论文部分内容阅读
【摘 要】介绍了烟气冷凝器的设计思路，主要从结构形式，耐腐蚀性、经济性等方面进行了阐述，通过实际应用说明了其设计的可行性和经济型，证明设计和应用是成功的。
【关键词】锅炉；烟气冷凝器；节能环保
0.引言
由于近几年人们对环境保护的日益重视，燃天然气锅炉的应用得到了空前的应用和发展。而节约天然气资源的重要措施之一就是提高燃气锅炉的热效率。
提高天然气锅炉热效率的两个主要途径：一是提高燃烧系统的燃烧效率，开发和利用低氮燃烧技术；二是提高排烟热能利用率。在燃烧系统一定条件下，提高排烟热能利用率，是高效利用天然气、减少环境污染的有效途径。
目前，普通燃气锅炉的排烟温度均很高，燃气锅炉在180～220℃以上，在天然气燃烧设备尾部增设冷凝式换热器，将排烟温度降到烟气露点温度以下，不仅可以回收利用排烟显热，还可利用天然气燃烧时产生的大量水蒸气凝结时放出的大量潜热。同时凝结液对烟气中的CO2、 NOx和SOx等有害气体有一定的吸收作用，因此，可提高能源利用率，并减少排烟对环境的污染。开发应用带有冷凝换热器的冷凝式锅炉设备，或者将目前既有的普通燃气锅炉房改造为冷凝式锅炉房，是高效利用天然气、减少环境污染的有效途径。而开发冷凝式天然气锅炉和既有燃气锅炉房改造的关键技术，是冷凝式换热器的研究与开发。
由于烟气中的部分有害气体会溶解到凝结液中，形成了具有酸性的腐蚀液（pH值约为4-5），对换热器会产生严重腐蚀。冷凝式换热器的设计必须考虑到换热管（层）的抗腐蚀能力，采用耐腐蚀材料或耐腐蚀涂、镀层，且尽量将冷凝下来的酸性凝结水排出换热器外是研发与设计过程中的关键内容。
这就需要从三个方面入手进行研究：开发导热性能良好的防腐换热材料；换热器的整体设计合理化；对含有水蒸气的烟气凝结换热传热传质过程进行强化，这是使设备高效能、小型化和安全可靠的关键技术。
1.设计与制造
1.1烟气冷凝器工作原理
天然气主要成分为甲烷（CH4），燃烧后会产生大量的水蒸气，根据天然气成份、过量空气系数及混合用空气湿度的不同，烟气中含水蒸气量有所不同，水蒸气体积份额约为16%，其燃烧化学方程式为：
CH4+2O2=2H20+CO2+Q
由天然气燃烧化学方程式可以看出，每燃烧1Nm3的天然气大约可得到1.568kg的水，水蒸气的汽化潜热大约为燃气低热值的11%，这意味着当燃气燃烧每提供100kW显热时，同时也提供了11kW的潜热。当保温良好的情况下，燃气设备的主要热损失就是排烟热损失。烟气冷凝器设备就是通过在锅炉烟囱出口处加装冷凝式换热器，将排烟温度降到露点温度以下，使烟气中的水蒸气冷却下来，回收利用天然气燃烧设备排烟中的显热和潜热。
一般来说，排烟中的水蒸气潜热在60℃（烟气露点）以下才能得到回收，能够回收的热量依赖于所要求的利用温度和利用率。如果利用温度接近排烟的露点温度，仅能回收较少的热量。利用温度越低，回收的热量越多。因此，低温下预热冷水可获得高的回收率，而在较高的温度下输出热能会降低可以回收的热量数量。
燃气锅炉的排烟热损失是燃气设备的主要热损失，它决定于排烟温度和排烟量。对于一定的燃料，排烟量决定于过量空气系数的大小，而过量空气系数又和燃烧状况直接相关。降低排烟温度和减小过量空气系数，尤其是在保证较小的过量空气系数情况下，降低排烟温度可显著减少排烟热损失。
1.2烟气冷凝器设计与制造
烟气与壁面的换热由两部分组成。一部分是流体主体与管壁间的对流换热，即显热换热，另一部分是水蒸气的冷凝换热，即潜热换热。实际运行过程中只要换热器壁温低于烟气露点温度，就会有冷凝液析出。两部分热量共同通过导热方式（不计冷凝液与管壁间的对流换热）穿过液膜，传递到表面。由于烟气中含有SOx和NOx等有害物质，遇冷产生的冷凝液呈酸性，对碳钢有较强的腐蚀性，为在换热性能、耐腐蚀和制造成本三者间进行优化，我公司经过长期试验最后确定采取钢铝复合翅片管作为主要换热元件。钢铝复合翅片管既可以满足强化换热需求，同时又具有一定的抗腐蚀性能。对于钢铝复合翅片管和管板的接口部分采用刷防腐涂层处理。
2.性能测试
目前我国的天然氣燃烧设备主要是常规燃气锅炉，大量的烟气余热被浪费。与常规锅炉相比，冷凝式锅炉热效率明显提高。
我公司针对北京某单位3台1.4MW燃气锅炉设计的烟气冷凝器，在锅炉改装完毕后，得到了满意的运行效果，烟气冷凝器的经济效益明显，经过北京节能环保中心测试平均热效率提高了5%。实践证明，在现有燃气锅炉尾部烟道安装烟气冷凝器，对节约能源和环境保护的有明显效果。
3.经济性分析
通过对烟气冷凝器的节能效率，以及设备投资成本的综合分析，采用静态投资回收期法，对天然气锅炉改造成为冷凝式锅炉进行经济性评价。
以北京某单位1.4MW燃气锅炉加装烟气冷凝换热器为例，平均节气率为5%，设备总投资约4万元，每小时节省天然气18元/h，投资回收期为5-6个月。
4.结束语
（1）通过加装烟气冷凝器，将常规燃气锅炉改装为冷凝式锅炉，可节约大量天然气，降低锅炉运行费用，获得可观的经济效益。
（2）北京某单位1.4MW燃气热水锅炉加装烟气冷凝器后，按满负荷运行，其投资回收期为5-6个月。在排烟温度为35℃～55℃时投资回收期最短。
（3）冷凝式锅炉具有显著的环保效益，与常规燃气锅炉相比较，随烟气排入大气中的有害物质大大减少，降低了对环境的污染。此外，冷凝式锅炉在废热、烟气水蒸气的排放方面也优于常规锅炉，是最洁净的燃烧设备之一。 [科]
【参考文献】
[1]车得福，刘艳华.烟气热能梯级利用.化学工业出版社，2006.
[2]崔永章，钱申贤.翅片换热器中天然气烟气的冷凝传热.山东建筑工程学院学报，2000.15（2）：41-45.
[3]高春阳，刘艳华，车得福.天然气锅炉改造为冷凝式锅炉的经济性评价、节能技术，2003.21（121）：9-11.
[4]钱颂文.换热器设计手册.化学工业出版社，2002.
【关键词】锅炉；烟气冷凝器；节能环保
0.引言
由于近几年人们对环境保护的日益重视，燃天然气锅炉的应用得到了空前的应用和发展。而节约天然气资源的重要措施之一就是提高燃气锅炉的热效率。
提高天然气锅炉热效率的两个主要途径：一是提高燃烧系统的燃烧效率，开发和利用低氮燃烧技术；二是提高排烟热能利用率。在燃烧系统一定条件下，提高排烟热能利用率，是高效利用天然气、减少环境污染的有效途径。
目前，普通燃气锅炉的排烟温度均很高，燃气锅炉在180～220℃以上，在天然气燃烧设备尾部增设冷凝式换热器，将排烟温度降到烟气露点温度以下，不仅可以回收利用排烟显热，还可利用天然气燃烧时产生的大量水蒸气凝结时放出的大量潜热。同时凝结液对烟气中的CO2、 NOx和SOx等有害气体有一定的吸收作用，因此，可提高能源利用率，并减少排烟对环境的污染。开发应用带有冷凝换热器的冷凝式锅炉设备，或者将目前既有的普通燃气锅炉房改造为冷凝式锅炉房，是高效利用天然气、减少环境污染的有效途径。而开发冷凝式天然气锅炉和既有燃气锅炉房改造的关键技术，是冷凝式换热器的研究与开发。
由于烟气中的部分有害气体会溶解到凝结液中，形成了具有酸性的腐蚀液（pH值约为4-5），对换热器会产生严重腐蚀。冷凝式换热器的设计必须考虑到换热管（层）的抗腐蚀能力，采用耐腐蚀材料或耐腐蚀涂、镀层，且尽量将冷凝下来的酸性凝结水排出换热器外是研发与设计过程中的关键内容。
这就需要从三个方面入手进行研究：开发导热性能良好的防腐换热材料；换热器的整体设计合理化；对含有水蒸气的烟气凝结换热传热传质过程进行强化，这是使设备高效能、小型化和安全可靠的关键技术。
1.设计与制造
1.1烟气冷凝器工作原理
天然气主要成分为甲烷（CH4），燃烧后会产生大量的水蒸气，根据天然气成份、过量空气系数及混合用空气湿度的不同，烟气中含水蒸气量有所不同，水蒸气体积份额约为16%，其燃烧化学方程式为：
CH4+2O2=2H20+CO2+Q
由天然气燃烧化学方程式可以看出，每燃烧1Nm3的天然气大约可得到1.568kg的水，水蒸气的汽化潜热大约为燃气低热值的11%，这意味着当燃气燃烧每提供100kW显热时，同时也提供了11kW的潜热。当保温良好的情况下，燃气设备的主要热损失就是排烟热损失。烟气冷凝器设备就是通过在锅炉烟囱出口处加装冷凝式换热器，将排烟温度降到露点温度以下，使烟气中的水蒸气冷却下来，回收利用天然气燃烧设备排烟中的显热和潜热。
一般来说，排烟中的水蒸气潜热在60℃（烟气露点）以下才能得到回收，能够回收的热量依赖于所要求的利用温度和利用率。如果利用温度接近排烟的露点温度，仅能回收较少的热量。利用温度越低，回收的热量越多。因此，低温下预热冷水可获得高的回收率，而在较高的温度下输出热能会降低可以回收的热量数量。
燃气锅炉的排烟热损失是燃气设备的主要热损失，它决定于排烟温度和排烟量。对于一定的燃料，排烟量决定于过量空气系数的大小，而过量空气系数又和燃烧状况直接相关。降低排烟温度和减小过量空气系数，尤其是在保证较小的过量空气系数情况下，降低排烟温度可显著减少排烟热损失。
1.2烟气冷凝器设计与制造
烟气与壁面的换热由两部分组成。一部分是流体主体与管壁间的对流换热，即显热换热，另一部分是水蒸气的冷凝换热，即潜热换热。实际运行过程中只要换热器壁温低于烟气露点温度，就会有冷凝液析出。两部分热量共同通过导热方式（不计冷凝液与管壁间的对流换热）穿过液膜，传递到表面。由于烟气中含有SOx和NOx等有害物质，遇冷产生的冷凝液呈酸性，对碳钢有较强的腐蚀性，为在换热性能、耐腐蚀和制造成本三者间进行优化，我公司经过长期试验最后确定采取钢铝复合翅片管作为主要换热元件。钢铝复合翅片管既可以满足强化换热需求，同时又具有一定的抗腐蚀性能。对于钢铝复合翅片管和管板的接口部分采用刷防腐涂层处理。
2.性能测试
目前我国的天然氣燃烧设备主要是常规燃气锅炉，大量的烟气余热被浪费。与常规锅炉相比，冷凝式锅炉热效率明显提高。
我公司针对北京某单位3台1.4MW燃气锅炉设计的烟气冷凝器，在锅炉改装完毕后，得到了满意的运行效果，烟气冷凝器的经济效益明显，经过北京节能环保中心测试平均热效率提高了5%。实践证明，在现有燃气锅炉尾部烟道安装烟气冷凝器，对节约能源和环境保护的有明显效果。
3.经济性分析
通过对烟气冷凝器的节能效率，以及设备投资成本的综合分析，采用静态投资回收期法，对天然气锅炉改造成为冷凝式锅炉进行经济性评价。
以北京某单位1.4MW燃气锅炉加装烟气冷凝换热器为例，平均节气率为5%，设备总投资约4万元，每小时节省天然气18元/h，投资回收期为5-6个月。
4.结束语
（1）通过加装烟气冷凝器，将常规燃气锅炉改装为冷凝式锅炉，可节约大量天然气，降低锅炉运行费用，获得可观的经济效益。
（2）北京某单位1.4MW燃气热水锅炉加装烟气冷凝器后，按满负荷运行，其投资回收期为5-6个月。在排烟温度为35℃～55℃时投资回收期最短。
（3）冷凝式锅炉具有显著的环保效益，与常规燃气锅炉相比较，随烟气排入大气中的有害物质大大减少，降低了对环境的污染。此外，冷凝式锅炉在废热、烟气水蒸气的排放方面也优于常规锅炉，是最洁净的燃烧设备之一。 [科]
【参考文献】
[1]车得福，刘艳华.烟气热能梯级利用.化学工业出版社，2006.
[2]崔永章，钱申贤.翅片换热器中天然气烟气的冷凝传热.山东建筑工程学院学报，2000.15（2）：41-45.
[3]高春阳，刘艳华，车得福.天然气锅炉改造为冷凝式锅炉的经济性评价、节能技术，2003.21（121）：9-11.
[4]钱颂文.换热器设计手册.化学工业出版社，2002.