深度回收燃气热处理炉烟气中水蒸汽潜热的冷凝器

保定市金能换热设备有限公司（河北 071000)宿新天

最近国务院发布《大气污染防治行动计划》规定具体指标是：到2017年，全国地级以上城市可吸入颗粒物浓度比2012年下降10%以上；京津冀、长三角、珠三角等区域细颗粒物浓度分别下降25%、20%、15%左右。为实现以上目标，具体措施是加大综合治理力度，减少多污染物排放；其中培育壮大节能环保产业，促进重大环保技术装备、产品的创新开发与产业化应用。

目前，我国工业炉的能源利用水平还相当低，平均热效率不到85%。利用余热可以节约大量燃料，减少大气污染，改善劳动条件，提高产量以及降低成本。节能是工业炉发展的关键，能耗的高低直接反映在产品的成本和价值上，也影响到产品的竞争能力和销路，涉及到企业的发展和生存。通过提高企业能源的利用率，来解决当前能源供需矛盾是一条最有效途径之一。用烟道气余热加热水或是预热空气，使燃气炉热利用率大幅度地提高，可以节省燃料和减少二氧化碳的排放量。工业炉排烟温度达到150～220℃，有效地利用这些大量的余热资源尤其是深度回收利用烟气中冷凝水释放的潜热，是最有效的节能措施之一。例如安装冷凝器的燃气锅炉比普通燃气锅炉热效率高10%左右。

1.深度回收冷凝技术概述

（1）燃气工业炉的热损失分析 传统的热处理燃气炉的热量损失主要发生在以下3个方面：炉体散热损失，不完全燃烧损失（电炉不存在此项），排烟热量损失。显然，提高火焰类工业炉热效率的基本途径就是要从以上三个方面下功夫。其中排烟损失是锅炉热损失中最大的一项，约占锅炉热损失的70%～80%，一般达到150～190℃，这部分热量只包括烟气显热，但不包括烟气中水蒸汽的潜热。

（2）回收烟气余热后锅炉热效率分析 燃气热处理炉燃料的节约量是衡量工业炉余热利用经济性的重要指标，其燃料节约率是评定炉子热效率的依据。预热锅炉给水，提高了燃料的利用率，达到了节能的目的。

燃气锅炉烟气热量应包括干烟气的热量和水蒸汽的热量Q1

烟气出口处烟气和冷凝液的热量Qr

回收烟气总换热量Q

冷凝水潜热换热量Qcool

烟气显热热量Qg

式中 Q1——烟气输入热量，kJ/h；

Q2——烟气出口处热量，kJ/h；

Q——回收排烟总热量，kJ/h；

Cpg——烟气比热容，kal/（Nm3·℃）；

T1——烟气入口处温度，℃；

T2——烟气出口处温度，℃；

η——翅片冷凝器效率；

α0——烟气侧对流换热系数，W/（m2·K）；

γ——烟气的质量流量，kg/h；

mcool——冷凝液生成量，kg/h；

hfg——水蒸汽焓值，kJ/kg；

A0——翅片管束外表面积，m2。

排烟温度下降时，锅炉的热损失随之减少。当排烟温度降低到60℃以下，烟气中的水蒸汽冷凝成水释放出潜热，1kg水蒸汽冷凝时会释放2500kJ热量。1Nm3天然气燃烧后会产生2.25m3水蒸汽，以释放出3391kJ热量占到天然气低值35000kJ为基准，则提高锅炉热效率ξ1

式中 ξ1——回收锅炉烟气余热提高热效率；

Q冷——冷凝器吸收的热量，kJ/Nm3；

Q输——燃气燃烧发热值，kJ/Nm3。

降低烟气温度回收的显热效率为1.8%，潜热提高的热效率为7.15%，两项合计提高锅炉热效率：

按现行国家标准以燃料低位发热值为基准，本案例计算锅炉热效率，回收前锅炉的热效率为91%，加上述两项锅炉合计热效率ξ：

2.冷凝器的结构

冷凝器由方圆管道、冷水进口、翅片换热管、框架、冷凝水出口及热水出口组成，如图1所示。

3.冷凝器的特点

（1）换热管的管内强化传热 换热管基管上加工有螺旋沟槽和基管外部焊接有翅片（见图2），带有螺旋沟槽的翅片管可以强化管内流体一侧的对流换热，螺旋沟槽翅片管使流体在管内产生螺旋运动并具有一定的径向速度，从而有效地强化管内对流换热，这使整个传热过程相应强化。同时，螺旋沟槽管便于快速大批量加工，使总传热系数显著提高，这样可以降低制造成本；换热管螺旋形沟槽的螺旋角及节距可以方便地在加工过程中调整、改变并兼顾流动阻力。

（2）换热管的管外强化传热 翅片管式冷凝器的传热是烟气通过管壁将热量直接传递给冷水进行相变换热，属于一次性换热，同时由于管内是冷水而管外是烟气，管内的换热系数较管外大的多，因此总的传热系数主要取决于管外的换热系数，通过在光管外表面镶装无切削整体挤压翅片来增大外表面的面积，相当于增大管外的换热系数，从而达到强化传热的目的。在保持管外侧翅片传热能力不变的条件下，通过提高管内侧对流换热达到使该传热元件总传热能力增大的目的。

（3）冷凝器相关技术的改进措施 为实现该项技术改进主要需做以下三方面的工作：对冷凝器后边的烟道改用耐腐蚀材料；燃烧系统改用按比例调节的燃烧方式，确保冷静凝器运行性能稳定、高效；配备有冷凝水排放系统。

图1 冷凝器结构示意

图2 螺旋翅片换热管

烟气的余热回收，主要是通过对流换热来完成的。本方案具有重量轻、造价低、安全可靠性高、调节简单等显著的优点。

4.现场实测结果

该冷凝器自从2011年12月投产已来，运行正常，2013年4月26日河北省锅炉监督检验院，在某厂现场实地进行测试，结果如附表所示。

冷凝器性能参数表

5.经济效益和社会效益

（1）经济效益 燃气炉节约天然气量，回收热量按289kW计算，平均每小时每台锅炉节省天燃气（低位发热值按8500kcal/Nm3计算）36.8m3，每天可节天燃气量368m3（按每天工作10h）。一年可节约省天然气55200m3（一年工作150天）。年节约资金：55200×2.8=15.46万元。投资回收期为76天。

（2）社会效益 每年减少向大气中排放二氧化碳排放量 M：

M=0.0005908×55200=32.6t。

6.结语

冷凝器在热处理燃气炉余热回收的成功应用，表明燃气炉的热效率会显著提高。目前，工业生产中有大量锅炉的烟气余热未能得到充分利用，若烟气中水蒸汽潜热得到深度回收利用，就可以把燃气炉的热效率提高到100%，这样不但可以节省大量燃料，还能减少二氧化碳的排放，对改善空气质量、预防大气污染是一项积极有效的措施。