冷凝式燃气锅炉的冷凝热回收研究

吴文漪

上海烟草集团有限责任公司上海卷烟厂

0 引言

冷凝式锅炉是利用高效的烟气冷凝余热回收装置来吸收锅炉尾部排烟中的显热和水蒸气凝结所释放的潜热，以达到提高锅炉热效率的目的。在传统锅炉中，排烟温度一般在160～250℃，甚至更高，使得燃料燃烧时产生的水在烟气中处于过热状态的水蒸气，随烟气从烟囱中流失。传统锅炉热效率一般只能达到85%～91%。而冷凝燃气锅炉，它把排烟温度降低到50～70℃，充分回收了烟气中的显热和水蒸气的凝结潜热，热效率大幅提高。

冷凝式燃气锅炉在国外已发展了近30年，国外一些公司和研究单位对冷凝式燃气锅炉的节能特性进行了大量的研究。美国Hydrotherm公司[1]在有人居住的住宅及实验室中测量了用于热水供应及室内采暖的一体化燃气供暖系统的性能，并用理论和实验的方法研究了冷凝式燃气锅炉的节能特性。英国燃气公司（Gas Corporation Watson House）的科学家M.Searle[2]分析了锅炉的容量比、点火方式和散热器类型对冷凝式燃气锅炉节能特性的影响，并利用实验数据对平均年效率进行了多项式回归分析。英国谢菲尔德大学Qun Chen团队[3]，研究在40 MW大规模应用冷凝锅炉集中供热系统中加入冷凝设备的可行性。研究表明，回收的水蒸气潜热使锅炉的热效率提高显著。Dan Teodor等人[4]对冷凝式锅炉在实际运行工况下的热效率表现及其能源经济效益进行了实验研究。其研究表明，冷凝式锅炉每年节省17.5%的燃料在现实操作条件下是可能的。针对冷凝式锅炉常见的酸性冷凝水与换热器接触的腐蚀问题，R.Trojanowski等人[5]研究了聚合物在冷凝热交换器中的应用。

我国随着节能和环保意识的增强，在上世纪90年代中期才逐步开始对烟气冷凝换热机理有了初步的研究，相对于欧洲国家晚了30年左右。重庆建筑大学[6]对冷凝式燃气热水器的热工性能进行了理论分析和对比试验，结果表明冷凝式燃气热水器比普通型燃气热水器热效率可提高12.39%。北京建筑工程学院[7][8]在2.1 kW天然气锅炉尾气烟道上安装了冷凝式换热器，进行热回收实验和环保分析，通过冷凝式换热器回收烟气中的潜热和显热，提高热效率5%，NOx去除率为8.7%。西安交通大学查爽[9]利用现成的壁挂锅炉尾部加翅片管式换热器进行了烟气冷凝换热特性实验，利用实验数据主要处理得到了锅炉热效率与回水温度、排烟温度、过剩空气系数和冷凝液量间的关系。南华大学寇广孝等[10]以我国典型燃料为例，利用锅炉热平衡原理，分析了不同燃料冷凝式锅炉提高热效率最大潜力。哈尔滨工业大学侯丽娟[11]研究了大容量冷凝式燃气热水锅炉的热力学性能，锅炉排烟温度由约120℃降到低于60℃，锅炉热效率提高约5%，锅炉系统水阻力降低0.03 MPa。西安交通大学车得福团队[12]对天然气锅炉改造为冷凝式锅炉的经济性进行了研究及评价。

冷凝式燃气锅炉是通过回收排烟中水蒸气的汽化潜热来减少排烟热损失的，因此单位燃气燃烧产生的烟气经冷凝换热后所得到的冷凝液质量的多少能反映锅炉节能能力的高低。在对冷凝式燃气锅炉的排烟热损失进行计算时，必须知道冷凝液的质量，而冷凝液的冷凝和烟气的成分，与露点温度有关，降低排烟温度的同时可以回收烟气的潜热和显热，但产生的大量冷凝水、CO2和NOX的原因会含有一定的酸性，是否会带来腐蚀是关键问题。所以，本文采用理论和试验对上述问题进行了分析，并研究了安装冷凝器的燃气锅炉热效率的提升情况。

1 冷凝液产量的影响因素分析

1.1 烟气成分对冷凝液产量的影响分析

天然气燃烧形成烟气与天然气自身成分有密切关系。东海平湖天然气田是目前上海天然气主要供气气源之一，其成分检测数据如表1。

烟气冷凝前水蒸气含量理论计算见表2，由表可知，烟气中水蒸气的含量在15%～18.6%之间，随过量空气系数的增加而减少。露点温度随过量空气系数的增加而降低。

1.2 烟气露点温度对冷凝液产量的影响分析

表1 东海平湖天然气组成成分

表2 烟气水蒸气含量分析

烟气冷凝是发生在换热器壁面温度低于烟气露点温度时候，随着换热的进行，烟气主流温度低于露点温度，烟气开始在主流区域也发生冷凝，因此烟气冷凝和露点温度有关。而露点温度和过量空气系数有关，燃烧天然气时，过量空气系数与烟气露点温度之间的关系见表3，由表可知，露点温度随过量空气系数的增大而减小。由于露点温度和空气过量系数有关，因此同一排烟温度不同空气过量系数下的烟气冷凝理论冷凝液质量不同，随空气过量系数的增大而减小。

表3 烟气理论冷凝液质量和冷凝率（40℃）

在工程实际应用中，常用冷凝率来衡量潜热回收的效果。冷凝率为冷凝的水蒸气体积与全部水蒸气体积之比。水蒸气冷凝率的曲线见图1，由图可知，冷凝率随温度的减小而逐渐增大，但其变化率随温度的降低而减小，同温度下低的过量空气系数有高的冷凝率。

图1 不同过量空气系数下排烟温度与冷凝率的关系

但需要注意的是，上述分析值均为理论值，水蒸气实际冷凝时，烟气中的水蒸气需要穿过浓厚的不凝气体层，才能到达液膜表面冷凝，实际冷凝液质量和冷凝率一般低于理论值。

2 采用冷凝式节能技术对锅炉热效率提升的研究

2.1 冷凝式节能技术对于锅炉热效率的影响

相对于燃煤锅炉，燃气锅炉没有灰渣，热平衡方程式可以简化为：

式中Qr——送入锅炉的热量，Q1——有效利用热量，Q2——排烟热损失，Q3——化学不完全燃烧热损失，Q4——锅炉散热损失。

燃气锅炉在初步回收烟气显热（排烟温度约150℃）的情况下，各项热损失的分布情况表明对燃气锅炉影响最大的是锅炉排烟热损失。降低锅炉排烟损失最直接的方式就是降低排烟温度，将烟气中的热量进行回收。烟气的热量可以分成烟气显热和烟气中水蒸气汽化潜热两部分，当排烟温度较高时，水蒸气以气态形式存在，汽化潜热不进行释放，此时回收热量主要为烟气显热，由于烟气的比热容相对较小，因此烟气温度的降低对于锅炉效率的提升不明显。当烟气温度继续降低，烟气中析出冷凝液，此时的热量回收则主要以回收汽化潜热为主，由于单位质量水蒸气的汽化潜热远大于烟气显热，此时对于锅炉效率具有明显的提升作用。图2是某燃气锅炉排烟损失随排烟温度变化的曲线，从图中可以明显看出，锅炉的排烟热损失随排烟温度的变化有两个存在差异的变化区间，在170℃下降至约60℃过程中变化缓慢，而在约60℃下降至25℃过程中变化剧烈，具有明显的拐点，此拐点是烟气的露点温度，当烟气温度低于该温度后，回收热量转变为以水蒸气冷凝汽化潜热为主，锅炉热损失即得到显著减少，因此冷凝式节能技术相对于传统的锅炉烟气余热回收技术，锅炉热效率的提升是非常显著的。

图2 排烟温度与排烟热损失关系曲线（过量空气系数1.2）

以表1所示的天然气数据来看，该天然气的低位发热量为Qdr=36.59 MJ/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下求得：

对于表1所示的天然气而言，通过上式计算得出Δη=10.74%，也就是说传统燃气锅炉每燃烧1 Nm3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%，这就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。同时，该比例可用来表示若将该部分汽化潜热利用，可以提高锅炉效率的极限值。

2.2 锅炉提升热效率计算模型

对于冷凝式节能器冷侧一般为水，对其质量流量、进出口温度的监测易于实现且均是运行所监测的数据，具体有冷凝式节能器水体积流量L、进水温度tlp、出水温度tej，可建立冷凝式节能器吸收热量与这些变量的关系：

式中，C=4.2 kJ/kg·℃；m=ρ×L=10(本文固定水的流量为10 L/s)，Δt=tej-tlp；

另外，锅炉运行还监测天然气瞬时流量Dg（Nm3/h），假设天然气低位发热量Qdr一般变化较小，则瞬时节约的天然气量：

则基于运行监测数据，所建立的锅炉瞬时热效率提升计算模型为：

2.3 锅炉测试核定提升热效率

为了核定锅炉安装上冷凝式二级节能器后所提升的锅炉热效率，委托专业机构对使用和未使用节能器的锅炉运行效率进行了测试，测试结果汇总见表4。

由表明显可见，在使用冷凝式二级节能器情况下，锅炉排烟温度由140.3℃大幅降至79.5℃，排烟热损失由5.71%降至2.6%，锅炉热效率由92.1%升高至95.2%，约提升3%。

表4 锅炉运行效率测试结果汇总对比

2.4 运行监测数据核定提升热效率

为了与锅炉测试所核定提升热效率进行对比印证，对浦东科技创新园区4台锅炉进行了运行数据采集，依据所建立的基于运行监测数据的锅炉提升热效率计算模型，对锅炉提升热效率进行了分析（见表5）。

为了确保数据的真实性和有效性，挑选2019年6月与7月两个月开展了数据采集，每台锅炉分别在每周一到周五轮换单独运行，每小时取一点记录数据，每天（第一天7:00至第二天6:00）共24个数据点。按此规则取数据，6月与7月两个月内共取得1#炉240个数据点位，2#炉240个数据点位，3#炉240个数据点位，4#炉216个数据点位。每个数据点位包含数据有连排板式热交换器出水温度（二级节能器进水温度）、二级节能器出水温度、锅炉天然气瞬时流量。从各台炉运行监测数据及提升热效率来看，单日锅炉提升热效率虽然有小幅波动，但基本均在5%左右。记录期内1#炉共记录10天数据，2#炉共记录10天数据，3#炉共记录10天数据，4#炉共记录9天数据。根据每天记录的数据点位可算出每天该台运行锅炉的二级节能器对锅炉效率提升的平均值。

从各台炉平均运行监测数据及提升热效率来看，与单日锅炉提升热效率的趋势类似，虽然有小幅波动，但基本也均在5%左右。

3 结论

本文研究了冷凝热的回收对燃气锅炉热效率影响，并测试了安装冷凝式节能器的燃气锅炉热效率。得出以下结论：

1）由于露点温度和空气过量系数有关，因此同一排烟温度不同空气过量系数下的烟气冷凝理论冷凝液质量不同，随空气过量系数的增大而减小。

2）冷凝率随排烟温度的减小而逐渐增大，但其变化率随排烟温度的降低而减小，同温度下低的过量空气系数有高的冷凝率。

表5 锅炉效率运行监测数据核定提升热效率汇总对比

3）当烟气温度低于烟气露点温度后，回收热量转为以水蒸气冷凝汽化潜热为主，锅炉热损失显著减少，因此冷凝式节能技术相对于传统燃气锅炉热效率的提升是非常显著的。

4）使用冷凝式燃气锅炉，经反平衡检测锅炉排烟温度由140.3℃大幅降至79.5℃，排烟热损失由5.71%降至2.6%，锅炉热效率由92.1%升高至95.2%，约提升3%。由正平衡测试冷凝器进出水的得热量，得出燃气锅炉的热效率提升5%。