提高锅壳燃气锅炉热效率的途径

孙 连 启

(张家口市特种设备监督检验所，张家口 075000)

0 引 言

随着国家经济和社会发展，对环境的要求越来越高.人们更加重视健康和生活环境的改善.能源结构和利用有了很大的改变，天然气以较少地环境污染和高效燃烧作为锅炉燃料被大量采用.特别是WNS系列中、小型燃气锅炉以其环保性能突出、结构紧凑、高效节能、自动化程度高等优点被广泛地应用.然而，燃气作为一次能源其价格比燃煤贵，燃气锅炉的运行成本比燃煤锅炉高出3-4倍.如何提高燃气锅炉热效率降低运行费用成为锅炉行业所关注的问题.本文分析了锅壳燃气锅炉热效率与排烟温度的关系，给出了锅壳燃气锅炉排烟热损失所占比例和提高锅炉热效率的途径.

1 燃气锅炉热效率和排烟损失

锅炉设计热效率是锅炉技术水平的主要技术经济指标，它表明锅炉设备的技术先进程度和能源利用率的水平.燃煤锅炉设计效率一般在80%～85%左右[1]，燃气锅炉设计效率可以达到90%～98%.锅炉热效率可以通过正平衡法测试得出，也可从反平衡法测试得出.

1.1 锅炉正平衡热效率

η=(Q1/Qr)×100%

η-锅炉热效率，%；

Qr-锅炉拥有热量，KJ/m3；

Q1-有效利用热量，KJ/m3；

热水锅炉：Q1=4.187 G﹒Cn(tr-th)；Cn——水的比热KJ/kg℃；

G——循环水量，kg/s；tr、th出——供水、回水温度，℃；

蒸汽锅炉：Q1=D(ⅰ″]-i′)；

D-蒸发量，kg/s；ⅰ″——出口蒸汽热焓，KJ/kg；

i′——给水热焓，KJ/kg

1.2 锅炉反平衡热效率

(1)干燃烧产物热损失，

(2)由空气中水分引起的热损失；

(3)由燃料中水分引起的热损失；

(4)由燃料中氢燃烧后所生成的水分引起的热损失；

(5)由未燃尽可燃物引起的热损失；

(6)向周围的辐射热损失；

(7)其它热损失；

以上(1)-(4)项就是通常所指的排烟热损失，q2%；(5)项热损失包括化学不完全燃烧热损失，q3%；固体不完全热损失，q4%；(6)、(7)两项对应散热损失，q5%；灰渣物理热损失，q6%.对于燃气锅炉热损失中q4和q6两项为零，且锅炉密封性一般较好，q5项损失一般也很小(一般在1%～3.6%[2]，国外有的锅炉甚至小于1%[3]).燃气锅炉反平衡热效率可由下式给出：

η=100-q2-q3-q5%；

其中q2由下式计算：

Ipy——排烟热焓，KJ/Nm3；

apy——排烟处过量空气系数；

Q——每标米燃气送入炉内热量，KJ//Nm3；

q2是燃气锅炉热损失中最大的一项，它取决于排烟温度和排烟量，而排烟量决定于过量空气系数.目前WNS系列燃气锅炉一般选用国外品牌燃烧器，过量空气系数小，一般在1.05～1.1之间，因而燃气锅炉排烟热损失的主要决定因素是排烟温度和所含水蒸汽量.表1燃气锅炉排烟热损失占据锅炉总热损失的主要份额(来源于某厂锅炉热力计算书).

表1

从表1中可以得出：WNS系列燃气热水锅炉排烟热损失约占锅炉总热损失68～78%，而且随着锅炉容量增大，排烟热损失份额有一定程度的增大.排烟热损失与排烟温度有直接关系，进而得出燃气锅炉热效率很大程度上取决于选取排烟温度的高低.

2 提高热效率的途径

天燃气中主要成分是甲烷(CH4)，1个体积的甲烷燃烧后生成2个体积的水蒸气和1个体积的二氧化碳气体(CO2)，同时释放出39842 KJ/m3的热量.2个体积水蒸气的凝结热可达其全部发热量的10%，所以，天然气的低位发热量比高位发热量低10%[4].天然气的低位发热量35500-41900 KJ/m3[5].下面图示燃气锅炉尾部加装冷凝器和热管空气预热器，降低排烟温度提高热效率的原理[6]：

燃烧反应方程式：

CnHX+(O2+N2)→2H2O+CO2+NOX+N2+O2+39842 KJ/m3

(天然气) (空气) (水蒸气)

10%(4100 KJ/Nm3)水蒸气排到烟气中←天然气高位发热量

↓ (39700 KJ/Nm3)

↓

排放到大气(55 ℃，4.6%) ↓天然气低位发热量

↓(35600 KJ/Nm3)

↑ (100%)

冷凝器回收热效率(7.8%、140 ℃) ↓ ↓

↑ 锅炉热效率

热管空气预热器回收热效率(5.6%、) ↓ (98%)

↑ ↓

锅炉本体烟气←含有蒸汽显热的排烟损失←散热损失

(200 ℃) (8%) (1.6%)

提高燃气锅炉热效率的有效途径是锅炉尾部增加热管空预器和冷凝器等余热回收装置，使锅炉烟气温度从200 ℃以上降至60 ℃左右，可将燃烧产生水蒸气中的汽化潜热和烟气大部分热量回收.在工程实际应用方面：热管式空气预热器的结构，由多根φ32 mm钢制高频焊接翅片管做成的热管、壳体板、隔板和支架等组成.安装在锅炉尾部烟气出口处，一般下部为烟气通道，上部为空气通道.被加热的空气送入炉膛助燃.使烟气温度从200 ℃降至140 ℃左右，空气温度从20 ℃升高到70 ℃左右.锅炉热效率提高5%～6%.

冷凝器由多根不锈钢铝合金翅片管、壳体板和支架组成，一般翅片管径在φ38～51 mm，壳体板为4～6 mm普通钢板.管内介质为锅炉给水，流速在1～2 m/s，翅片管外为烟气通道.冷凝器几何尺寸与锅炉容量相关.安装在锅炉热管空预器后、引风机前烟道处.一般将烟气温度从140 ℃降至60 ℃，充分利用烟气中的潜热(烟气中凝结水从烟道中排除).设计冷凝器时，烟气流速一般在7～12 m/s，流速小于7 m/s时，易积灰堵塞；烟气流速大于12 m/s时，冷凝器磨损严重，同时会产生噪音和振动现象.详细冷凝器设计，请参阅有关换热器设计书籍.WNS燃气锅炉尾部加装冷凝器锅炉热效率可提高7～8%，使锅炉热效率达到98%以上.燃气锅炉尾部设置热管式空气预热器和冷凝器技术，国内许多锅炉制造企业已采用，如扬州斯大锅炉有限公司等.

3 结束语

WNS锅壳燃气锅炉在我国经过十几年的发展，已成为燃气锅炉中一个重要系列，在锅炉本体结构布置、燃烧器匹配、强化传热、高温烟室管板焊接、尾部积水处理、低噪环保运行等方面取得了长足进步，目前广泛应用于生产、生活中的各个领域.但是，目前燃气锅炉排烟温度普遍偏高(一般在200 ℃以上)，造成很大的能源浪费已成为亟待解决的问题.本文对提高WNS型燃气锅炉利用热管预热器和冷凝器降低烟温，提高热效率作了初步探讨，供燃气锅炉科技工作者借鉴和参考.

参 考 文 献

[1]锅炉机组热力计算标准方法[M].机械工业出版社.2001

[2]赵钦新,惠世恩.燃油燃气锅炉[M].西安交通大学出版社.2000

[3]陈学俊,陈听宽.锅炉原理[M].西安交通大学出版社.1994

[4]车得福.冷凝式锅炉及其系统[M].机械工业出版社.2002

[5]刘福仁，沈贞珉，徐福安.燃气锅炉作业人员读本；中国计量出版社：2005.12

[6]斯大锅炉有限公司产品技术资料2013