冷凝式燃气锅炉与普通三回程燃气锅炉运行分析
2014-01-12李旭刚北京希克斯科技有限公司
文_李旭刚 北京希克斯科技有限公司
1 普通卧式湿背式三回程燃气蒸汽锅炉消耗
某制药有限公司现有两台20t/h卧式湿背式三回程燃气锅炉,一用一备方式运行,主要目的用于满足本公司生产用蒸汽。按照制药行业连续生产的运行方式,平均每年实际运行时间300d左右,锅炉实际运行负荷率大约在75%左右,统计实际年消耗蒸汽量为108000t。按照锅炉实际运行数据情况和国产燃气锅炉生产厂家提供的设计数据,以及北京市大规模“煤改气”后进行的锅炉热效率实际测试结果,国内普通卧式内燃湿背式三回程天然气蒸汽锅炉实际运行效率大约为88%~90%(热水锅炉热效率稍高),折合燃气成本耗量为81.65m3/h。所以该公司20t/h锅炉运行每小时实际天然气耗量为81.65×20=1633m3,按照北京市工商业企业天然气价格标准,天然气单价为3.23元/m3,20t/h燃气蒸汽锅炉在75%负荷率运行时每小时天然气成本费用为1633×3.23×75%=3955.94元,全年燃料成本高达2848.2768万元。
与常规燃气热水锅炉被加热介质温度较低有很大不同,常规卧式三回程结构的燃气蒸汽锅炉的烟温度都较高。由于卧式内燃三回程燃气锅炉为对流或者辐射换热结构所限,锅炉排烟温度一般要高于被加热介质温度(蒸汽温度)至少不低于50℃,在常规蒸汽压力0.5MPa条件下,饱和蒸汽温度对应为160℃。因此,普通卧式内燃三回程燃气蒸汽锅炉排烟温度不会低于200℃。为了有效地利用热能,节约能源,提高燃气锅炉热效率,一般都在锅炉尾部加装烟气余热回收装置。但是值得注意的是,采用常规的余热回收装置回收烟气中的热量在传统上处于只回收部分显热,并无水蒸汽冷凝的范围,这样下来,也仅仅使锅炉的热效率增加2%~5%,而大量的未被回收的热能仍然存在于这些装置下游的锅炉排烟烟气中。而且普通烟气余热回收装置的初期投资较大,回收期比较长。如20t/h蒸汽锅炉的烟气余热回收装置的初投资一般都在30万~60万元,投资回收期都长达5~8年。
2 冷凝式燃气蒸汽锅炉的燃气锅炉消耗
冷凝型锅炉不仅可回收燃烧燃气中所含水蒸气的凝结潜热和排烟余热得到较高的热效率,而且大幅度降低了排烟中其他有害物质,因此,在现代的供热技术领域中,冷凝型锅炉得到越来越广泛的应用,呈现出良好的发展前景。
2.1 冷凝型锅炉节能原理
按照热工计算原理,锅炉排烟温度每降低13~15℃就可节能1%,对于一般传统4t/h蒸汽锅炉,根据北京节能环保中心和北京市煤炭节约监测站对北京市数百家单位的实际测试结果标明,普通卧式湿背式三回程天然气蒸汽锅炉实际运行排烟温度均在180~270℃,普通天然气热水锅炉实际运行排烟温度在120~150℃。而根据实际测试结果,冷凝型蒸汽锅炉的排烟温度却只有70℃左右,冷凝型热水锅炉排烟温度更低。表面看来,在排烟温度200℃左右温降50℃的节能效果似乎与排烟温度在100℃左右温降50℃的差异不大,但实际节能效果差别非常悬殊,为什么?这就是冷凝型锅炉实际节能效率非常高的奥秘所在。
2.2 从冷凝型锅炉的独特设计看节能效果的差异
为什么冷凝型锅炉节能?为什么大多数普通燃气锅炉单独增加尾部余热回收装置以后,仍然远远达不到真正冷凝式燃气锅炉实际节能效果?大多数人的回答都比较简单:因为锅炉采用了尾部余热回收装置。但是不是在普通天然气锅炉尾部增加个简单的余热回收装置,就能够达到冷凝式燃气锅炉节能效果了呢?结果并非如此,实际取得的节能效果的悬殊差异仍然让不少人大跌眼镜。实际上许多人并没有了解到冷凝式燃气锅炉热效率高的根本原因。冷凝型燃气蒸汽锅炉并不是像大多数普通燃气锅炉那样单纯增加尾部余热回收装置,而是在整体锅炉总体设计上采用了综合节能的理念,至少在四个环节部位巧妙都设计了不同形式余热回收。
第一是锅炉后烟箱的余热回收利用环节。冷凝式燃气锅炉在后部烟箱后管板即排烟出口处设计安装了初级空气预热器,用锅炉后管板排烟余热加热进入燃烧机的冷空气,这是第一级余热利用。
第二环节是在锅炉前烟箱内部,并不是像普通锅炉那样,前烟箱内部空置,而是巧妙采用了宇航热管技术,在前烟箱内部设计了反向倾斜式热管余热回收装置,利用锅炉二、三回程烟气的热能进一步加热燃烧机入口空气,组成二级空气预热器;这样进一步提高了进入燃烧机的空气温度。
第三环节是在锅炉尾部高温排烟管道设计了特殊的耐腐蚀冷凝型烟气余热回收利用复合系统。并在其中巧妙采用了低温潜热吸收冷凝技术,比普通单纯利用锅炉排烟余热显热吸热量要大得多。
第四环节是加装了蒸汽锅炉表面排污余热加热锅炉给水系统。
这种多重余热回收独特设计是目前世界上最先进的,代表了国际燃气锅炉最新节能发展水平。目前我国900多家具有锅炉压力容器生产资质的厂家还没有实现这样的设计。冷凝型锅炉不但在设计上考虑了多重余热回收环节,而且还特别设计了强制通风高背压燃烧机,同时考虑设计专门回收过滤高腐蚀性强酸凝结水的综合多级水处理系统,使高腐蚀性强酸凝结水经过四层化学过滤系统的综合处理器后才进行对外排放,这样设计,既大大延长了燃气锅炉的使用寿命,又达到了真正的无污染水环保排放。
2.3 冷凝型锅炉的推广应用
冷凝式锅炉最早发源于欧洲。德国、荷兰、英国、奥地利等国家于20世纪70年代相继开发出家用冷凝式锅炉,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等有害成分也大大降低,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式锅炉,所以需求量不断增加,冷凝式锅炉的使用率瑞士为60%、荷兰为50%、德国为20%、奥地利为20%、英国为15%。目前仅有美国、韩国、德国等少数国家能够研制和开发生产大型一体冷凝式天然气锅炉,而我国国内尚无此类产品。
我国冷凝式锅炉开发与应用还是空白,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式锅炉这一高附加值节能产品的推广和研发不力。国内大多数天然气锅炉厂家仅仅满足于能够采用外置式烟气余热回收装置,或投资建设方自行改造安装外置式烟气余热装置的方式,来弥补国产普通型天然气锅炉的热效率的不足。由于近年来国内新设计安装燃气锅炉中普通卧式三回程湿背式锅炉市场占有率高达80%以上,大多数单位仅在原来锅炉烟囱出口增加普通外置式余热回收的设计方式,完全没有充分考虑到普通枪式燃烧机的合理匹配、锅炉背压的适应范围、燃烧机入口空气预热器特殊设计阻力以及烟气中冷凝潜热的余热回收方式等因素,因此远远达不到国外一体冷凝式天然气锅炉的使用效果。相比国外一体化整体设计多环节内置式冷凝+外置式冷凝优化节能设计的方式,从总体性能上看,我国国内产品和国外生产的一体冷凝式天然气锅炉相比还有相当大的差距。
2006年11月北京市发布的《北京市居住建筑节能设计标准》中,两次提到新建建筑应选用冷凝型锅炉。但是多年来,北京市煤改气实施和运行中,却很少见到冷凝型锅炉。为什么作为国内外大力宣传推广优秀节能产品的没有得到国内用户的认可?主要还是因为高昂的成本妨碍了冷凝型锅炉的推广应用。
3 冷凝式燃气锅炉与普通湿背式燃气锅炉运行经济分析
3.1 锅炉改造投资计算
普通国产卧式三回程湿背式天然气蒸汽锅炉大约为120万~130万元(这差不多已经是国产最低价格,如包括蒸汽锅炉尾部余热回收装置在内锅炉总体价格为170万元左右)。
由北京希克斯科技有限公司总代理的进口世界名牌全冷凝型燃气蒸汽锅炉大约为647万元(此价格已经全部包括全冷凝型余热回收装置在内的总体价格)。两者总的锅炉价差为 477万元。
3.2 节能技术经济分析与投资回报
下面我们通过实例对比计算,分析锅炉改造的节能效益。以前文中某制药有限公司生产用20t/h冷凝式天然气蒸汽锅炉为例,生产每吨蒸汽天然气耗量只需要74m3(本燃气消耗数据详见冷凝式天然气蒸汽锅炉在北京百事可乐有限公司、中海油北京国宾大厦、北京河北饭店等单位实际运行数据)。而普通卧式湿背式三回程燃气蒸汽锅炉生产每吨蒸汽,消耗天然气81.65 m3,则其实际生产成本:81.65m3/t×3.23元/m3=263.73元/t。
冷凝式燃气蒸汽锅炉每吨蒸汽实际生产成本:74m3/t×3.23元/m3=239元/t。
如果按照该制药企业年实际生产需要消耗108000t蒸汽计算,使用冷凝式燃气蒸汽锅炉比采用普通20t/h燃气蒸汽锅炉一年所实际节约的天然气费用:108000t×(263.73元/t-239.02元/t)=266.87万元。
也就是说,即使按照采用冷凝式锅炉与普通燃气锅炉多花477万元投资计算,经过不到2年的实际运行,多投资的锅炉成本完全可以回收。
若按照新建锅炉实际运行使用寿命服役20年计,该制药有限公司选用一体冷凝式燃气蒸汽锅炉20年大约可以节省天然气费用5337万元,这远远大于初投资多花的477万元。
4 结论
冷凝型锅炉属于节能创新产品,非常符合低碳环保的发展方向。即便目前冷凝型锅炉价格远远高于普通锅炉,但仍然受到西方国家的热烈欢迎。在国内,虽然冷凝型锅炉引进较晚,使用单位并不多,而且投资高,但该锅炉热效率高,回收效果快。许多用户在使用冷凝型锅炉的2~3年内即可完全收回高于普通锅炉的投资资金,之后的运行时间都在“额外回收”节能的利润。这与现在大多数仍然使用普通天然气锅炉的单位“花的起钱买锅炉,烧不起气”的现状形成了鲜明的对比。