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燃油、燃气锅炉冷凝余热回收技术

分类:
技术研发
2013/11/20 10:54

一般来说,热效率100%以上的锅炉在常识上虽然难以理解,但如果将烟气中的水蒸汽凝结潜热利用起来,并且排烟温度降低得足够低,排烟损失很低的情况下,锅炉的热效率会提高到100%,甚至超过100%。在热能工程领域中计算锅炉的热效率都是利用燃料的低位发热量来进行计算的,国外也是如此,如果按锅炉的高位发位值来计算锅炉的热效率,则100%的热效率是不可能达到的(能量守恒)。 

利用高效的冷凝换热器和空气预热器来吸收锅炉尾部排烟中的显热和水蒸汽凝结所释放的潜热,从而达到提高锅炉热效率的目的,这种锅炉就是冷凝余热回收锅炉。 

冷凝式锅炉发轫于欧洲。德国、荷兰、英国、奥地利等国家于上世纪70年代,开发家用冷凝式锅炉,到80年代末期90年代初期,韩国率先将冷凝式锅炉应用在大中型工业锅炉上,冷凝式锅炉除了具有传统锅炉的共性之外,更是制热机理的大胆革命与突破。在一些能源利用率较高的欧美国家,燃气冷凝式余热回收的热水锅炉其热效率高达103%以上,此外在烟气中的CO2和NOX等有害成份也大大降低,这对环保来说是非常有利的。在欧美等国,由于政府鼓励使用冷凝锅炉,所以需求量不断增加,冷凝锅炉的使用率瑞士60%、荷兰50%、德国20%、奥地利(20%)、英国(15%)。 

冷凝式锅炉可以回收排烟中的水蒸汽凝结潜热,还可以降低烟气中的有害气体,所以它很快确立了其在暖通领域中的地位,欧洲国家对冷凝锅炉的认知普及政策的倾斜,使得冷凝锅炉的应用极为广泛。而在中国,冷凝锅炉还是空白,人们对冷凝锅炉的认识不足是一重要原因,另一原因就是生产厂家对冷凝锅炉的推广和研发不力。 

一、冷凝余热回收锅炉热效率分析:

燃料中含有大量氢元素,燃烧产生大量水蒸汽。每1NM3天然气燃烧后可以产生1.55KG水蒸汽,具有可观的汽化潜热,大约为3700KJ,占天然气的高位发热量的10%左右。在排烟温度较高时,水蒸汽不能冷凝放出潜热,随烟气排放,热量被浪费。同时,高温烟气也带走大量显热,一起形成较大的排烟损失。 

烟气冷凝余热回收装置,利用温度较低的水或空气冷却烟气,实现烟气温度降低,靠近换热面区域,烟气中水蒸汽冷凝,同时实现烟气显热释放和水蒸汽凝结潜热释放,而换热器内的水或空气吸热而被加热,实现热能回收,提高锅炉热效率。

从以下的数据可以看出:1NM3天然气燃烧生产理论烟气量约10.3NM3(大约12.5KG)。以过量空气系数1.3为例,产生烟气14NM3(大约16.6KG)。取烟气温度200℃降低至70℃,放出物理显热约1600KJ,水蒸汽冷凝率取50%,放出汽化潜热约1850KJ,总计放热3450KJ,约是天然气低位发热量的10%。若取80%烟气进入热能回收装置,可以提高热能利用率8%以上,节省天然气燃料近10%。

传统锅炉中,排烟温度一般在160-250℃,烟气中的水蒸汽仍处于过热状态,不可能凝结成液态的水而放出汽化潜热。众所周知,锅炉热效率是以燃料低位发热值计算所得,未考虑燃料高位发热值中汽化潜热量的热损失。因此传统锅炉热效率一般只能达到87%-91%。而冷凝式余热回收锅炉,它把排烟温度降低到50-70℃,充分回收了烟气中的显热和水蒸汽的凝结潜热。

以天然气为燃料的冷凝余热回收锅炉烟气中水蒸汽容积成分一般为15%-19%,燃油锅炉烟气中水蒸汽含量为10%-12%,远高于燃煤锅炉产生的烟气中6%以下的水蒸汽含量。目前锅炉热效率均以低位发热量计算,尽管名义上热效率较高,但由于天然气高、低位发热量值相差10%左右,实际能源利用率尚待提高。为了充分利用能源,降低排烟温度,回收烟气的物理热能,当换热器壁面温度低于烟气的露点温度时,烟气中的水蒸汽将被冷凝,释放潜热,10%的高低位发热量差就能被有效利用。 

二、冷凝式锅炉的设计思想及原理:

排烟温度是锅炉的基本设计参数之一。设计锅炉时首先要对该参数进行选定。  

锅炉排烟温度直接影响到锅炉机组的经济性和尾部受热面工作的安全性。选择较低的排烟温度可以降低锅炉的排烟热损失,有利于提高锅炉的热效率,节约能源及降低锅炉的运行费用。因此,如何有效地降低锅炉的排烟温度并使之合理利用,是一个重大的技术性课题,斯大公司引进韩国技术研发的冷凝式余热回收锅炉,其降低排烟温度是通过以下方法来实现: 

1、通过增加锅炉本体的对流受热面的换热面积或采用提高对流换热系数的方法,降低排烟温度; 

2、在尾部烟道增设高效的鳍片式冷凝换热器和热管式空气预热器。 

上述方法在实际应用中有效地回收排烟中显热与汽化潜热。

三、冷凝式锅炉的特点: 

1、使用了热管式空气预热器、鳍片式冷凝换热器,有效地降低了排烟温度。 

2、使用了分体式燃烧机,对燃料燃烧所需的空气进行预热,使燃料充分燃烧及提高炉膛温度。 

3、冷凝节能装置为了防止排烟凝结水的酸性腐蚀,使用进口不锈钢材质制作的螺纹管,它与直管相比,导热性能比直管高2倍以上。 

4、烟气的有害气体得到有效的控制,并随冷凝液流入中和池。 

综上所述,冷凝式锅炉,是传热学、物理学、燃烧学、材料等科学的结晶。它以绝对的经济性傲视传统锅炉。冷凝式锅炉的推广,是一场思维的闪耀与观念的变革,同时,必将会推动热工领域的发展。    

撰稿:何军 

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