燃气锅炉排烟冷凝热回收分析

胡少波，姚正华

（江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 苏州 215600）

冷凝式换热器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时，只要近壁面温度达到露点温度，就会有水蒸气凝结，释放出部分汽化潜热，并传递给受热面内工质。因此，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，但是不论从结构，还是从实际余热回收效果来看都有了非常大的改进。本论文对4t/h的燃气蒸汽锅炉加装的冷凝式换热器进行了设计计算，得到了一些换热器的尺寸。

1 烟气的特性分析

天然气的成分绝大部分为烃，在燃气锅炉排烟中，水蒸气的含量较高，有分析表明，在排烟中，可利用的热能里，水蒸气的汽化潜热所占的份额相当大，每1 m3天然气燃烧后可以产生1.55 kg水蒸气。因此，其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。在传统锅炉中，排烟温度一般在160～250℃，而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90%左右，而利用冷凝式换热器，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甚至超过110%[1]。

2 实例应用

本文以下面的已知条件为例进行实验：

（1）燃料：天然气（体积百分比），如表1所示。

表1 天然气体积百分比

（2）设计锅炉的蒸发量为4t/h，产生1.6 MPa的饱和蒸汽；

（3）空气过剩系数取1.1，空气进口温度为20℃，室外气压取一个标准大气压；

（4）锅炉排烟温度取50℃，要求设置冷凝式省煤器；

（5）锅炉采用纵置式单锅筒室燃结构，烟气经辐射受热面和对流受热面冷却后，进入省煤器，降温至50℃排入大气中。

2.1 露点温度计算

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，此时的温度为露点温度。

三原子气体体积VRO2=1.023 m3，水蒸气体积VH2O=2.175 9 m3，氮气体积 =8.693 43 m3，过剩氧气体积VO2=0.301 77 m3。

查《传热学》附录10得露点温度t'py=57.6℃

同时，查表得水蒸气的密度ρ=0.100 948 kg/m3，烟气焓ipy=962.55 kJ/m3。

2.2 管内水流量计算

在热平衡中

其中，

烟气流量m烟=1.345 m3/s；

省煤器出口时剩的水蒸气体积V'H2O=1.389m3/m3；

换热器进口水温度Tm1=40℃，出口水温度Tm2=90℃；

汽化潜热r=2 364.2 kJ/kg。

经过计算，得水流量mm=1.434 kg/s。

（1）管内水流速

因为管内水的流速有限制，所以取蛇形管根数n=8，所以管内水的流速νm=4.23 m/s。

（2）水蒸气开始凝结时管内水的温度

根据 mmCm(Tm2-Tm1)=(i烟-i"烟）m烟，得水的温度T'm=42.45℃。

表2 没发生水蒸气凝结的换热器的管长计算

2.3 没发生水蒸气凝结的换热器的管长

没发生水蒸气凝结的换热器的管长计算如表2所示。

2.4 发生水蒸气凝结的换热器的管长

发生水蒸气凝结的换热器的管长计算如表3所示。

表3 发生水蒸气凝结的换热器的管长计算

3 结束语

（1）天然气锅炉排放的烟气中有较大含量的水蒸气，若将烟气温度降低到露点温度以下回收水蒸气释放的汽化潜热，可将锅炉效率提高10%以上。

（2）冷凝式换热器常规段管长为4.66 m，冷凝段管长为10.94 m。

[1]车得福.冷凝式锅炉及其系统[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]赵钦新，惠世恩.燃油燃气锅炉[M].西安：西安交通大学出版社，2000.

[3]杨世铭，陶文铨.传热学[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]E.U.施林德尔.换热器设计手册[M].北京：机械工业出版社，1998.