燃气锅炉冷凝器及系统设计

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燃气锅炉冷凝器及系统设计

天然气锅炉的冷凝回收装置发源于欧洲。荷兰、英国、德国、法国、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，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，至2004年，冷凝锅炉的使用率瑞士60%，荷兰50%，德国20%，奥地利(20%)，英国(15%)。
冷凝式换热器是一种低温热交换器，传热面积大，并使用了价格昂贵的耐腐蚀的不锈钢材料，虽然价格较高，但这只是一次性投资，其投资回收期一般不超过两年，节约的燃料费很快就将投资回收。
因为每1Nm3天然气燃烧后可以产生1.71kg水蒸汽，具有可观的汽化潜热，大约为3700KJ，占天然气的低位发热量的10%左右。在排烟温度较高时，水蒸汽不能冷凝放出热量，随烟气排放，热量被浪费。
烟气冷凝余热回收装置，可以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，而换热器的水或空气吸热而被加热，实现热能回收，提高锅炉热效率。
以天然气为燃料的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(我国按照低位发热值计算，烟气中的水蒸汽带走的热量未做计算)，但由于天然气高、低位发热量值相差10%左右，实际能源利用率并不高。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。
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88%～92%。而烟气冷凝余热回收装置，它把排烟温度降低到30～70℃，充分回收了烟气中的显热和水蒸汽的凝结潜热。
锅炉热效率提高比例：1Nm3天燃气燃烧生产理论烟气量约10.3 N m3 (大约12.5kg)。以过量空气系数1.3为例，产生烟气14 N m3 (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1850 KJ，总计放热3450 KJ，约是天然气低位发热量的10%。若取80%烟气流过热能回收装置，可以提高热能利用率8%以上，节省天然气燃料近10%。
  (二) 冷凝余热回收原理
1、天然气(LNG)以及其它的燃气燃料主要是碳(C)和氢(H)两元素结合而成的化合物，能保持完全燃烧，因其不含硫磺成份，所以不产生在低温条件下腐蚀金属的硫酸(H2SO4)和亚硫酸(H2SO3)，是一种清洁的燃料。
天然气的主要成份：
CH4 + C2H6 + C3H8 + C4H10 + N2
甲烷 + 乙烷 + 丙烷 + 丁烷 + 氮
90 %+ 6.8% + 2.5 %+ 1% + 0.3% =100%
2、含在燃气中的氢(H)在锅炉部燃烧时与氧结合成水。生成的水从燃烧时产生的热量(高位发热量)中吸收约10%的气化热而变成水蒸汽，与排出的烟气一道排出(冬季水蒸汽与冷空气相遇而凝结，从烟囱观察到冒白烟就是这个原因) 。
燃气的高位发热量 - 汽化热(潜热) = 低位发热量
9450Kcal/N m3 - 950Kcal/N m3 = 8500Kcal/N m3
3、水在高温烟气中，吸热蒸发为水蒸汽，水蒸汽遇到通过冷空气或冷水的传热面，重新凝结成水而释放潜热(汽化热539Kcal/kg)。冷凝余热回收锅炉就是在燃气锅炉的排烟通道上设置通过冷水的热交换器和加热空气的空气预热器，烟气在通过热交换器的传热面时水蒸汽重新凝结为水，将其汽化热(潜热)释放出来，并加热交换器的介质(冷水或空气)。
一般情况下，天然气燃烧排烟中含CO2含量约为10-12%；NOx含量约为60-80PPM，这些有害气体促成酸雨产生或温室效应，诱发大气臭氧层的破环或影响臭氧生成。使用冷凝余热回收锅炉时，对这一环境污染有极大的缓解。
CO2+H2O→H2CO3
NOx+H2O→HNO2+HNO3
在上式中可以看出：CO2和NOx在冷凝余热回收锅炉的尾部烟道中与冷凝结露的H2O结合生成对应的酸，并随着凝结水从排放管排出。而烟气中的有害成份CO2和NOx含量大大咸少,CO2约减少40%，含量由原来的12%下降至6-7%;NOx约减少至20PPM以下。而烟气中冷凝下来的冷凝水因含H2CO3、HNO2、HNO3呈酸性，一般不宜直接排放。在实际运用过程中，检测冷凝水排放PH至在6~7为弱酸性，可通过添加MgO、石灰水、石膏等常规碱性化学物品中和，生成对环境无害的产物进行排放。从这一点来说冷凝锅炉同时起着净化烟气的作用，国家对环保要求越来越严的今天，更具有推广价值。
(三) 冷凝余热回收节能装置原理图
在排烟通路中，设置冷凝余热回收热交换器，烟气在通路通过传热面，温度降至露点温度以下，含在排烟中的水蒸汽凝结潜热将冷水或温水加热，这就叫余热回收节能装置(又称冷凝换热器)。
在流程中看到的冷凝节能装置在尾部烟道中串联布置(前后布置)，将烟气中的水蒸汽冷凝下来，结露后吸收烟气中的部分CO2和NOx，洁净了烟气，起到环保作用。  

采暖系统图

    热水统图

   
（四）、节能特性及工作原理
天然气锅炉的排烟温度一般在120℃～250℃，烟气中有7%～15%的显热和11%的潜热未被利用；我们设计的烟气冷凝器采用翅片管换热结构形式换热，利用生活热水或采暖水将排烟温度冷却至40℃～80℃，回收了烟气中的一部分显热和潜热，加热了生活热水或采暖水。
低位发热量（低位热值，PCI）是指1Nm3天然气完全燃烧后放出的全部热量中扣除水蒸气的汽化潜热后所得到的热量。 高位发热量（高位热值，PCS）是指1Nm3天然气完全燃烧后冷却至原始基准温度时放出的全部热量，其中包括燃烧产物中水蒸气冷却凝结放出的汽化潜热。
热效率（R）是指送入锅炉的全部热量中被有效利用的百分数。由于一般锅炉的在燃料燃烧后，排烟温度还相当高，烟气中的水蒸气不可能凝结下来，因此，工程计算常采用低位发热量作为计算依据。
（五）、冷凝器所应满足的技术特性
1.冷凝器装置的合理设计目标
  1）即合理利用能源，又要防止腐蚀，保证设备安全； 2）总压降较小，动力消耗少，即烟气压降小且符合系统要求，这样即可减少动力消耗，又能保证一定的传热量； 3）操作方便； 4）采用传热强度高、密集度大的传热元件，以保证有较小的外锅炉吸收能量示意图 烟气损失 炉体散热损失 10Kcal 水蒸气 汽化潜热 11Kcal  锅炉吸收热量 90Kcal 空气     天然气 111Kcal 形尺寸和重量； 5）有一定的连续工作寿命，维修简单； 6）安全可靠，考虑了热应力、防腐性能和强度等； 7）尽量减少初投资，制造容易，以最短的时间收回成本。 2.冷凝器装置的技术特性 1）节能，采用新型的换热翅片、排水结构，充分回收烟气中的潜热，排烟温度可降到30℃～70℃； 2）环保，由于烟气中的部分水蒸气变成冷凝水，可以使烟气中的NOx等有害气体部分溶解，减少排入大气的有害气体； 3）耐用，换热管采用不锈钢制作，高效防腐； 4）消声，翅片的扰流作用能够部分降低烟气的排放噪音； 5）采用烟气下进上出的方式，降低烟气压降，减少因需要增加引风机而增加的动力消耗；
（六）、与国外同类型或相同功能产品对比的优点
1）本节能装置为了防止排烟结露的酸性腐蚀和供应无锈清洁热水，用不锈钢铝翅片复合管来制成； 2）与普通翅片管相比，不锈钢铝翅片复合管传热性能高出2倍以上， 3）耐腐蚀的不锈钢材质延长了其使用寿命； 4）本装置可组装在锅炉上部，缩小占有空间，生成在传热面上的凝结水亦可自然排出。 5）烟气阻力小，对原锅炉排烟系统影响小，大部分锅炉房不用增加引风机或增加烟囱高度。


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