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冷凝余熱回收爐技術(shù)論文
1、概述
一般來(lái)說(shuō)，熱效率100%以上的鍋爐在常識(shí)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(lái)，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(huì)提高到100%，甚至超過(guò)100%。
在熱能工程領(lǐng)域中計(jì)算鍋爐的熱效率都是利用燃料的低位發(fā)熱量來(lái)進(jìn)行計(jì)算的，國(guó)外也是如此，如果按鍋爐的高位發(fā)位量來(lái)計(jì)算鍋爐的熱效率，則100%的熱效率是不可能達(dá)到的(能量守恒)。
利用高效的冷凝換熱器和空氣預(yù)熱器來(lái)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(dá)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(guó)、荷蘭、英國(guó)、奧地利等國(guó)家于上世紀(jì)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(guó)率先將冷凝式鍋爐應(yīng)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(jī)理的大膽革命與突破。在一些能源利用率較高的歐美國(guó)家，燃?xì)饫淠接酂峄厥盏臒崴仩t其熱效率高達(dá)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(duì)環(huán)保來(lái)說(shuō)是非常有利的。在歐美等國(guó)，由于政府鼓勵(lì)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(guó)20%，奧地利(20%)，英國(guó)(15%)。
冷凝式換熱器是一種低溫?zé)峤粨Q器，傳熱面積大，并使用了價(jià)格昂貴的耐腐蝕的不銹鋼材料，雖然價(jià)格較高，但這只是一次性投資，其投資回收期只需幾個(gè)月，節(jié)約的燃料費(fèi)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(lǐng)域中的地位，歐洲國(guó)家對(duì)冷凝鍋爐的認(rèn)知普及及政策的傾斜，使得冷凝鍋爐的應(yīng)用極為廣泛。而在中國(guó)，冷凝鍋爐還是空白，人們對(duì)冷凝鍋爐的認(rèn)識(shí)不足是一重要原因，另一原因就是生產(chǎn)廠家對(duì)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(guó)的鍋爐技術(shù)與中國(guó)的鍋爐現(xiàn)狀相結(jié)合，先后研發(fā)出冷凝無(wú)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(guó)的能源利用理念引入中國(guó)，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(shí)，水蒸汽不能冷凝放出熱量，隨煙氣排放，熱量被浪費(fèi)。同時(shí)，高溫?zé)煔庖矌ё叽罅匡@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(shí)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(shí)實(shí)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(shí)現(xiàn)熱能回收，提高鍋爐熱效率。
鍋爐熱效率提高：1NM3天燃?xì)馊紵a(chǎn)理論煙氣量約10.3NM3(大約12.5KG)。以過(guò)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(jì)放熱3450KJ，約是天然氣低位發(fā)熱量的10%。若取80%煙氣進(jìn)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(guò)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(jì)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(dá)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(yuǎn)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(jì)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(shí)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(dāng)換熱器壁面溫度低于煙氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，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(shè)計(jì)思想及原理：
排煙溫度是鍋爐的基本設(shè)計(jì)參數(shù)之一。設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)首先要對(duì)該參數(shù)進(jìn)行選定。
鍋爐排煙溫度直接影響到鍋爐機(jī)組的經(jīng)濟(jì)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(yùn)行費(fèi)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(gè)重大的技術(shù)性課題，斯大公司引進(jìn)韓國(guó)技術(shù)研發(fā)的冷凝式余熱回收鍋爐，其降低排煙溫度是通過(guò)以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：
(1)通過(guò)增加鍋爐本體的對(duì)流受熱面的換熱面積或采用提高對(duì)流換熱系數(shù)的方法，降低排煙溫度；
(2)在尾部煙道增設(shè)高效的鰭片式冷凝換熱器和熱管式空氣預(yù)熱器。
上述方法在實(shí)際應(yīng)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(shì)：
(1)使用了熱管式空氣預(yù)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(jī)，對(duì)燃料燃燒所需的空氣進(jìn)行預(yù)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(jìn)口不銹鋼材質(zhì)制作的螺紋管，它與直管相比，導(dǎo)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(xué)、物理學(xué)、燃燒學(xué)、材料等科學(xué)的結(jié)晶。它以絕對(duì)的經(jīng)濟(jì)性傲視傳統(tǒng)鍋爐。冷凝式鍋爐的推廣，是一場(chǎng)思維的閃耀與觀念的變革，同時(shí)，必將會(huì)推動(dòng)熱工領(lǐng)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?xì)馊剂现饕翘?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?xì)庵械臍?H)在鍋爐內(nèi)部燃燒時(shí)與氧結(jié)合成水。生成的水從燃燒時(shí)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(yīng)是這個(gè)原因。)
燃?xì)獾母呶话l(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?zé)煔庵�，吸熱蒸發(fā)為水蒸汽，水蒸汽遇到通過(guò)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?xì)忮仩t的排煙通道上設(shè)置通過(guò)冷水的熱交換器和加熱空氣的空氣預(yù)熱器，煙氣在通過(guò)熱交換器的傳熱面時(shí)水蒸汽重新凝結(jié)為水，將其汽化熱(潛熱)釋放出來(lái)，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(jì)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(duì)的高，排煙溫度也相對(duì)要高。顯熱和潛熱均由溫水回收的話，則能加熱的溫水量過(guò)大無(wú)法處理，故而設(shè)置空氣預(yù)熱器。用來(lái)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(qiáng)爐膽內(nèi)的輻射傳熱。
(二)冷凝余熱回收鍋爐和環(huán)境保護(hù)
燃?xì)馀c燃重油或輕油相比對(duì)環(huán)境污染相對(duì)小一些，它是一種清潔燃料。但燃燒時(shí)生成的CO2、CO、NOx對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了影響。在先進(jìn)國(guó)家也為了減少這個(gè)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(yīng)，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(shí)，對(duì)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(duì)應(yīng)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(lái)的12%下降至6-7%;NOx約減少至20PPM以下。
酸性的冷凝水排出時(shí)需進(jìn)行中和處理：
H2CO3+Ca2++OH-→CaCO3+H2O
H2NO3+Ca2++OH-→CaNO3+H2O
可以設(shè)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(yù)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(dǎo)管。
如圖所示，在鍋爐前上部，以80傾斜角設(shè)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(shí)行相變傳熱)，傳熱給由送風(fēng)機(jī)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(duì)燃料的充分燃燒作用極大；另一方面熱風(fēng)吹進(jìn)爐膛時(shí)有效地提高了爐膛的火焰溫度，加強(qiáng)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(yù)熱器的特點(diǎn)
1、熱管比銅鋁管的熱傳導(dǎo)性能高出500-1000倍，用熱管制成的空氣預(yù)熱器比傳統(tǒng)的管殼式空氣預(yù)熱器尺寸、重量都小2/3，可在鍋爐的正面組裝設(shè)置，占用的空間很少。
2、管表面附著有熱傳導(dǎo)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(shuō)它是一種長(zhǎng)壽命裝置。
(六)冷凝余熱回收節(jié)能裝置的特長(zhǎng)
1、本節(jié)能裝置為了防止排煙結(jié)露的酸性腐蝕和供應(yīng)無(wú)銹清潔熱水，用不銹鋼螺旋鰭片管來(lái)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(zhǎng)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(shè)置冷凝余熱回收熱交換器，煙氣在通路內(nèi)通過(guò)傳熱面，溫度降至露點(diǎn)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(lái)，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(dǎo)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(lái)加熱生活熱水或取暖用熱水，當(dāng)對(duì)熱水需求量減少時(shí)，熱水溫度上升，故在熱水箱上需設(shè)置膨脹水箱和安全泄壓閥，確保安全無(wú)誤。
(十)余熱回收裝置用在鍋爐的給水系統(tǒng)
在蒸汽用戶無(wú)回收系統(tǒng)中不回收蒸汽凝結(jié)水時(shí)，采用密閉型或開放型流程。
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