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冷凝余熱回收爐技術論文
1、概述
一般來說，熱效率100%以上的鍋爐在常識上雖然難以理解，但如果將煙氣中的水蒸汽凝結(jié)潛熱利用起來，并且排煙溫度降低得足夠低，排煙損失很低的情況下，鍋爐的熱效率會提高到100%，甚至超過100%。
在熱能工程領域中計算鍋爐的熱效率都是利用燃料的低位發(fā)熱量來進行計算的，國外也是如此，如果按鍋爐的高位發(fā)位量來計算鍋爐的熱效率，則100%的熱效率是不可能達到的(能量守恒)。
利用高效的冷凝換熱器和空氣預熱器來吸收鍋爐尾部排煙中的顯熱和水蒸汽凝結(jié)所釋放的潛熱，從而達到提高鍋爐熱效率的目的。這種鍋爐就是冷凝余熱回收鍋爐。
冷凝式鍋爐發(fā)軔于歐洲。德國、荷蘭、英國、奧地利等國家于上世紀70年代，開發(fā)家用冷凝式鍋爐，到80年代末期90年代初期，韓國率先將冷凝式鍋爐應用在大中型工業(yè)鍋爐上，冷凝式鍋爐除了具有傳統(tǒng)鍋爐的共性之外，更是制熱機理的大膽革命與突破。在一些能源利用率較高的歐美國家，燃氣冷凝式余熱回收的熱水鍋爐其熱效率高達103%以上，此外在煙氣中的CO2和NOX等有害成份也大大降低，這對環(huán)保來說是非常有利的。在歐美等國，由于政府鼓勵使用冷凝鍋爐，所以需求量不斷增加，冷凝鍋爐的使用率瑞士60%，荷蘭50%，德國20%，奧地利(20%)，英國(15%)。
冷凝式換熱器是一種低溫熱交換器，傳熱面積大，并使用了價格昂貴的耐腐蝕的不銹鋼材料，雖然價格較高，但這只是一次性投資，其投資回收期只需幾個月，節(jié)約的燃料費很快就將投資回收。
冷凝式鍋爐可以回收排煙中的水蒸汽凝結(jié)潛熱，還可以降低煙氣中的有害氣體，所以它很快確立了其在暖通領域中的地位，歐洲國家對冷凝鍋爐的認知普及及政策的傾斜，使得冷凝鍋爐的應用極為廣泛。而在中國，冷凝鍋爐還是空白，人們對冷凝鍋爐的認識不足是一重要原因，另一原因就是生產(chǎn)廠家對冷凝鍋爐的推廣和研發(fā)不力。
斯大鍋爐這一中韓合資的鍋爐制造企業(yè)自始就至力于將韓國的鍋爐技術與中國的鍋爐現(xiàn)狀相結(jié)合，先后研發(fā)出冷凝無壓熱水鍋爐、冷凝余熱回收鍋爐、冷凝常壓熱水鍋爐、冷凝承壓熱水鍋爐，并將韓國的能源利用理念引入中國，特別在冷凝鍋爐的推廣上做了大量的工作。
2、冷凝余熱回收鍋爐熱效率分析
燃料中含有大量氫元素，燃燒產(chǎn)生大量水蒸汽。每1NM3天然氣燃燒后可以產(chǎn)生1.55KG水蒸汽，具有可觀的汽化潛熱，大約為3700KJ，占天然氣的低位發(fā)熱量的10%左右。在排煙溫度較高時，水蒸汽不能冷凝放出熱量，隨煙氣排放，熱量被浪費。同時，高溫煙氣也帶走大量顯熱，一起形成較大的排煙損失。
煙氣冷凝余熱回收裝置，利用溫度較低的水或空氣冷卻煙氣，實現(xiàn)煙氣溫度降低，靠近換熱面區(qū)域，煙氣中水蒸汽冷凝，同時實現(xiàn)煙氣顯熱釋放和水蒸汽凝結(jié)潛熱釋放，而換熱器內(nèi)的水或空氣吸熱而被加熱，實現(xiàn)熱能回收，提高鍋爐熱效率。
鍋爐熱效率提高：1NM3天燃氣燃燒生產(chǎn)理論煙氣量約10.3NM3(大約12.5KG)。以過量空氣系數(shù)1.3為例，產(chǎn)生煙氣14NM3(大約16.6KG)。取煙氣溫度200℃降低至70℃，放出物理顯熱約1600KJ，水蒸汽冷凝率取50%，放出汽化潛熱約1850KJ，總計放熱3450KJ，約是天然氣低位發(fā)熱量的10%。若取80%煙氣進入熱能回收裝置，可以提高熱能利用率8%以上，節(jié)省天然氣燃料近10%。
傳統(tǒng)鍋爐中，排煙溫度一般在160～250℃，煙氣中的水蒸汽仍處于過熱狀態(tài)，不可能凝結(jié)成液態(tài)的水而放出汽化潛熱。眾所周知，鍋爐熱效率是以燃料低位發(fā)熱值計算所得，未考慮燃料高位發(fā)熱值中汽化潛熱量的熱損失。因此傳統(tǒng)鍋爐熱效率一般只能達到87%～91%。而冷凝式余熱回收鍋爐，它把排煙溫度降低到50～70℃，充分回收了煙氣中的顯熱和水蒸汽的凝結(jié)潛熱。
以天然氣為燃料的冷凝余熱回收鍋爐煙氣中水蒸汽容積成分一般為15%~19%，燃油鍋爐煙氣中水蒸汽含量為10%~12%，遠高于燃煤鍋爐產(chǎn)生的煙氣中6%以下的水蒸汽含量。目前鍋爐熱效率均以低位發(fā)熱量計算，盡管名義上熱效率較高，但由于天然氣高、低位發(fā)熱量值相差10%左右，實際能源利用率尚待提高。為了充分利用能源，降低排煙溫度，回收煙氣的物理熱能，當換熱器壁面溫度低于煙氣的露點溫度時，煙氣中的水蒸汽將被冷凝，釋放潛熱，10%的高低位發(fā)熱量差就能被有效利用。
3、冷凝式鍋爐的設計思想及原理：
排煙溫度是鍋爐的基本設計參數(shù)之一。設計鍋爐時首先要對該參數(shù)進行選定。
鍋爐排煙溫度直接影響到鍋爐機組的經(jīng)濟性和尾部受熱面工作的安全性。選擇較低的排煙溫度可以降低鍋爐的排煙熱損失，有利于提高鍋爐的熱效率，節(jié)約能源及降低鍋爐的運行費用。因此，如何有效地降低鍋爐的排煙溫度并使之合理利用，是一個重大的技術性課題，斯大公司引進韓國技術研發(fā)的冷凝式余熱回收鍋爐，其降低排煙溫度是通過以下方法來實現(xiàn)：
(1)通過增加鍋爐本體的對流受熱面的換熱面積或采用提高對流換熱系數(shù)的方法，降低排煙溫度；
(2)在尾部煙道增設高效的鰭片式冷凝換熱器和熱管式空氣預熱器。
上述方法在實際應用中有效地回收排煙中顯熱與汽化潛熱。
4、冷凝式鍋爐的顯形優(yōu)勢：
(1)使用了熱管式空氣預熱器、鰭片式冷凝換熱器，有效地降低了排煙溫度。
(2)使用了分體式燃燒機，對燃料燃燒所需的空氣進行預熱，使燃料充分燃燒及提高爐膛溫度。
(3)冷凝節(jié)能裝置為了防止排煙凝結(jié)水的酸性腐蝕，使用進口不銹鋼材質(zhì)制作的螺紋管，它與直管相比，導熱性能比直管高2倍以上。
(4)煙氣的有害氣體得到有效的控制，并隨冷凝液流入中和池。
綜上所述，冷凝式鍋爐，是傳熱學、物理學、燃燒學、材料等科學的結(jié)晶。它以絕對的經(jīng)濟性傲視傳統(tǒng)鍋爐。冷凝式鍋爐的推廣，是一場思維的閃耀與觀念的變革，同時，必將會推動熱工領域的發(fā)展。
(一)冷凝余熱回收鍋爐原理
1、天然氣(LNG)以及其它的燃氣燃料主要是碳(C)和氫(H)兩元素結(jié)合而成的化合物，能保持完全燃燒，因其不含硫磺成份，所以不產(chǎn)
生在低溫條件下腐蝕金屬的硫酸(H2SO4)和亞硫酸(H2SO3)，是一種清潔的燃料。
天然氣的主要成份：
CH4+C2H6+C3H8+C4H10+N2
甲烷+乙烷+丙烷+丁烷+氮
(%)90+6.8+2.5+1+0.3=100
2、含在燃氣中的氫(H)在鍋爐內(nèi)部燃燒時與氧結(jié)合成水。生成的水從燃燒時產(chǎn)生的熱量(高位發(fā)熱量)中吸收約10%的氣化熱而變成水蒸汽，與排出的煙氣一道排出。(冬季水蒸汽與冷空氣相遇而凝結(jié)，從煙囪觀察到冒白煙應是這個原因。)
燃氣的高位發(fā)熱量-汽化熱(潛熱)=低位發(fā)熱量
9450Kcal/NM3-950Kcal/NM3=8500Kcal/NM3
3、水在高溫煙氣中，吸熱蒸發(fā)為水蒸汽，水蒸汽遇到通過冷空氣或冷水的傳熱面，重新凝結(jié)成水而釋放潛熱(汽化熱539Kcal/kg)。冷凝余熱回收鍋爐就是在燃氣鍋爐的排煙通道上設置通過冷水的熱交換器和加熱空氣的空氣預熱器，煙氣在通過熱交換器的傳熱面時水蒸汽重新凝結(jié)為水，將其汽化熱(潛熱)釋放出來，并加熱交換器內(nèi)的介質(zhì)(冷水或空氣)。
4、鍋爐熱效率的計算：
鍋爐的正平衡效率：
η=(鍋爐出力×飽和蒸汽焓－給水量×給水焓)÷(燃料消耗量×燃料的低位發(fā)熱量)
5、將余熱回收爐的原理公式化、圖表化如(圖-1)，蒸汽/溫水鍋爐，爐水的飽和溫度比低溫水鍋爐相對的高，排煙溫度也相對要高。顯熱和潛熱均由溫水回收的話，則能加熱的溫水量過大無法處理，故而設置空氣預熱器。用來加熱燃料燃燒所需的空氣，極大的改善燃燒狀態(tài)，并提高了爐膽火焰溫度，加強爐膽內(nèi)的輻射傳熱。
(二)冷凝余熱回收鍋爐和環(huán)境保護
燃氣與燃重油或輕油相比對環(huán)境污染相對小一些，它是一種清潔燃料。但燃燒時生成的CO2、CO、NOx對環(huán)境產(chǎn)生了影響。在先進國家也為了減少這個量，開發(fā)和使用低NOx燃燒器，低NOx鍋爐等。但CO2依然被排出，而NOx控制在60PPM以下排出。
一般情況下，天然氣燃燒排煙中含CO2含量約為10-12%；NOx含量約為60-80PPM，這些有害氣體促成酸雨產(chǎn)生或溫室效應，誘發(fā)大氣臭氧層的破環(huán)或影響臭氧生成。使用冷凝余熱回收鍋爐時，對這一環(huán)境污染有極大的緩解。
CO2+H2O→H2CO3
NOx+H2O→HNO2+HNO3
在上式中可以看出：CO2和NOx在冷凝余熱回收鍋爐的尾部煙道中與冷凝結(jié)露的H2O結(jié)合生成對應的酸，并隨著凝結(jié)水從排放管排出。而煙氣中的有害成份CO2和NOx含量大大咸少,CO2約減少40%，含量由原來的12%下降至6-7%;NOx約減少至20PPM以下。
酸性的冷凝水排出時需進行中和處理：
H2CO3+Ca2++OH-→CaCO3+H2O
H2NO3+Ca2++OH-→CaNO3+H2O
可以設置一中和池，將冷凝水排放到中和池中，定斯檢查中和池的PH值。
(三)冷凝余熱回收鍋爐結(jié)構(gòu)和外觀
(四)熱管式空氣預熱器的構(gòu)造和原理
熱管是往真空狀態(tài)的密封管內(nèi)封入蒸餾水，管表面附有鋁制放射狀散熱片葉的高性能熱傳導管。
如圖所示，在鍋爐前上部，以80傾斜角設置的熱管內(nèi)蒸餾水，吸收排煙熱量，快速蒸發(fā)順著斜面上升到凝結(jié)部(熱管內(nèi)部是真空的，內(nèi)裝蒸餾水，蒸餾水實行相變傳熱)，傳熱給由送風機送至的供燃燒用的空氣后凝結(jié)成水(液相)順管流下繼續(xù)吸熱蒸發(fā)，熱管內(nèi)的蒸餾水形成相變循環(huán)。煙氣的顯熱和部分潛熱被吸收，煙溫下降。
燃燒用空氣被加熱，對燃料的充分燃燒作用極大；另一方面熱風吹進爐膛時有效地提高了爐膛的火焰溫度，加強了爐膛的輻射傳熱(輻射傳熱跟火焰溫度的四次方成正比)。
(五)熱管式空氣預熱器的特點
1、熱管比銅鋁管的熱傳導性能高出500-1000倍，用熱管制成的空氣預熱器比傳統(tǒng)的管殼式空氣預熱器尺寸、重量都小2/3，可在鍋爐的正面組裝設置，占用的空間很少。
2、管表面附著有熱傳導性極好的放射狀鋁片，在小體積的狀況下獲得較大的傳熱面積。
3、熱管的蒸發(fā)部和凝結(jié)部溫度均勻，熱脹冷縮量很小，可以說它是一種長壽命裝置。
(六)冷凝余熱回收節(jié)能裝置的特長
1、本節(jié)能裝置為了防止排煙結(jié)露的酸性腐蝕和供應無銹清潔熱水，用不銹鋼螺旋鰭片管來制成。
2、與直管相比，使用了傳熱性能高出2倍以上的螺旋鰭片管，大小與重量減少到1/2。耐腐蝕的不銹鋼材質(zhì)延長了其使用壽命。
3、本裝置可組裝在鍋爐上部，縮小占有空間，生成在傳熱面上的凝結(jié)水亦可自然排出。
(七)冷凝余熱回收節(jié)能裝置原理圖
在排煙通路中，設置冷凝余熱回收熱交換器，煙氣在通路內(nèi)通過傳熱面，溫度降至露點溫度以下，含在排煙中的水蒸汽凝結(jié)潛熱將冷水或溫水加熱，這就叫余熱回收節(jié)能裝置(又稱冷凝換熱器)。
在流程中看到的冷凝節(jié)能裝置在尾部煙道中串聯(lián)布置(前后布置)，將煙氣中的水蒸汽冷凝下來，結(jié)露后吸收煙氣中的部分CO2和
NOx，潔凈了煙氣，起到環(huán)保作用。
冷凝水經(jīng)引導管排放到中和池中，與中和池中的堿性石灰水中和。
(八)冷凝余熱回收蒸汽鍋爐與水箱連結(jié)方式
冷凝余熱回收鍋爐與水箱相連用循環(huán)泵輔助加熱，適合在采暖和使用大量生活熱水的集中供熱樓房，綜合醫(yī)院、賓館、健康中心、桑拿洗浴等使用；也可以與軟水箱相連，加熱鍋爐給水，提高鍋爐的給水溫度。
(九)冷凝式余熱回收熱水鍋爐與熱水箱連接方法
利用配置在熱水鍋爐上的冷凝換熱器來加熱生活熱水或取暖用熱水，當對熱水需求量減少時，熱水溫度上升，故在熱水箱上需設置膨脹水箱和安全泄壓閥，確保安全無誤。
(十)余熱回收裝置用在鍋爐的給水系統(tǒng)
在蒸汽用戶無回收系統(tǒng)中不回收蒸汽凝結(jié)水時，采用密閉型或開放型流程。
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