冷凝式锅炉的节能参数分析及应用

施全臻

上海烟草集团有限责任公司

0 前言

在国内，燃烧天然气的设备在运行过程中因受露点腐蚀、磨损等方面的原因，其排烟温度往往远超设备的设计值。普通的燃气锅炉排烟温度一般在150℃～250℃以上，这一排烟温度造成了锅炉的效率普遍在80%左右。在燃烧过程中，由于天然气成分的原因，烟气中几乎不含有SO2；氮氧化物排放量较燃煤降低45%、较燃油降低63%；CO2排放量比燃煤少52%、比燃油少26%。相较于一般燃料，由于天然气中含有大量甲烷，导致其燃烧后排出的烟气中含有大量的水蒸气（容积成分接近20%），这部分水蒸气中含有大量的潜热，而这一潜热占天然气高位发热量的比例为10%～11%。若不及时将这一热量进行回收利用，将间接造成锅炉效率偏低，在同等热量需求下，燃料耗量增大，造成能源浪费和大气环境污染。

冷凝式锅炉是指在锅炉燃烧做功的过程中，利用余热提取技术将排烟温度降至烟气露点以下，将烟气中的水蒸气进行凝结从而释放提取其中的汽化潜热。在锅炉效率的计算过程中，若以燃料低位发热量Qdw作为基准，则冷凝式锅炉的热效率可达到100%以上[1-2]。

1 冷凝式锅炉的工作原理和特点

在传统锅炉系统中，由于运行时排烟温度过高，其烟道尾部受热面一方面排烟温度过高，一部分显热无法得到回收，并且，由于排烟温度未降至露点温度以下，水蒸气不会产生冷凝，大量的汽化潜热无法得到回收再利用。而在冷凝式锅炉中，由于设定排烟温度低于露点温度，保证水蒸气以冷凝式以释放出汽化潜热，使热量得以回收，大幅提高锅炉的热效率。与此同时，由于烟气中水蒸气冷凝，将烟气中的部分NOX、CO2溶解于水蒸气中，减少了此类空气污染物的排放，具有环保效益[3-4]。

冷凝式锅炉具有如下特点：

（1）冷凝式换热器材质多变[5]

在冷凝式锅炉中，大量水蒸气冷凝，同时烟气中的酸性气体溶于水蒸气中，使冷凝水具有酸性腐蚀的特性，会对换热器产生腐蚀，因此在冷凝式换热器中通常选材要求较一般换热器高，需具有较强的防腐蚀能力，因此冷凝换热器的制造成本较高。在冷凝式换热器中，防腐材料多种多样，包括铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢和蒙乃尔合金等多种形式。

（2）节能效果好

在冷凝式锅炉中，为解决一般锅炉排放大量汽化潜热的问题，将烟气温度设定为露点温度以下，以此提高锅炉的热效率[6-7]，充分回收利用烟气的显热和水蒸气的冷凝热，使燃气锅炉效率提升至100%～110%[3]。

在以天然气为燃料的锅炉中，烟气中水蒸气的含量直接与燃料的原始组成以及锅炉的排烟温度密切相关[8-9]。当燃料中H元素的含量大时，产生的水蒸气量也会较多，此时，高、低位发热量差值越大。其中天然气等有机气态燃料为最大，液态燃料依次减小，其汽化潜热也逐次减少。

（3）良好的环保效益[10-12]

燃料在锅炉内燃烧产生的烟气中常伴有NOX、SOX等酸性气体和CO2等温室气体，若直接排放至大气中会造成环境污染，而在冷凝式锅炉中，由于会产生冷凝水，酸性气体和温室气体会溶于水中，从而降低了负面气体的直接排放，减弱对环境的污染。

（4）安装位置可因地制宜

冷凝式节能器采用强化翅片换热管结构，翅片管外部走烟气，管内走水，同时冷凝式节能器本体结构紧凑，占用空间较小，安装位置可因地制宜。

（5）冷凝式节能器属低阻设备，系统阻力随着烟气流速的增加而增加。

冷凝式换热器的类型见图1，各种类的区别见表1：

图1 接触式余热回收器类型

2 冷凝式锅炉的烟气分析及热量回收计算

2.1 天然气成分

上海市天然气组成主要有东海平湖天然气田，也是目前上海天然气主要供气气源之一。其成分检测数据见表2。

表1 冷凝式换热器的种类及区别

表2 上海市天然气组成成分

该天然气的低位发热量为Qdr=36.59MJ/Nm3，高位发热量为Qgr=40.52 MJ/Nm3，两者相差为3.93 MJ/Nm3，该差值即为烟气中水蒸气的汽化潜热。在一般燃气锅炉排烟温度下，水蒸气仍处于过热状态，因而由锅炉排烟所带走的汽化潜热占低位发热量的比例可用式1求得。

对于东海天然气而言，通过上式计算得出Δη=10.74%，即：传统燃气锅炉每燃烧1Nm3天然气产生的水蒸气带走的汽化潜热占燃气低热值Qdr的10.74%，这意味着在传统锅炉中，有很大的热损失是由于水蒸气中所含有的汽化潜热造成的[13-15]。同时，该比例可用来表示若将该部分汽化潜热利用，可以使锅炉效率提高的百分比。

2.2 燃烧产物——烟气成分计算

本文所指的烟气是天然气在锅炉内完全燃烧后的产物。供给锅炉的空气恰好完全满足燃料燃烧所需时，此时的空气量称为理论空气量，燃料完全燃烧产生的烟气量为理论烟气量。

在实际的锅炉运行中，为了保证燃料完全燃烧，实际空气量与理论空气量之比都是大于1的，该比例称为过量空气系数。在燃烧完成后，空气会有剩余，此时烟气中必然存在剩余的过量氧气，这时的烟气量称为实际烟气量。若燃烧不完全，烟气中会含有CO、CH4和H2等未燃尽的可燃成分[16]。以上海天然气为例，计算燃气锅炉燃烧后的理论空气量、理论烟气量及实际烟气量，并对燃烧产物进行分析。

2.2.1 理论空气量

标准状态下，1Nm3天然气完全燃烧所需要的理论空气量为：

式中，H2、CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C5H12、C6H14为天然气各组分的容积分数。

根据式2，可以计算得出，天然气燃烧理论空气量为V0k=9.68Nm3/Nm3

2.2.2 实际空气量

为保证燃料燃烧效率，锅炉实际送风量大于理论空气量，实际空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数，用α表示。实际空气量计算公式如式（3）：

以实际运行过程中，燃气锅炉的过量空气系数α一般为1.05～1.25，则根据式3，计算得出，天然气燃烧所需实际空气量Vk=10.16～12.1Nm3/Nm3

2.2.3 理论烟气量

（1）三原子气体体积

理论烟气成分为C02、SO2、N2和H2O。在烟气分析时，CO2和SO2的量经常合在一起进行，并且反应生成CO2合SO2的化学反应方程式也有诸多相似之处，因此CO2和SO2常常被统称为三原子气体，用RO2表示。

H2S、CmHn、CO、CO2——燃气中各种各组分的容积成分。

（2）水蒸气体积

3）氮气体积

4）理论烟气量

2.2.4 实际烟气量

实际烟气量包含了天然气燃烧后生成的产物及剩余的空气量，实际烟气量的计算如式8：

根据α=1.05～1.25，及式8计算得出，天然气燃烧产生的实际烟气量为Vy=11.184～13.12 Nm3/Nm3。

表3 东海天然气燃烧所需的空气量和生成的烟气量(Nm3)

表4 烟气中水蒸气含量分析

图2 烟气中水蒸气含量与空气过量系数的关系

由图2可知，烟气中水蒸气含量与空气过量系数满足以下关系式

Vw=-14.25α+4.25

式中Vw——烟气中水蒸气含量，%；

α——空气过量系数。

2.3 冷凝式节能器热量回收计算

燃气锅炉烟气经过冷凝式节能器后，温度会降低到50℃以下，此时回收的热量既包括显热量又包括潜热量，很难分别单独计算。因此，对于锅炉出口烟气在100℃以上时，未发生冷凝，节能器仅回收显热；对于烟气温度从100℃降到50℃时，节能器工作在湿空气下既回收显热又回收潜热。

节能器冷凝热量计算[17]如下：

（1）烟气显热回收量为

式中Qx——可回收的显热量，kW；

Vf——实际烟气总体积，Nm3/h；

ρf——标准工况下烟气密度，kg/Nm3；

Cpf——烟气的定压比热，kJ/kg·℃；

tf0——烟气在冷凝式节能器进口温度，℃；

tf——烟气在冷凝式节能器出口温度，℃；

（2）冷凝的水蒸气容积（标准状况下）按式（10）计算：

VHO——水蒸气容积，m3/m3；

Vy——烟气容积，m3；

Ps——对应温度水蒸气饱和压力，Pa；

Py——烟气压力，Pa。

水蒸气凝结液量按式11计算：

（3）烟气潜热回收量为

式中Qq——可回收的潜热量，kW；

r——烟气中水蒸气的汽化潜热，kJ/kg；

（4）烟气回收总热量Q为：

2.4 冷凝式锅炉的余热回收案例

上海某燃气锅炉额定工况下每小时燃烧500 Nm3天然气，上海市全年平均大气压力接近1标准大气压，以空气系数α=1.1为例，此时烟气露点为59℃，额定工况下每小时燃烧天然气产生的烟气质量为7 243 kg。

表5 α=1.1时烟气成分的百分数

混合气体烟气的比热根据各组分真实比热和其质量分数按照式求出

式中Cpf——烟气的定压比热，kJ/kg·℃；

ri——烟气各组分的质量分数。

根据烟气露点，分别取60℃、50℃、40℃三个不同的设计排烟温度，及安装冷凝式换热器之前的正常排烟温度180℃。查询在这些温度下的烟气的各成分的比热，并且按照上式计算烟气的定压比热容，计算结果如表6所示。

表6 烟气的定压Cp f

上海某燃气锅炉每小时燃烧500 Nm3天然气，根据公式（9）得每小时烟气可回收的显热量为1 443.240MJ。

通过查水蒸气热力学特性表，查找出在各个设计温度下水蒸气的饱和压力，从而可以求得水蒸气冷凝比例。当烟气在冷凝式节能器出口温度为50℃时冷凝比例为28.27%；当烟气在冷凝式节能器出口温度为40℃时冷凝比例为57.42%。根据公式（10）～（12）得烟气在冷凝式节能器出口温度50℃每小时水蒸气的汽化潜热量为552MJ；在冷凝式节能器出口温度40℃每小时水蒸气的汽化潜热量为1 119.4MJ。

3 结论及建议

通过以上烟气分析、热量回收计算和节能改造实例可得出以下结论和建议：

（1）当常规锅炉增设冷凝式节能器后，排烟温度仍不可无限制地降低。因为当排烟温度较低时，会形成露点腐蚀，对换热器有一定程度的影响，缩短使用寿命。因此，冷凝式换热器常需采用耐腐蚀的材料，造成其制造成本较高。

（2）冷凝式锅炉并非只是普通增设冷凝式换热器就可以完成的，需通过系统设计，从整体上进行把关，综合了燃料燃烧的控制力度、冷凝式换热器防腐、烟气分析、供热模式转化等多个技术领域。

（3）在天然气锅炉中，由于增设冷凝式节能器后，其烟气内的水蒸气得以冷凝而释放出大量汽化潜热，其热量占比可达高位热值的10%左右。并且，在冷凝水侧，烟气内的酸性气体与温室气体直接溶于冷凝水中，降低直接排放至大气中造成的环境影响，可同时达到节能减排和保护环境的作用。