冷凝余热回收炉技术探究论文

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1、概述

一般来说，热效率100%以上的锅炉在常识上虽然难以理解，但如果将烟气中的水蒸汽凝结潜热利用起来，并且排烟温度降低得足够低，排烟损失很低的情况下，锅炉的热效率会提高到100%，甚至超过100%。

在热能工程领域中计算锅炉的热效率都是利用燃料的低位发热量来进行计算的，国外也是如此，如果按锅炉的高位发位量来计算锅炉的热效率，则100%的热效率是不可能达到的(能量守恒)。

利用高效的冷凝换热器和空气预热器来吸收锅炉尾部排烟中的显热和水蒸汽凝结所释放的潜热，从而达到提高锅炉热效率的目的。这种锅炉就是冷凝余热回收锅炉。

冷凝式锅炉发轫于欧洲。德国、荷兰、英国、奥地利等国家于上世纪70年代，开发家用冷凝式锅炉，到80年代末期90年代初期，韩国率先将冷凝式锅炉应用在大中型工业锅炉上，冷凝式锅炉除了具有传统锅炉的共性之外，更是制热机理的大胆革命与突破。在一些能源利用率较高的欧美国家，燃气冷凝式余热回收的热水锅炉其热效率高达103%以上，此外在烟气中的CO2和NOX等有害成份也大大降低，这对环保来说是非常有利的。在欧美等国，由于政府鼓励使用冷凝锅炉，所以需求量不断增加，冷凝锅炉的使用率瑞士60%，荷兰50%，德国20%，奥地利(20%)，英国(15%)。

冷凝式换热器是一种低温热交换器，传热面积大，并使用了价格昂贵的耐腐蚀的不锈钢材料，虽然价格较高，但这只是一次性投资，其投资回收期只需几个月，节约的燃料费很快就将投资回收。

冷凝式锅炉可以回收排烟中的水蒸汽凝结潜热，还可以降低烟气中的有害气体，所以它很快确立了其在暖通领域中的地位，欧洲国家对冷凝锅炉的认知普及及政策的倾斜，使得冷凝锅炉的应用极为广泛。而在中国，冷凝锅炉还是空白，人们对冷凝锅炉的认识不足是一重要原因，另一原因就是生产厂家对冷凝锅炉的推广和研发不力。

斯大锅炉这一中韩合资的锅炉制造企业自始就至力于将韩国的锅炉技术与中国的锅炉现状相结合，先后研发出冷凝无压热水锅炉、冷凝余热回收锅炉、冷凝常压热水锅炉、冷凝承压热水锅炉，并将韩国的能源利用理念引入中国，特别在冷凝锅炉的推广上做了大量的工作。

2、冷凝余热回收锅炉热效率分析

燃料中含有大量氢元素，燃烧产生大量水蒸汽。每1NM3天然气燃烧后可以产生1.55KG水蒸汽，具有可观的汽化潜热，大约为3700KJ，占天然气的低位发热量的10%左右。在排烟温度较高时，水蒸汽不能冷凝放出热量，随烟气排放，热量被浪费。同时，高温烟气也带走大量显热，一起形成较大的排烟损失。

烟气冷凝余热回收装置，利用温度较低的水或空气冷却烟气，实现烟气温度降低，靠近换热面区域，烟气中水蒸汽冷凝，同时实现烟气显热释放和水蒸汽凝结潜热释放，而换热器内的水或空气吸热而被加热，实现热能回收，提高锅炉热效率。

锅炉热效率提高：1NM3天燃气燃烧生产理论烟气量约10.3NM3(大约12.5KG)。以过量空气系数1.3为例，产生烟气14NM3(大约16.6KG)。取烟气温度200℃降低至70℃，放出物理显热约1600KJ，水蒸汽冷凝率取50%，放出汽化潜热约1850KJ，总计放热3450KJ，约是天然气低位发热量的10%。若取80%烟气进入热能回收装置，可以提高热能利用率8%以上，节省天然气燃料近10%。

传统锅炉中，排烟温度一般在160～250℃，烟气中的水蒸汽仍处于过热状态，不可能凝结成液态的水而放出汽化潜热。众所周知，锅炉热效率是以燃料低位发热值计算所得，未考虑燃料高位发热值中汽化潜热量的热损失。因此传统锅炉热效率一般只能达到87%～91%。而冷凝式余热回收锅炉，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汽的凝结潜热。

以天然气为燃料的冷凝余热回收锅炉烟气中水蒸汽容积成分一般为15%~19%，燃油锅炉烟气中水蒸汽含量为10%~12%，远高于燃煤锅炉产生的烟气中6%以下的水蒸汽含量。目前锅炉热效率均以低位发热量计算，尽管名义上热效率较高，但由于天然气高、低位发热量值相差10%左右，实际能源利用率尚待提高。为了充分利用能源，降低排烟温度，回收烟气的物理热能，当换热器壁面温度低于烟气的露点温度时，烟气中的水蒸汽将被冷凝，释放潜热，10%的高低位发热量差就能被有效利用。

3、冷凝式锅炉的设计思想及原理：

排烟温度是锅炉的基本设计参数之一。设计锅炉时首先要对该参数进行选定。

锅炉排烟温度直接影响到锅炉机组的经济性和尾部受热面工作的安全性。选择较低的排烟温度可以降低锅炉的排烟热损失，有利于提高锅炉的热效率，节约能源及降低锅炉的运行费用。因此，如何有效地降低锅炉的排烟温度并使之合理利用，是一个重大的技术性课题，斯大公司引进韩国技术研发的冷凝式余热回收锅炉，其降低排烟温度是通过以下方法来实现：

(1)通过增加锅炉本体的对流受热面的换热面积或采用提高对流换热系数的方法，降低排烟温度；

(2)在尾部烟道增设高效的鳍片式冷凝换热器和热管式空气预热器。

上述方法在实际应用中有效地回收排烟中显热与汽化潜热。

4、冷凝式锅炉的显形优势：

(1)使用了热管式空气预热器、鳍片式冷凝换热器，有效地降低了排烟温度。

(2)使用了分体式燃烧机，对燃料燃烧所需的空气进行预热，使燃料充分燃烧及提高炉膛温度。

(3)冷凝节能装置为了防止排烟凝结水的酸性腐蚀，使用进口不锈钢材质制作的螺纹管，它与直管相比，导热性能比直管高2倍以上。

(4)烟气的有害气体得到有效的控制，并随冷凝液流入中和池。

综上所述，冷凝式锅炉，是传热学、物理学、燃烧学、材料等科学的结晶。它以绝对的经济性傲视传统锅炉。冷凝式锅炉的推广，是一场思维的闪耀与观念的变革，同时，必将会推动热工领域的发展。

(一)冷凝余热回收锅炉原理

1、天然气(LNG)以及其它的燃气燃料主要是碳(C)和氢(H)两元素结合而成的化合物，能保持完全燃烧，因其不含硫磺成份，所以不产

生在低温条件下腐蚀金属的硫酸(H2SO4)和亚硫酸(H2SO3)，是一种清洁的燃料。

天然气的主要成份：

CH4+C2H6+C3H8+C4H10+N2

甲烷+乙烷+丙烷+丁烷+氮

(%)90+6.8+2.5+1+0.3=100

2、含在燃气中的氢(H)在锅炉内部燃烧时与氧结合成水。生成的水从燃烧时产生的热量(高位发热量)中吸收约10%的气化热而变成水蒸汽，与排出的烟气一道排出。(冬季水蒸汽与冷空气相遇而凝结，从烟囱观察到冒白烟应是这个原因。)

燃气的高位发热量-汽化热(潜热)=低位发热量

9450Kcal/NM3-950Kcal/NM3=8500Kcal/NM3

3、水在高温烟气中，吸热蒸发为水蒸汽，水蒸汽遇到通过冷空气或冷水的传热面，重新凝结成水而释放潜热(汽化热539Kcal/kg)。冷凝余热回收锅炉就是在燃气锅炉的排烟通道上设置通过冷水的热交换器和加热空气的空气预热器，烟气在通过热交换器的传热面时水蒸汽重新凝结为水，将其汽化热(潜热)释放出来，并加热交换器内的介质(冷水或空气)。

4、锅炉热效率的计算：

锅炉的正平衡效率：

η=(锅炉出力×饱和蒸汽焓－给水量×给水焓)÷(燃料消耗量×燃料的低位发热量)

5、将余热回收炉的原理公式化、图表化如(图-1)，蒸汽/温水锅炉，炉水的饱和温度比低温水锅炉相对的高，排烟温度也相对要高。显热和潜热均由温水回收的话，则能加热的温水量过大无法处理，故而设置空气预热器。用来加热燃料燃烧所需的空气，极大的改善燃烧状态，并提高了炉胆火焰温度，加强炉胆内的辐射传热。

(二)冷凝余热回收锅炉和环境保护

燃气与燃重油或轻油相比对环境污染相对小一些，它是一种清洁燃料。但燃烧时生成的CO2、CO、NOx对环境产生了影响。在先进国家也为了减少这个量，开发和使用低NOx燃烧器，低NOx锅炉等。但CO2依然被排出，而NOx控制在60PPM以下排出。

一般情况下，天然气燃烧排烟中含CO2含量约为10-12%；NOx含量约为60-80PPM，这些有害气体促成酸雨产生或温室效应，诱发大气臭氧层的破环或影响臭氧生成。使用冷凝余热回收锅炉时，对这一环境污染有极大的缓解。

CO2+H2O→H2CO3

NOx+H2O→HNO2+HNO3

在上式中可以看出：CO2和NOx在冷凝余热回收锅炉的尾部烟道中与冷凝结露的H2O结合生成对应的酸，并随着凝结水从排放管排出。而烟气中的有害成份CO2和NOx含量大大咸少,CO2约减少40%，含量由原来的12%下降至6-7%;NOx约减少至20PPM以下。

酸性的冷凝水排出时需进行中和处理：

H2CO3+Ca2++OH-→CaCO3+H2O

H2NO3+Ca2++OH-→CaNO3+H2O

可以设置一中和池，将冷凝水排放到中和池中，定斯检查中和池的PH值。

(三)冷凝余热回收锅炉结构和外观

(四)热管式空气预热器的构造和原理

热管是往真空状态的密封管内封入蒸馏水，管表面附有铝制放射状散热片叶的高性能热传导管。

如图所示，在锅炉前上部，以80倾斜角设置的热管内蒸馏水，吸收排烟热量，快速蒸发顺着斜面上升到凝结部(热管内部是真空的，内装蒸馏水，蒸馏水实行相变传热)，传热给由送风机送至的供燃烧用的空气后凝结成水(液相)顺管流下继续吸热蒸发，热管内的蒸馏水形成相变循环。烟气的显热和部分潜热被吸收，烟温下降。

燃烧用空气被加热，对燃料的充分燃烧作用极大；另一方面热风吹进炉膛时有效地提高了炉膛的火焰温度，加强了炉膛的辐射传热(辐射传热跟火焰温度的四次方成正比)。

(五)热管式空气预热器的特点

1、热管比铜铝管的热传导性能高出500-1000倍，用热管制成的空气预热器比传统的管壳式空气预热器尺寸、重量都小2/3，可在锅炉的正面组装设置，占用的空间很少。

2、管表面附着有热传导性极好的放射状铝片，在小体积的状况下获得较大的传热面积。

3、热管的蒸发部和凝结部温度均匀，热胀冷缩量很小，可以说它是一种长寿命装置。

(六)冷凝余热回收节能装置的特长

1、本节能装置为了防止排烟结露的酸性腐蚀和供应无锈清洁热水，用不锈钢螺旋鳍片管来制成。

2、与直管相比，使用了传热性能高出2倍以上的螺旋鳍片管，大小与重量减少到1/2。耐腐蚀的不锈钢材质延长了其使用寿命。

3、本装置可组装在锅炉上部，缩小占有空间，生成在传热面上的凝结水亦可自然排出。

(七)冷凝余热回收节能装置原理图

在排烟通路中，设置冷凝余热回收热交换器，烟气在通路内通过传热面，温度降至露点温度以下，含在排烟中的水蒸汽凝结潜热将冷水或温水加热，这就叫余热回收节能装置(又称冷凝换热器)。

在流程中看到的冷凝节能装置在尾部烟道中串联布置(前后布置)，将烟气中的水蒸汽冷凝下来，结露后吸收烟气中的部分CO2和

NOx，洁净了烟气，起到环保作用。

冷凝水经引导管排放到中和池中，与中和池中的碱性石灰水中和。

(八)冷凝余热回收蒸汽锅炉与水箱连结方式

冷凝余热回收锅炉与水箱相连用循环泵辅助加热，适合在采暖和使用大量生活热水的集中供热楼房，综合医院、宾馆、健康中心、桑拿洗浴等使用；也可以与软水箱相连，加热锅炉给水，提高锅炉的给水温度。

(九)冷凝式余热回收热水锅炉与热水箱连接方法

利用配置在热水锅炉上的冷凝换热器来加热生活热水或取暖用热水，当对热水需求量减少时，热水温度上升，故在热水箱上需设置膨胀水箱和安全泄压阀，确保安全无误。

(十)余热回收装置用在锅炉的给水系统

在蒸汽用户无回收系统中不回收蒸汽凝结水时，采用密闭型或开放型流程。