一种深度回收烟气中冷凝水潜热的冷凝器

刘　亮， 宿新天， 郭少春，王　硕，崔敬丽

(1.保定市金能换热设备有限公司,河北 保定 071000；2.中航工业沈阳飞机工业集团有限公司，辽宁 沈阳 110850；3．中国热处理行业协会，北京 100083)

一种深度回收烟气中冷凝水潜热的冷凝器

刘亮1， 宿新天1， 郭少春1，王硕2，崔敬丽3

(1.保定市金能换热设备有限公司,河北 保定 071000；2.中航工业沈阳飞机工业集团有限公司，辽宁 沈阳 110850；3．中国热处理行业协会，北京 100083)

摘要：介绍了一种深度回收烟气中冷凝水潜热的冷凝器，通过冷凝器把烟气中水蒸汽冷凝并吸收释放出的潜热从而将管内冷水加热，水温可在30～95 ℃调节，通过给水泵把被加热的水输送到锅炉或供暖系统中加以利用。安装深度回收烟气冷凝水潜热的燃气锅炉比普通燃气锅炉热效率高10%左右，锅炉效率可接近100%，通过提高企业能源的利用率来解决当前能源供需和环境污染的矛盾是一条有效的途径。

关键词：冷凝器；传热管；潜热；热效率

国务院发布的《大气污染防治行动计划》具体指标是：到2017年，全国地级以上城市可吸入颗粒物浓度比2012年下降10%以上；京津冀、长三角和珠三角等区域细颗粒物浓度分别下降25%、20%和15%左右。为实现上述目标，需加大综合治理力度，减少多污染物排放，培育和壮大节能环保产业，促进重大环保技术装备和产品的创新开发与产业化应用。

我国工业炉的能源利用水平还相当低，平均热效率不到85%，利用余热可以节约大量燃料，减少大气污染，改善劳动条件，提高产量以及降低成本。节能是工业炉发展的关键，能耗的高低直接反映在产品的成本和价值上，也影响到产品的竞争力和销路，涉及到企业的生存和发展，通过提高企业能源的利用率来解决当前能源供需矛盾是一条有效的途径。用烟道气余热来加热水或预热空气，使锅炉热利用率大幅度提高，可以节省燃料和减少二氧化碳的排放量。工业炉排烟温度可达到150～220 ℃，有效地利用这些大量的余热资源尤其是深度回收利用烟气中冷凝水释放的潜热是最有效的节能措施之一，例如安装冷凝器的燃气锅炉比普通燃气锅炉热效率高10%左右，锅炉效率可接近100%。

1深度回收冷凝技术

1.1燃气工业炉的热损失分析

传统的燃气工业炉的热量损失主要发生在下述3个方面：1)炉体散热损失；2)不完全燃烧损失(电炉不存在此项)；3)排烟热量损失。显然，提高火焰类工业炉热效率的基本途径就是要对上述3个方面做深入研究，其中排烟损失是锅炉热损失中最大的一项，约占锅炉热损失的70%～80%[1]，其温度一般可达到150～190 ℃，这部分热量只包括烟气显热，不包括烟气中水蒸汽的潜热。

1.2回收烟气余热后锅炉热效率分析

工业炉燃料的节约量是衡量工业炉余热利用经济性的重要指标，其燃料节约率是评定炉子热效率的依据。预热锅炉给水提高了燃料的利用率，达到了节能的目的。

燃气锅炉烟气热量包括干烟气的热量和水蒸汽的热量Q1[1-2]：

Q1=γCpgT1+M1hfg(T1)

(1)

烟气出口处烟气和冷凝液的热量Q2为：

Q2=γCpgT2+M2hfg(T2)+mcoolCpT2

(2)

回收烟气总换热量Q为：

Q=Q1-Q2

(3)

冷凝水潜热换热量Qcool为：

Qcool=mcoolhfg(T1)

(4)

烟气显热热量Qg为：

Qg=α0ηA0(Tg—Ti)

(5)

式中，Q1是烟气输入热量，单位为kJ/h；Q2是烟气出口处热量，单位为kJ/h；Q是回收排烟总热量，单位为kJ/h；T1是 烟气入口处温度，单位为℃；T2是烟气出口处温度，单位为℃；η是翅片冷凝器效率；α0是烟气侧对流换热系数，单位为W/(m2·K)；γ是烟气的质量流量，单位为kg/h；mcool是冷凝液生成量，单位为kg/h；hfg是水蒸汽焓值，单位为kJ/kg；A0是翅片管束外表面积，单位为m2。

排烟温度下降时，Ipy就会下降，Q2随之减小，锅炉的热损失减少；当排烟温度<60 ℃，烟气中的水蒸汽冷凝成水释放出潜热，1 kg水蒸汽冷凝时会释放2 500 kJ热量。1 m3天然气燃烧后会产生2.25 m3水蒸汽,释放出3 391 kJ热量，以天然气低值35 000 kJ为基准,则需提高锅炉热效率ξ1：

(6)

式中，ξ1是回收锅炉烟气余热提高热效率；Q冷是冷凝器吸收的热量，单位为kJ/Nm3；Q输是燃气燃烧发热值，单位为kJ/Nm3。

降低烟气温度回收的显热效率为1.8%,潜热提高的热效率为7.15%，2项合计提高锅炉热效率为：

ξ2=7.15%+1.8%=8.95%

按现行国家标准，以燃料低位发热值为基准计算锅炉热效率,回收前锅炉的热效率为91%,加上述2项，锅炉合计热效率ξ为：

ξ=ξ1+ξ2=91%+8.95%=99.95%

(7)

2冷凝器结构

冷凝器由方圆管道、冷水进口、翅片换热管、框架、冷凝水出口和热水出口组成，如图1所示。

图1　冷凝器结构图

3冷凝器的创新点

3.1换热管的管内强化传热

换热管基管上加工有螺旋沟槽，基管外部焊接有翅片，带有螺旋沟槽的翅片管可以强化管内流体一侧的对流换热，螺旋沟槽翅片管使流体在管内产生螺旋运动并具有一定的径向速度，从而有效地强化管内对流换热，这使整个传热过程相应地强化[3]。同时，螺旋沟槽管便于快速大批量加工，使总传热系数显著提高，这样可以降低制造成本；换热管螺旋形沟槽的螺旋角及节距可以方便地在加工过程中调整和改变并兼顾流动阻力。螺旋翅片换热管如图2所示。

图2　螺旋翅片换热管图

3.2换热管的管外强化传热

翅片管式冷凝器的传热是烟气通过管壁将热量直接传递给冷水进行相变换热，属于一次性换热，同时由于管内是冷水而管外是烟气，管内的换热系数较管外大的多，因此总的传热系数主要取决于管外的换热系数，通过在光管外表面无切削整体挤压翅片来增大外表面的面积，相当于增大了管外的换热系数，从而达到强化传热的目的[4]。在保持管外侧翅片传热能力不变的条件下，通过提高管内侧对流换热可达到使该传热元件总传热能力增大的目的。

3.3冷凝器相关技术的改进措施

为实现该项技术改进，主要做了3方面的工作：1)对冷凝器后边的烟道改用耐腐蚀材料；2)燃烧系统改用按比例调节的燃烧方式，确保冷凝器运行性能稳定、高效；3)配备冷凝水排放系统。

烟气的余热回收主要是通过对流换热来完成的。本方案具有质量小、造价低、安全可靠性高和调节简单等优点。

4现场实测结果

该冷凝器自从2011年12月投产已来，运行正常，2013年4月26日河北省锅炉监督检验院对某中心医院进行了现场实地测试，结果见表1。

表1　冷凝器性能参数表

5经济效益和社会效益

5.1经济效益

1)燃气炉节约天然气量。回收热量按289 kW计算，平均每小时每台锅炉节省天燃气(低位发热值按8 500 kcal/Nm3计算)36.8 m3，每天可节天燃气量368 m3(按每天工作10 h)，一年可节约天然气55 200 m3(一年工作150 d)。

2)年节约资金：5.52×2.8=15.46万元。

3)投资回收期为76 d。

5.2社会效益

每年减少向大气中排放二氧化碳量M=0.000 590 8×55 200=32.6 t。

6结语

冷凝器在工业炉的余热回收方面的成功应用表明燃气炉的热效率可以得到显著的提高，目前工业生产中有大量锅炉的烟气余热未能得到充分利用,若使烟气中水蒸汽潜热得到深度回收利用,就可以把燃气炉的热效率提高到将近100%,这样不但可以节省大量燃料，还能减少二氧化碳的排放，对改善空气质量，预防大气污染是一项积极有效的防治措施。

参考文献

[1] 花秀峰, 李晓明.火力发电厂烟气余热利用的分析和应用[J]. 节能, 2013(11):89-91.

[2] 崔永章, 钱申贤. 天然气热水器翅片式冷凝换热器的计算方法[J]. 煤气与电力， 2000(11):411-413.

[3] 赵蔚琳, 庄 骏, 张 红. 一种新型高效强化传热技术[J]. 工业炉, 2004(3):8-10.

[4] 何介英.工业炉节能技术[M].济南：山东科学技术出版社，1984.

责任编辑李思文

北方材料科学与工程研究院济南所研制的

8类34种国家二级标准物质顺利通过评审

2014年12月底，中国兵器工业集团北方材料科学与工程研究院济南所的相关技术人员在北京参加了全国标准物质管理委员会组织的国家二级标准物质评审。济南所申报了气体、农残和滤光片等共计8类35种标准物质，经过技术人员的认真答辩，最终有34种二级标准物质顺利通过评审。目前，国内标准物质申报及审查越来越严格，总体通过率仅为30%，而此次济南所的通过率达到97.1%，充分说明了济南所深厚的技术实力，获得了评审专家的高度评价。本次通过评审的8大类34种二级标准物质是继2013年获批的1种一级标准物质、17种二级标准物质的又一次扩充，本次评审通过后，济南所共拥有标准物质达260种，形成了专业领域广、数量众多、品种较为齐全的标准物质库，标准物质的销售也是一年一个新台阶，面对激烈的市场竞争，济南所会继续以市场为导向，不断提高标准物质研制的技术能力与水平，不断扩充标准物质的种类和数量，建立更加完善的标准物质库，成为权威的标准物质研制、提供、发放技术机构。

——摘自中国兵器工业集团公司网

Application of Recovering Waste Heat in Gas Furnace of Steel Jar Modified Treatment

LIU Liang1，SU Xintian1，GUO Shaochun1, WANG Shuo2, CUI Jingli3

(1.Baoding Jinneng Exchanger Co., Ltd , Baoding 071000, China;2.AVIC Shenyang Aircraft Corporation,Shenyang 110850, China;3.China Heat Treatment Association, Beijing 100083, China)

Abstract:The paper introduced a kind of condenser which can fully recover the latent heat of steam in the exhausted gas, and absorbed latent heat of steam is used to heat the cold water in pipe, the water temperature can be adjusted in range of 30～ 95 ℃ and the heated water can be pumped into the boiler or heating system through pipes. The thermal efficiency of a gas boiler with the latent heat recovery installation is about 10% higher than that of the ordinary gas boiler, close to the efficiency of 100%. Improvement of the utilization rate of energy in enterprises will be greatly benefit to solve the contradiction of energy supply and environmental pollution.

Key words:condenser, heat transfer pipe, latent heat, thermal efficiency

收稿日期：2014-11-12

作者简介：刘亮(1981-)，男，助理工程师，主要从事热能工程设计及开发等方面的研究。

中图分类号：TB 657

文献标志码：B