淺析冷凝式燃?xì)忮仩t節(jié)能減排

陳燁強(qiáng)（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350008）

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淺析冷凝式燃?xì)忮仩t節(jié)能減排

陳燁強(qiáng)（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350008）

我國(guó)節(jié)能環(huán)保問(wèn)題日益突出，各地出現(xiàn)嚴(yán)重的霧霾，要求能源結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。天然氣作為清潔能源應(yīng)用于鍋爐。福建建成了多個(gè)天然氣電廠，鍋爐煤改氣在建成區(qū)內(nèi)逐步實(shí)現(xiàn)。本文結(jié)合福建冷凝式燃?xì)忮仩t節(jié)能減排現(xiàn)狀，根據(jù)日常試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，從熱效率測(cè)試計(jì)算，燃?xì)夥N類、排煙溫度、過(guò)量空氣系數(shù)等方面淺析了冷凝式燃?xì)忮仩t的節(jié)能減排特性，為冷凝式燃?xì)忮仩t節(jié)能減排提供一些思路。

冷凝式燃?xì)忮仩t；節(jié)能；減排；排煙溫度

1　燃?xì)忮仩t節(jié)能現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的迅速發(fā)展，我國(guó)承受著能源短缺和環(huán)境污染的雙重壓力。鍋爐作為高耗能、高排放的工業(yè)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，同時(shí)面臨著節(jié)能減排的巨大壓力，國(guó)家重視推進(jìn)并實(shí)施節(jié)能減排。燃?xì)忮仩t與燃煤鍋爐相比鍋爐熱效率高、污染物排放很少，節(jié)能減排方面潛力巨大。目前燃?xì)忮仩t節(jié)能技術(shù)主要包括：

（1）煙氣深度冷卻——冷凝技術(shù)；

（2）大容量或高參數(shù)鍋爐整裝化技術(shù)；

（3）先進(jìn)的燃燒與控制系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)。

冷凝技術(shù)是提高燃?xì)忮仩t效率的直接途徑。特別是天然氣含有大量氫元素，燃燒生成大量水蒸氣。經(jīng)過(guò)計(jì)算，天然氣汽化潛熱約占天然氣的低位發(fā)熱量的10%左右。天然氣燃燒后當(dāng)排煙溫度較高時(shí)，水蒸氣不能被冷凝釋放潛熱，隨高溫?zé)煔馀欧?，造成熱量浪費(fèi)。同時(shí)，高溫?zé)煔鈳ё唢@熱，由于顯熱和潛熱隨煙氣被直接排放到大氣環(huán)境中，在形成熱能損失的同時(shí)，煙氣中氮氧化物、硫化物等造成對(duì)大氣的污染。冷凝式燃?xì)忮仩t就是使用冷凝式換熱器將燃?xì)忮仩t排煙中水蒸氣凝結(jié)下來(lái)，以達(dá)到提高鍋爐熱效率降低污染的燃?xì)忮仩t。如果降低排煙溫度到露點(diǎn)溫度以下，回收排煙氣中水蒸氣的潛熱，鍋爐的熱效率可以提高15%左右，熱效率提高十分明顯。該技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)成熟應(yīng)用，隨著我國(guó)對(duì)節(jié)能環(huán)保的要求不斷提高，因此冷凝技術(shù)將是一項(xiàng)最具有前景和經(jīng)濟(jì)的節(jié)能技術(shù)。

2　冷凝式燃?xì)忮仩t熱效率的計(jì)算

2.1正平衡測(cè)量法

正平衡測(cè)量法是指直接測(cè)量輸入熱量和輸出熱量來(lái)確定效率的方法［1］。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種形式的鍋爐的熱效率正平衡法的計(jì)算公式以低位發(fā)熱量為基礎(chǔ)，公式如下：

式中：燃料量B，燃料低位發(fā)熱量Qr，工質(zhì)流量G，工質(zhì)進(jìn)口焓值hjs，工質(zhì)出口焓值hcs。

2.2反平衡測(cè)量法

反平衡測(cè)量法是通過(guò)測(cè)定各種燃燒產(chǎn)物熱損失和鍋爐散熱損失來(lái)確定效率的方法。燃?xì)夤I(yè)鍋爐燃燒以后沒(méi)有固體未完全燃燒熱損失。主要有氣體未完全燃燒熱損失q3、排煙熱損失q2和散熱損失q5，其低位發(fā)熱量的計(jì)算公式為：

式中：Qgr，ν，αr——高位發(fā)熱量kJ/m3；

Qnet，ν，αr——低位發(fā)熱量kJ/m3。

盡管相關(guān)文獻(xiàn)也提出了計(jì)算的不同方法。也有文獻(xiàn)認(rèn)為冷凝鍋爐的熱效率大于100%推導(dǎo)結(jié)果可能不合適。但作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB10180按照低位發(fā)熱量計(jì)算熱效率依然是目前權(quán)威的依據(jù)。在專門針對(duì)冷凝燃?xì)忮仩t相關(guān)性能試驗(yàn)規(guī)程公布以前，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算修正也是合理。

3　冷凝式燃?xì)忮仩t的節(jié)能特性分析

冷凝式燃?xì)忮仩t的深度冷卻冷凝技術(shù)創(chuàng)新滿足了相關(guān)節(jié)能減排的要求，根據(jù)正反平衡熱效率計(jì)算結(jié)果，燃?xì)忮仩t的過(guò)量空氣系數(shù)滿足《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》（TSG G0002-2010）規(guī)定值，冷凝式燃?xì)忮仩t排煙出口處CO≤1000ppm，鍋爐化學(xué)未完全燃燒損失q3≤0.5%。新的保溫技術(shù)使得燃?xì)忮仩t的散熱損失q5≤0.5%。因此排煙溫度和空氣過(guò)量空氣系數(shù)大小直接決定排煙熱的損失q2。同時(shí)影響了冷凝式鍋爐熱效率的高低，因此在冷凝式燃?xì)忮仩t的節(jié)能特性分析過(guò)程中，主要從排煙熱損失出發(fā)進(jìn)行節(jié)能淺析。

3.1燃?xì)夥N類對(duì)排煙熱損失的影響

冷凝式燃?xì)忮仩t燃?xì)夥N類包括天然氣、礦井氣、液化石油氣等。不同的燃?xì)饨M成成分各不相同，發(fā)熱量也不同。組成成分不同，燃燒所需的理論空氣量不同、燃燒產(chǎn)物更是不同。特別是所H元素含量不同，天然氣H元素含量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)往往高達(dá)18～26%。冷凝式燃?xì)忮仩t中燃?xì)馊紵漠a(chǎn)生的水蒸氣體積分?jǐn)?shù)和煙氣體積分?jǐn)?shù)的不同。以福建天然氣為例主要成分見(jiàn)表1。其燃燒化學(xué)反應(yīng)方程式：

表1　中海油福建天然氣成分

根據(jù)燃燒化學(xué)反應(yīng)方程式結(jié)合福建天然氣成分顯示冷凝燃?xì)忮仩t有別于燃用其他燃料鍋爐冷凝。燃其他燃料鍋爐中含H元素低，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的水蒸氣份額并不大。盡管采用冷凝技術(shù)手段讓其煙氣中的水蒸汽90%冷凝下來(lái)，放出的全部顯熱和潛熱被鍋爐的冷凝器熱交換系統(tǒng)全部吸收后對(duì)外供熱。效率提高也不明顯。

然而，冷凝鍋爐燃用的天然氣產(chǎn)生大量的理論水蒸汽容積份額占煙氣容積份額的18～25%。也包含少部分入爐冷空氣帶入的水蒸汽。相比較燃煤鍋爐燃燒產(chǎn)物的水蒸汽份額僅為5～10%，燃油鍋爐燃燒產(chǎn)物的水蒸汽含量為8～15%。煙氣的水蒸汽容積份額越高，煙氣露點(diǎn)溫度也越高。天然氣高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量相差很大。福建天然氣標(biāo)況101.325kPa，0℃下高位發(fā)熱量40.74MJ/m3，低位發(fā)熱量36.61MJ//m3。差值高達(dá)4.13MJ/m3。實(shí)測(cè)燃燒1m3天然氣產(chǎn)生水蒸氣，包括入爐空氣帶入的水蒸汽含量約2.0～2.3m3。約占煙氣容積份額的 18.5～22.7%。煙氣熱量的主要依靠大量的水蒸汽攜帶。攜帶的熱量約為所有排煙熱損失總和的50～79%。正因?yàn)樘烊粴獾脑撎匦允估淠饺細(xì)忮仩t能夠充分利用這部分熱量，進(jìn)而提高鍋爐的效率。

3.2排煙溫度對(duì)排煙熱損失的影響

在冷凝式燃?xì)忮仩t的使用過(guò)程中，排煙溫度對(duì)排煙熱損失產(chǎn)生重要的影響，當(dāng)燃?xì)忮仩t無(wú)煙氣冷凝器時(shí)，排煙溫度一般都在250℃左右。過(guò)量空氣系數(shù)小于1.15條件下，按照規(guī)程規(guī)定低位發(fā)熱量計(jì)算鍋爐的熱效率約91%。燃?xì)忮仩t配置冷凝器時(shí)，如果冷凝器進(jìn)口工質(zhì)溫度為環(huán)境溫度，排煙溫度降低至露點(diǎn)溫度或者以下。回收煙氣中理論干煙氣和水蒸氣（顯熱和潛熱）余熱后的按照規(guī)程規(guī)定低位發(fā)熱量計(jì)算鍋爐的熱效率約98～105%。這與按照規(guī)程規(guī)定理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)吻合。露點(diǎn)溫度作為冷凝式燃?xì)忮仩t使用過(guò)程中排煙溫度的關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)排煙熱產(chǎn)生影響。煙氣中水蒸汽冷凝條件是：煙氣溫度已達(dá)到或低于煙氣中水蒸汽分壓力下的飽和溫度，此飽和溫度即為露點(diǎn)溫度（tld）。

通過(guò)計(jì)算，露點(diǎn)溫度主要取決于煙氣中水蒸汽份額。煙氣的露點(diǎn)越低，說(shuō)明煙氣的體積分?jǐn)?shù)越低。理論計(jì)算的燃用天然氣鍋爐煙氣露點(diǎn)溫度一般55～60℃。依據(jù)燃燒計(jì)算規(guī)程計(jì)算排煙處水蒸汽體積與排煙處煙氣體積之比（VH2O/Vpy），查水蒸氣容積份額表得露點(diǎn)溫度。取露點(diǎn)溫度tld為58.2℃，排煙熱損失在露點(diǎn)溫度為界前后兩個(gè)期間內(nèi)變化明顯。當(dāng)tpy＜tld（58.2℃）屬于直接冷凝，即煙氣中的水蒸汽呈霧狀，煙氣本身直接冷凝［2］。通過(guò)冷凝不但回收煙氣中水蒸汽的顯熱，也回收汽化潛熱。減少排煙熱損失，熱效率高。余熱回收明顯。當(dāng)tpy＞tld（58.2℃）不存在煙氣直接冷凝，因?yàn)槔淠鞲咝У膿Q熱螺紋管的管壁導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煙氣與壁面的對(duì)流換熱系數(shù)。換熱螺紋管的管壁面溫度等于冷凝器進(jìn)口工質(zhì)溫度，且接近露點(diǎn)溫度時(shí)，流經(jīng)壁面上的煙氣溫度也降低至露點(diǎn)溫度。水蒸氣開(kāi)始凝結(jié)，不斷放出汽化潛熱。由于鍋爐尾部煙道流量會(huì)變化。在變化煙氣溫度場(chǎng)下，進(jìn)行著復(fù)雜的冷凝→蒸發(fā)→再冷凝→再蒸發(fā)等過(guò)程。所以保持冷凝器工質(zhì)參數(shù)穩(wěn)定（流量，進(jìn)出口溫度）。余熱回收的效果明顯。當(dāng)排煙氣溫度大于100℃，又處于微負(fù)壓。使得壁面冷凝水再蒸發(fā)，冷凝水量不高。煙氣溫度在100～170℃之間比較回收效率平緩。在露點(diǎn)溫度通過(guò)實(shí)測(cè)煙氣凝結(jié)水量在320～1200kg/h，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算冷凝率在0.30～0.55之間。表2為實(shí)際測(cè)試得到的冷凝式燃?xì)忮仩t相關(guān)數(shù)據(jù)，從表2可以看出，排煙溫度對(duì)排煙熱損失和鍋爐效率有很大的影響，當(dāng)排煙溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，鍋爐排煙熱損失快速降低，鍋爐效率也顯著變大。

表2　冷凝式燃?xì)忮仩t測(cè)試數(shù)據(jù)

3.3過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)排煙熱損失的影響

總體來(lái)說(shuō)，過(guò)量的空氣系數(shù)增大會(huì)增加煙氣的體積，水蒸汽容積份額減少，從而使水蒸汽分壓力減小，煙氣的露點(diǎn)溫度也呈降低趨勢(shì)。增加煙氣中水蒸汽冷凝的難度［3］。過(guò)量空氣為1.15時(shí)露點(diǎn)溫度為58.2。降低煙氣露點(diǎn)溫度對(duì)蒸汽冷凝熱量的回收產(chǎn)生影響。

除此之外，冷凝器的對(duì)外供熱系統(tǒng)進(jìn)出口工質(zhì)參數(shù)、燃燒空氣的參數(shù)都會(huì)對(duì)冷凝式燃?xì)忮仩t的排煙熱損失產(chǎn)生影響，特別冷凝式燃?xì)忮仩t中的換熱系統(tǒng)（冷凝器或節(jié)能器），通過(guò)工藝流體工質(zhì)與換熱器熱交換，進(jìn)而降低煙氣溫度，減少排煙熱損失。入爐空氣的含濕量和溫度參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下入爐空氣的含濕量為10g/m3。這些參數(shù)變化都會(huì)對(duì)冷凝燃?xì)忮仩t中的排煙熱損失產(chǎn)生影響。

4　冷凝式燃?xì)忮仩t減排

燃?xì)忮仩t燃燒后產(chǎn)生的煙氣中含有大量的二氧化碳（CO2）、氣態(tài)硫化物（SOx）、氮氧化物（NOx）等有害含酸性氣體和煙塵（降塵、飄塵）。特別是在空氣不足時(shí)，產(chǎn)生一氧化碳（CO），碳?xì)浠衔铮紵纸猱a(chǎn)生炭黑粒子形成煙塵。硫化物（SOx）在大氣中生成硫酸煙霧。氮氧化物（NOx）形成光化學(xué)煙霧嚴(yán)重污染大氣。冷凝式燃?xì)忮仩t能夠通過(guò)排煙的冷凝產(chǎn)生大量的水蒸汽與二氧化碳（CO2）、氣態(tài)硫化物（SOx）、氮氧化物（NOx）等有害含酸性氣體經(jīng)過(guò)復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，吸收氣態(tài)有害物質(zhì)呈液態(tài)?？煽紤]就近接入市政管道集中到城市污水環(huán)保處理廠進(jìn)行綜合處理。減少有害氣體的無(wú)序排放。還能減少專門的脫硝脫硫環(huán)保設(shè)施投入。

5　結(jié)語(yǔ)

倡導(dǎo)低碳、綠色發(fā)展。應(yīng)對(duì)面臨嚴(yán)峻的能源狀況和保護(hù)環(huán)境，冷凝式燃?xì)忮仩t作為一種高效節(jié)能用能設(shè)備，以天然氣等清潔能源替代煤炭，大力推進(jìn)熱效率高冷凝式鍋爐的應(yīng)用。并不斷創(chuàng)新提高鍋爐熱效率，節(jié)約了天熱氣減少有害物質(zhì)的排放，有利于建設(shè)資源節(jié)約，生態(tài)友好。

［1］《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》（GB/T10180-2003）.

［2］梁耀東，李之光，劉 峰，徐 浦，劉立波.冷凝燃?xì)忮仩t評(píng)價(jià)與熱效率計(jì)算［J］.工業(yè)鍋爐，2015，04，009.

［3］韓三飛，張爭(zhēng)光，王政偉.燃?xì)忮仩t冷凝余熱回收效率分析及計(jì)算［J］.常州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，25（2）：82～85.

陳燁強(qiáng)（1981-），男，工程師，本科，長(zhǎng)期從事特種設(shè)備節(jié)能試驗(yàn)研究、測(cè)試和節(jié)能評(píng)價(jià)工作。

TK229.8

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2095-2066（2016）16-0226-02

2016-5-20