燃氣鍋爐排煙余熱回收

以煤炭作為主要燃料的工業(yè)鍋爐仍占據著(zhù)主導地位。隨著(zhù)天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展，以此種清潔能源為燃料的鍋爐將會(huì )逐漸增多。與燃煤相比，燃燒天然氣雖然排放的二氧化硫及氮氧化物的含量很少，減輕了對環(huán)境的壓力，但燃燒后產(chǎn)生的大量水蒸氣隨高溫煙氣排放到環(huán)境中，造成了能量的嚴重浪費。而采用冷凝式鍋爐將高溫煙氣中的顯熱和潛熱予以回收，可以達到充分利用能源降低運行成本的效果。

冷凝式換熱器就是增設在天然氣鍋爐尾部的余熱回收裝置，當煙氣在通道內通過(guò)傳熱面，溫度降至露點(diǎn)溫度以下，從而使排煙中的水蒸氣凝結釋放潛熱傳遞給回收工質(zhì)，可以將排煙中大量的能量加以回收利用，從而達到節能環(huán)保的效果。隨著(zhù)制造工業(yè)的不斷發(fā)展，各種新型高效的冷凝換熱裝置層出不窮，不論從結構還是實(shí)際余熱回收效果來(lái)看都有了非常大的改進(jìn)。

煙氣的特性分析

天然氣成分絕大部分為烴，燃氣鍋爐排煙中水蒸氣的含量較高，分析表明，排煙中可利用的熱能中，水蒸氣的汽化潛熱所占的份額相當大。每1m3天然氣燃燒后可以產(chǎn)生1. 55 kg水蒸氣，具有可觀(guān)的汽化潛熱，大約為3 700 kJ/Nm3，占天然氣的低位發(fā)熱量的10%以上。傳統鍋爐中，排煙溫度一般在160～250℃，煙氣中的水蒸氣仍處于過(guò)熱狀態(tài)，不可能凝結成液態(tài)的水而放出汽化潛熱。因此傳統的天然氣鍋爐理論熱效率一般只能達到95%左右，利用冷凝式換熱器只要把煙氣溫度降到煙氣露點(diǎn)溫度以下，就可回收煙氣中的顯熱和水蒸氣的凝結潛熱，按低位發(fā)熱量為基準計算，天然氣鍋爐熱效率可達到和超過(guò)110%。

1、露點(diǎn)計算

在水蒸氣分壓力不變的情況下，使空氣冷卻至飽和濕蒸汽狀態(tài)時(shí)，將有水滴析出，此時(shí)的溫度即為露點(diǎn)溫度。天然氣燃燒特性分析(以1 m3天然氣計算)煙氣中水蒸氣的體積分數達17˙4%，若燃燒在大氣壓力下進(jìn)行，當空氣過(guò)量系數α為1.1時(shí)(本文中的計算均以此作為計算依據)，其相應的煙氣露點(diǎn)溫度是57℃。

通過(guò)觀(guān)察可知，煙氣露點(diǎn)溫度隨過(guò)量空氣系數的變化而變化。因為根據道爾頓分壓定律，露點(diǎn)溫度的高低與煙道中水蒸氣的分壓量(即水蒸氣的含量)成正比，隨著(zhù)過(guò)量空氣系數的增加，煙道中水蒸氣的相對體積減小，水蒸氣的容積份額會(huì )有所下降，其露點(diǎn)溫度也隨之降低。實(shí)際上，雖然各地方天然氣中成分含量有所不同，但由于其主要成分均為甲烷且占絕大部分，其他成分影響很小，經(jīng)計算的露點(diǎn)溫度誤差不超過(guò)0.3%(符合實(shí)際要求的范圍)，并且由于實(shí)際燃燒的影響因素較多，也使得計算不可能達到很精確，通常是在理論值附近的一個(gè)范圍內波動(dòng)，在實(shí)際應用中還需根據不同情況進(jìn)行修正分析。

2、熱效率分析

煙氣中的熱量以顯熱和潛熱2種形式存在，因此鍋爐的熱損失也由煙氣的顯熱損失和潛熱損失組成。而顯熱損失取決于煙氣的溫度和煙氣組分的熱容量;潛熱損失則取決于煙氣中以水蒸氣形態(tài)存在的水量的多少。當水蒸氣冷凝時(shí)，煙氣中存在復雜的現象：由于水蒸氣分壓力較低，并且在冷凝液膜附近主要是不凝氣體，如N2、CO2、O2等，煙氣中水蒸氣需要穿過(guò)不凝氣體層才能達到液膜表面發(fā)生冷凝。煙氣中水蒸氣冷凝率等于由單位體積天然氣燃燒生成煙氣所產(chǎn)生的凝結水量與燃燒所生產(chǎn)的水蒸氣量的比值，其中，燃燒所產(chǎn)生的水蒸氣包括天然氣燃燒生成的水蒸氣及空氣和燃氣所帶入的水蒸氣。

僅煙氣中的潛熱就對鍋爐的熱效率影響如此巨大，倘若能將排煙溫度降低到露點(diǎn)以下對潛熱加以回收利用，對以低位發(fā)熱量為基準進(jìn)行計算的熱效率至少可提高到10%以上。并且隨著(zhù)排煙溫度的降低，煙氣的顯熱損失也會(huì )相對減小，那么熱效率的提高將更為明顯，進(jìn)一步證明降低排煙溫度對鍋爐效率提高的重要意義。

進(jìn)一步計算可以得出在不同排煙溫度下鍋爐實(shí)際熱效率的變化趨勢。鍋爐效率隨著(zhù)排煙溫度的變化分為2個(gè)比較明顯的區域：在60～180℃變化緩慢，而在20～60℃變化較大。這主要是因為排煙損失中水蒸氣潛熱損失占的比例大于煙氣顯熱的結果。當鍋爐排煙溫度降到20℃時(shí)，鍋爐效率理論上可達107.4%。

排煙中的水蒸氣潛熱在57℃以下才能得以回收，能夠回收的熱量依賴(lài)于所要求的利用溫度和利用率。如果利用溫度接近排煙的露點(diǎn)溫度，僅能回收較少的熱量。利用溫度越低，回收的熱量越多。因此，低溫下余熱冷水可獲得高的回收率，而在較高的溫度下輸出熱能會(huì )降至可以回收的能量數量。

余熱回收其它影響因素

1、余熱回收器受熱面的磨損問(wèn)題

將余熱回收器管排設計成膜式管排(或 H 型管排)，這種結構迫使煙氣流動(dòng)趨于層流，管排間沒(méi)有煙氣擾動(dòng)，在同樣煙速下，與螺旋肋片式和光管式相比較是最不易磨損的受熱面布置形式。而且由于每個(gè)煙道的邊界管排與煙氣的磨擦，而形成中間流速高，兩邊流速低的分布方式。因此，管壁附近煙氣流速低于平均值，煙氣擾動(dòng)比較弱，緩解了飛灰對省煤器的磨損。另外，煙氣流速對受熱面的磨損影響最大，布置受熱面時(shí)煙氣流速不宜過(guò)大，設計時(shí)通過(guò)調整管排橫向截距，來(lái)改變受熱面的煙速，可有效避免余熱回收器管排的磨損問(wèn)題。

2、煙道阻力問(wèn)題

鍋爐整個(gè)煙道阻力主要由引風(fēng)機和煙囪自拔力來(lái)克服，其中引風(fēng)機是主要因素。安裝余熱回收器后鍋爐整體煙氣阻力必然增加。以某電廠(chǎng) 3 號爐熱力計算結果為例，煙道阻力增加約 70 Pa 左右。在加裝余熱回收器的同時(shí)是否對引風(fēng)機進(jìn)行改造，進(jìn)一步提高出力，確保安裝余熱回收器后鍋爐本體的正常運行，視現場(chǎng)情況確定。

3、余熱回收器管內壁結垢問(wèn)題

受熱面管內壁結垢主要發(fā)生在蒸發(fā)段，因為蒸汽的溶鹽能力與水比較相差很大。而在余熱回收系統中最高點(diǎn)溫度也不會(huì )超過(guò) 120 ℃，整個(gè)系統仍處于液相，管內壁結垢問(wèn)題較小。