燃气锅炉排烟余热回收技术研究

  以煤炭作为主要燃料的工业锅炉仍占据着主导地位。随着天然气工业的迅速发展，以此种清洁能源为燃料的锅炉将会逐渐增多。与燃煤相比，燃烧天然气虽然排放的二氧化硫及氮氧化物的含量很少，减轻了对环境的压力，但燃烧后产生的大量水蒸气随高温烟气排放到环境中，造成了能量的严重浪费。而采用冷凝式锅炉将高温烟气中的显热和潜热予以回收，可以达到充分利用能源降低运行成本的效果。

  引言

  冷凝式换热器就是增设在天然气锅炉尾部的余热回收装置，当烟气在通道内通过传热面，温度降至露点温度以下，从而使排烟中的水蒸气凝结释放潜热传递给回收工质，可以将排烟中大量的能量加以回收利用，从而达到节能环保的效果。随着制造工业的不断发展，各种新型高效的冷凝换热装置层出不穷，不论从结构还是实际余热回收效果来看都有了非常大的改进。

  1 烟气的特性分析

  天然气成分绝大部分为烃，燃气锅炉排烟中水蒸气的含量较高，分析表明，排烟中可利用的热能中，水蒸气的汽化潜热所占的份额相当大。每1m3天然气燃烧后可以产生1. 55 kg水蒸气，具有可观的汽化潜热，大约为3 700 kJ/Nm3，占天然气的低位发热量的10%以上。传统锅炉中，排烟温度一般在160～250℃，烟气中的水蒸气仍处于过热状态，不可能凝结成液态的水而放出汽化潜热。因此传统的天然气锅炉理论热效率一般只能达到95%左右，利用冷凝式换热器只要把烟气温度降到烟气露点温度以下，就可回收烟气中的显热和水蒸气的凝结潜热，按低位发热量为基准计算，天然气锅炉热效率可达到和超过110%。本文以纯天然气为例对烟气的露点温度以及锅炉理论热效率进行计算分析，表1为纯天然气的成分。

  1.1露点计算

  在水蒸气分压力不变的情况下，使空气冷却至饱和湿蒸汽状态时，将有水滴析出，此时的温度即为露点温度。天然气燃烧特性分析(以1 m3天然气计算)烟气中水蒸气的体积分数达17˙4%，若燃烧在大气压力下进行，当空气过量系数α为1.1时(本文中的计算均以此作为计算依据)，其相应的烟气露点温度是57℃。露点温度随过量空气系数的变化曲线见图1。

  通过观察可知，烟气露点温度随过量空气系数的变化而变化。因为根据道尔顿分压定律，露点温度的高低与烟道中水蒸气的分压量(即水蒸气的含量)成正比，随着过量空气系数的增加，烟道中水蒸气的相对体积减小，水蒸气的容积份额会有所下降，其露点温度也随之降低。实际上，虽然各地方天然气中成分含量有所不同，但由于其主要成分均为甲烷且占绝大部分，其他成分影响很小，经计算的露点温度误差不超过0.3%(符合实际要求的范围)，并且由于实际燃烧的影响因素较多，也使得计算不可能达到很精确，通常是在理论值附近的一个范围内波动，在实际应用中还需根据不同情况进行修正分析。

  1.2热效率分析

  烟气中的热量以显热和潜热2种形式存在，因此锅炉的热损失也由烟气的显热损失和潜热损失组成。而显热损失取决于烟气的温度和烟气组分的热容量;潜热损失则取决于烟气中以水蒸气形态存在的水量的多少。当水蒸气冷凝时，烟气中存在复杂的现象：由于水蒸气分压力较低，并且在冷凝液膜附近主要是不凝气体，如 N2、CO2、O2等，烟气中水蒸气需要穿过不凝气体层才能达到液膜表面发生冷凝。烟气中水蒸气冷凝率等于由单位体积天然气燃烧生成烟气所产生的凝结水量与燃烧所生产的水蒸气量的比值，其中，燃烧所产生的水蒸气包括天然气燃烧生成的水蒸气及空气和燃气所带入的水蒸气。

  仅烟气中的潜热就对锅炉的热效率影响如此巨大，倘若能将排烟温度降低到露点以下对潜热加以回收利用，对以低位发热量为基准进行计算的热效率至少可提高到10%以上。并且随着排烟温度的降低，烟气的显热损失也会相对减小，那么热效率的提高将更为明显，进一步证明降低排烟温度对锅炉效率提高的重要意义。

  进一步计算可以得出在不同排烟温度下锅炉实际热效率的变化趋势。锅炉效率随着排烟温度的变化分为2个比较明显的区域：在60～180℃变化缓慢，而在20～60℃变化较大。这主要是因为排烟损失中水蒸气潜热损失占的比例大于烟气显热的结果。当锅炉排烟温度降到20℃时，锅炉效率理论上可达 107.4%。

  排烟中的水蒸气潜热在57℃以下才能得以回收，能够回收的热量依赖于所要求的利用温度和利用率。如果利用温度接近排烟的露点温度，仅能回收较少的热量。利用温度越低，回收的热量越多。因此，低温下余热冷水可获得高的回收率，而在较高的温度下输出热能会降至可以回收的能量数量。

  2余热回收其它影响因素

  2.1 余热回收器受热面的磨损问题

  将余热回收器管排设计成膜式管排(或 H 型管排)，这种结构迫使烟气流动趋于层流，管排间没有烟气扰动，在同样烟速下，与螺旋肋片式和光管式相比较是最不易磨损的受热面布置形式。而且由于每个烟道的边界管排与烟气的磨擦，而形成中间流速高，两边流速低的分布方式。因此，管壁附近烟气流速低于平均值，烟气扰动比较弱，缓解了飞灰对省煤器的磨损。另外，烟气流速对受热面的磨损影响最大，布置受热面时烟气流速不宜过大，设计时通过调整管排横向截距，来改变受热面的烟速，可有效避免余热回收器管排的磨损问题。

  2.2 烟道阻力问题

  锅炉整个烟道阻力主要由引风机和烟囱自拔力来克服，其中引风机是主要因素。安装余热回收器后锅炉整体烟气阻力必然增加。以某电厂 3 号炉热力计算结果为例，烟道阻力增加约 70 Pa 左右。在加装余热回收器的同时是否对引风机进行改造，进一步提高出力，确保安装余热回收器后锅炉本体的正常运行，视现场情况确定。

  2.3余热回收器管内壁结垢问题

  受热面管内壁结垢主要发生在蒸发段，因为蒸汽的溶盐能力与水比较相差很大。而在余热回收系统中最高点温度也不会超过 120 ℃，整个系统仍处于液相，管内壁结垢问题较小。

  3结语

  (1)与煤和石油相比，天然气是一种非常理想的清洁能源，排放烟气对环境压力小，并且非常适合将其改造为冷凝式余热回收锅炉，提高锅炉利用效率。

  (2)天然气锅炉排放的烟气中含有一定量的水蒸气，若将排烟温度降低到露点温度以下回收水蒸气释放的气化潜热，可将锅炉效率提高10%以上。

  (3)合理设置关键技术参数，可实现余热回收系统长期稳定运行，国内一些电厂成功设计安装了余热回收利用系统，为电厂带来了良好的经济效益。