種鍋爐與傳統鍋爐的本質區別就是排煙溫度更低。

2 冷凝式鍋爐熱效率潛力分析

2.1 煙氣成分分析

表1 燃氣成分及其容積成分

煙氣就是指燃氣燃燒后的產物。在實際的燃燒過程中，為保障燃氣完全燃燒，空氣供應量都大于理論需求量，因此，煙氣中含有空氣。

本文選用四川干氣(四川地區所產天然氣)計算煙氣量，得到燃燒過程的理論煙氣量和實際煙氣量。四川干氣所含組份和各組份的體積百分比如表1所示。

由于空氣中所含有很少的CO2、H2S、CmHm、CO，從而可以忽略不計，該大學鍋爐房鍋爐在工作過程中(過剩空氣系數a取1.1)每小時生成的煙氣量如表2所示。

表2 鍋爐工作一小時所需空氣量和生成的煙氣量 Nm3

2.2 煙氣所含有的顯熱

煙氣所含有的顯熱可以通過公示1計算。

Q顯=CpKV

(1)

式中Q顯—煙氣所含的顯熱，kJ；

K—氣體溫度，K；

V—氣體體積，Nm3。

由公式 1可以計算鍋爐在不同的排煙溫度下，每小時的顯熱損失。以排煙溫度為150℃(423K)的狀態作為基準，分別計算出煙氣在不同溫度下的顯熱損失，如表3所示。

表3 不同排煙溫度時煙氣顯熱損失

2.3 煙氣所含有的潛熱

煙氣所含有的潛熱為煙氣中水蒸氣的潛熱，通過公式2計算。

Q潛=?mr

(2)

式中Q潛—煙氣中水蒸氣釋放的潛熱，kJ；

?—煙氣中水蒸氣的冷凝比例；

m—煙氣所含水蒸氣的質量，kg；

r—水蒸氣的汽化潛熱，kJ/kg。

不同排煙溫度所回收的水蒸氣氣候潛熱量，如表4所示。

表4 不同排煙溫度時水蒸氣的潛熱量

2.4 理想狀態下極限熱利用率分析

高溫煙氣經過冷凝式換熱器,當排煙溫度分別為328、318、308、298K時，煙氣熱損失逐漸降低。煙氣熱損失包括煙氣顯熱、煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，與傳統鍋爐相比(即排煙溫度為423K)，冷凝式鍋爐節能效果明顯。

在實際工程應用中，排煙溫度降低而釋放的熱量很難完全回收利用，即排煙溫度并非越低越好。本文換熱器的有效利用率取95%，各計算數據如表5所示。

表5 不同排煙溫度下的各個熱量值

根據有效利用熱量可計算，熱效率提高值。

(3)

式中Δη—熱效率提高值；

Qf—冷凝式鍋爐相對傳統鍋爐實際有效回收利用的熱量(又稱為煙氣放熱量)，kJ；

B—鍋爐小時燃氣消耗量，Nm3/h；

Hh—燃氣高熱值，kJ/Nm3。

由式子3計算得到，當排煙溫度分別為328、318、308、298K時，與傳統鍋爐相比(即排煙溫度為423K)，熱效率可以分別提高4.3%、7.8%、10.6%、11.1%。

3 翅片式換熱器理論計算與分析

3.1 翅片管冷凝式換熱器的構造

該鍋爐余熱回收系統所采用的換熱器是單金屬整體板狀翅片管換熱器，采用材質是銅，其構造由銅管和銅片組成。總共有20根銅管和100片銅片組成，每根銅管實踐上是由30根直管和29根半圓形彎管連接而成。

圖1 管子示意圖

銅管的布置形式如圖1所示。

圖2為冷凝式換熱器的內部構造。

圖2 內部構造

3.2 冷凝式換熱器的熱力分析

本文所設計的換熱器鍋爐補給水從管道內部流動，煙氣從管道外部流動，在流動過程中煙氣溫度降低，補給水溫度升高，從而完成換熱。熱量主要是指通過銅片和銅管以對流換熱的形式傳遞，補給水溫度升高得到的熱量即為有效利用熱量，通過式4計算。

Qt=3600KFΔt

(4)

式中Qt—經過對流受熱面的傳熱量，kJ/h；

K—對流受熱面中，管外煙氣至管內工質的傳熱系數，kW/(m2·K)；

F—對流受熱面計算傳熱面積，m2；

Δt—平均溫差，℃。

在換熱器，煙氣通過橫向沖刷錯列布置的管束實現向補給水傳遞熱量；煙氣縱向沖刷銅片將熱量傳遞給銅片，銅片再將熱量傳遞給銅管，最終由銅管將熱量傳遞給補給水，可以將該過程轉換為煙氣縱向沖刷管束[5]。根據上述兩者情況可以得到它們各自的換熱面積F1、F2和傳熱系數K1、K2，其中F2取銅片換熱面積的0.35倍，K值可以通過式5計算得到。

(5)

根據公式4計算出不同排煙溫度下的對流換熱量，具體數據如表6所示。

表6 對流換熱量

圖3 煙氣出口溫度圖解法

本文采用圖解法：當排煙溫度分別為328、318、308、298K時，分別計算出各個煙氣溫度的實際有效回收利用的熱量和對流受熱面傳熱量數值。根據計算數值，可以做出2條最能體現實際換熱器對流換熱量和煙氣散熱量對流受熱面傳熱量數值的兩條直線，其交點所對應的溫度即為實際的煙氣出口溫度。經過計算分析得到實際的煙氣出口溫度為310K，如圖3所示。

3.3 利用Fluent軟件模擬換熱器的溫度場

本研究是高溫煙氣通過冷凝式換熱器時，高溫煙氣與銅管、高溫煙氣與銅片、銅管與補給水之間的換熱問題，以與銅片平行的一個面的為對象進行溫度場模擬。

在邊界條件設定時，最下面的一排管子假設其溫度為10℃，即補給水的溫度，隨著補給水從下往上流動，溫度逐漸升高，在流出換熱器時，即在最頂端一排管子溫度為50℃。模擬結果如圖4所示。

在換熱器內部，煙氣自上往下流動，補給水由下往上流動，隨著換熱過程的進行，煙氣溫度逐漸降低，水溫逐漸升高。在換熱器內部垂直于煙氣流動方向上(即水平方向)，換熱條件相近，煙氣的溫度、水蒸氣含量等性質相差不大，熱量主要是通過對流和導熱傳送給銅管，再由銅管加熱補給水；在距離銅管稍微遠一點的區域，煙氣熱量主要是通過對流、導熱傳熱的方式傳遞給銅片，銅片的熱量主要是通過熱傳導的方式傳遞給銅管，最終由銅管加熱補給水。在換熱器內部在平行于煙氣流動方向(即垂直方向)，隨著煙氣和補給水流動，換熱效果明顯，煙氣溫度由進口處423K，出口處降低至約300K。

在出口處，大部分煙氣排煙溫度約為300K，與前面計算得到的結果相似，這表明本文設計的冷凝式換熱器可以實現降低煙氣排煙溫度，回收煙氣顯熱和煙氣中部分水蒸氣汽化潛熱的目的，具有很高的實際工程應用價值。經計算，本冷凝式換熱器可以將傳統鍋爐的熱效率提高約12.1%，節能效果顯著，具有良好的應用價值。

圖4 溫度示意圖