冷凝燃气锅炉的设计及应用研究

何争艳

（湖南省特种设备检验检测研究院，湖南长沙 410117）

0 引言

在可持续战略实施之下，节能减排成为了社会上的一个热门问题。随着我国能源结构的不断变化，天然气这种清洁能源在社会发展中发挥了重大作用。在相关的政策实施下，我国天然气获得了快速发展，这为燃气锅炉的发展打下了坚实基础。冷凝燃气锅炉因为提升能源利用率，减少污染物的排放，受到了行业与社会消费者的关注，同时也被各个行业和领域广泛使用，为行业各个群体带去便利。因此，对冷凝燃气锅炉的设计与应用进行分析有一定现实意义。

1 冷凝燃气锅炉特点

冷凝燃气锅炉就是指冷凝式的燃气锅炉，一般分为民用与商用两种（图1）。冷凝锅炉的关键与特点在于冷凝技术，这是一种新型节能与环保的技术。在冷凝燃气锅炉的工作中，其是经过一定装置把锅炉燃烧之后排放的热氧气能量回收，经过回收之后的排烟温度约60 ℃，这样可以提升热效率，节省燃气。在回收过程中还可以降低有害气体的排放量，减少对环境的污染。

图1 冷凝燃气锅炉

冷凝式燃气锅炉之所以有着极高的热效应和节能效果，其主要原因有以下2 个方面：一是显热回收，冷凝锅可以减低锅炉排烟温度，减少燃料燃烧损失，回收了烟气中的显热。这样就能有效提升锅炉热效率。在设计普通的热水锅炉时，为了预防烟气露点腐蚀，排烟温度一般在160 ℃，排烟热损失7%。但是冷凝燃气锅炉使用了新型耐腐蚀材料，让锅炉在设计时不会受到烟气露点的影响；二是潜热回收，烟气露点温度是指烟气中水蒸汽分压力之下的饱和温度，如果锅炉排烟温度在烟气露点温度之下，则烟气中水蒸汽会开始凝结，进而释放汽化潜热。汽化潜热是燃料的高位热值与地位热值差，天然气汽化潜热占了低位热值11%左右。如果烟气全部冷凝，则汽化潜热会被回收，锅炉热效率也会有所提升。

2 冷凝燃气锅炉的设计要点

2.1 换热面积和换热方式

设计冷凝燃气锅炉时，如果把锅炉排放烟气温度下降到60 ℃，实现冷凝效果，就要加大换热面积。在这其中并不是简单地增加设备体系、扩大传热面积，而是提高设备体积输热面积。在这其中可以对原始锅炉结构做好优化，运用肋片管、波纹管等换热面。在实际工作中要研究对传热面积的优化，从而扩大传热面积。经常运用的措施就是扩大换热器，以此缩小锅炉体积。而对于换热模式而言，逆流换热时水流出口温度才会在超出烟气出口温度，这一点是顺流换热没有办法达到的。所以，设计锅炉时，要把换热器转变成逆流的模式。加强流体速度是做好传热有效方式，在扩大传热面积时，减少锅炉水容量，增快水流速，优化水流动状况，提升紊流脉动性。通过这种方式能够加强对流换热系数，进而实现传热目标。设计换热器时，需要考虑以上相关因素，才能够实现很好的冷凝效果。

2.2 防腐措施

在燃气锅炉中，每立方天然气燃烧以后基本会生成1.55 kg水蒸汽。水蒸汽在液化成水时，会溶解烟气包含的物质如氮氧化物等，让冷凝水具备一定酸性，其酸碱值一般是3～5，所以对锅炉壳有一定腐蚀影响。因此，在设计锅炉换热器时，尽量要使用不锈钢等相关性能相对好的材料。如果采用常见钢板这些材料，将会严重影响锅炉的使用寿命。一些非冷凝的锅炉，在设计时把排烟温度规划到了150 ℃之上，没有兼顾吸收水蒸汽时候会释放热能，未能形成冷凝水，因此不会发生上面这些的问题。

2.3 空气预混

要想创造新型燃气锅炉，需要使用空气预混技术。此项技术能够加强效果，提高其工作质量和水平，同时还可以降低氮氧化物。设备运行中，空气和燃料依次输送到燃烧室燃烧，在此过程中会有过量空气系数大等相关问题，进而降低燃烧效率。100%空气预混技术的运用，把空气与燃料依据一定配比混合以后进入燃烧室，这种方式能减少空气需量。在以往的锅炉中，空气过量系数通常为1.5，也就是1 m3天然气需要有15 m3空气助燃。现在空气过量系数可设定在1.2 左右，也就是1 m3天然气燃烧要有12 m3空气助燃，这样可以降低3 m3损失。空气过量较小时，烟气里水蒸汽会增多，水蒸汽比重较大，烟气露点也会有所上升，让烟气快速转成冷凝模式、释放潜热。因为烟气中水蒸汽比重的估测较难，而测量烟气中的CO2量能够反映出露点温度变化。烟气中CO2含量高，过量空气会降低，露点温度越高，冷凝就越多。烟气中CO2含量低时，过量空气量提升，露点温度变低，冷凝就越少。天然气燃烧后产生的有毒气体主要是CO 与NOx，在燃烧时烟气中CO 量较低，不过NOx控制工作比较复杂，在太阳照耀下大气中的NOx和单碳氧化合物会发生反应，产生一些有害物质并出现光化学烟雾（一种对环境有严重污染的物质）。降低NOx含量、优化燃烧方式，也可以设法清除烟气中的NOx，让烟气净化后再排出。

2.4 比例调节

以往锅炉中只存在开启与停运状态、锅炉小火和大火状况，这种简单状态难以达到预期效果。设计冷凝燃气锅炉时，还要使用调节技术，这样可以依据热负荷实际情况，让设备自己控制火焰大小，使其始终保持最好的比例状态中。使用这项调节技术，能够把传统锅炉中大火燃烧与频繁启动停运状态，优化锅炉负荷，降低出力，增多设备工作时间，控制启动与停止次数，从而达到节能目标，这种技术是在空气预混技术基础上，运用无极变速风机，把混合好的燃气与空气送入锅炉中燃烧，保障空气中CO2含量在合理范围中。依据锅炉热负荷需要调节风机工作速度，控制锅炉出力。如果不使用空气预混技术，锅炉火焰大小也能够有效控制，但是燃料与空气比例却没有办法维系稳定状态。通常情况下，空气量是依据大火燃烧情况设置的，这样就让锅炉小火燃烧时过量空气太多、效率下降低，无法达到冷凝需求。

3 冷凝燃气锅炉的实际应用研究

在西部气田开发的带动下，天然气这种高热值的清洁能源会被越来越广泛地使用。未来几年，我国虽然依然是以燃煤为主，但是煤炭在能源消耗中的比例在不断下降，而燃油与燃气的比例将会大幅增加，与其配套的设备也会大规模增加。以天然气作为主要燃料的锅炉，运行时排放的烟气有着极高的温度，其中水蒸汽（约19%）是氩气热量的主要载体，这部分热量需要进行回收。冷凝燃气锅炉是在燃气非凝结锅炉基础上，在烟道中加入了回收水蒸汽汽化潜热的换热器，这样可以回收余热、提升锅炉效率，同时还可以吸收烟气中酸性物质，减少环境污染。当前的凝结燃气锅炉容量较小，主要用于民用。而在西气东输的环境下，发电方面的大容量冷凝式燃气锅炉会得到广泛运用。在实际运用过程中，为了获得更高的锅炉效率，合理降低锅炉出水温度是十分重要的，一般情况下出水温度保持在60～70 ℃。例如，一台90 kW 的冷凝锅炉，功率是100%、锅炉出水温度70 ℃时，效率大概是98%；而在功率是30%、出水温度30 ℃时，热效率可以高达108%。在这个过程中要保障较低的回水温度，回水温度越低，则效率就越高。因此，只强调冷凝锅炉最高值是不正确的，冷凝锅炉实际运用热效率取决于运用条件，这在设计选型时需要认真考虑。冷凝锅炉可以使用在中央空调或生活热水中，其在泳池地采暖等低温加热系统中热效率可以实现最理想值。在一些国外地区经常使用的壁挂冷凝锅炉与落地锅炉，壁挂锅炉作用在于家庭与小型商业供热系统中，也能够多台联机使用在大的供热系统中（图2）。落地式锅炉经常用在一些大型供热系统，也可以多台联机后用在更大的供热系统。

图2 壁挂冷凝锅炉

4 结束语

在环保意识不断加强和社会产业发展之下，冷凝燃气锅炉的运用逐渐广泛。在设计冷凝燃气锅炉时，需要合理运用预混技术、防腐技术以及比例调节等相关技术，以此来让冷凝燃气锅炉更加完善与高效。从这些技术上设计高效的冷凝燃气锅炉，促使其功能更加符合人们的运用需求，提升锅炉工作效率，保障人们的正常生活与工作，进而促使整个行业的稳定发展。