燃气锅炉烟气余热冷凝回收的研究与应用

魏立全

摘 要：应用烟气余热冷凝回收装置能够降低燃气锅炉的能源消耗。基于此，本文阐述了冷凝器的低温介质、余热回收系统、翅片管式冷凝换热器余热回收装置的设计，同时，针对冷凝器的性能和效益进行分析，通过计算燃气锅炉烟气数据与余热潜力数值，能够分析出应用冷凝器的燃气锅炉烟气余热回收效果。通过论述以上方法，来为技术人员提供一些参考。

关键词：燃气锅炉；烟气余热；冷凝回收

中图分类号：TK229.8 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）06-0007-02

如今，我国使用的燃气锅炉存在制造成本低，易遭受低温腐蚀的问题，导致锅炉的使用率只有理论应用效率的80-90%。因此，将传统的天然气锅炉设计成为冷凝式锅炉能够提升锅炉的工作效率，产生很好的节能效果。在燃气锅炉的烟气余热系统中设计冷凝器，可以提高烟气余热的利用率，降低锅炉的资源消耗，提升经济效能。

1 燃气锅炉的烟气余热研究

1.1 天然气成分

一般来说，天然气的低热发热量，高位发热量为，二者差值为，这个数值就是水蒸气汽化潜热值。燃气锅炉的排烟温度正常的情况下，水蒸气处于过热的状态，锅炉排烟流失的汽化潜热值与发热零的对比公式如下：

（1）

根据公式，可以计算出，就是指传统的燃气锅炉每产生1Nm3的热量，就会带走11.4%的水汽汽化潜热量。

同时，以天然气的地位发热值为基础数据，按照天然气的最佳燃烧状态，锅炉产生的极限热值为111.4%（标准值），就是指锅炉中的烟气水蒸中的余热也被全部利用，这个时候的锅炉利用率达到了100%。从侧面反映出，燃气锅炉的烟气余热冷凝回收具有极大的潜力值。

1.2 燃烧产物的计算

燃烧产物是指天然气在锅炉内部完全燃烧，完全燃烧产生的烟气量为理论烟气量，主要的成分为、、、。在进行烟气分析时候，会一同分析和，因此，统称为三原子气体。在实际燃烧过程中，为了保证燃烧质量，实际和理论空气量都需要大于1，如果燃烧完成后，出现剩余空气，说明烟气中还有氧气，导致实际空气量出现剩余现象。实际的烟气量主要包括了燃烧出产物、剩余的空气量，计算方法如下：

按照a=1.05-1.25，根据公式，可以计算，实际燃烧中的出天然气的烟气量为：[1] （2）

2 燃气锅炉烟气余热冷凝回收装置的设计

2.1 烟气余热计算

以某高校的锅炉房燃气锅炉为例，进行计算。该校的锅炉主要为食堂、教学楼、寝室、洗澡间供热，蒸发量为2t/h，额定温度为194℃，天然气的耗量为150Nm3。当a=1.1时，按照公式（2）计算出锅炉每小时产生的空气量和烟气量数据如下：

容积分数：氮气72.19；氧气1.74；水蒸气17.09；三原子气体8.97；烟气100；

摩尔质量：氮气28.01；氧气32.0；水蒸气18.2；三原子气体44.1，烟气28.1；

质量分数素：氮气72.72；氧气2.01；水蒸气11.08；三原子气体14.02；氧气100。

按照数据显示，当过量空气的系数a=1.1时候，燃烧天然气，额定工况每小时产生的烟气含量为2178.8kg，水蒸气的质量为241.34kg。

该高校锅炉每小时使用燃气150Nm3，燃料的地位发热量为36.6MJ/Nm3。按照烟气湿度和烟气温度计算公式：可知，锅炉在满载负荷运行的时候，产生的不同烟气排放温度和实际的排烟量的损失、冷凝器的参数设计相关，能够产生不同的回收量，进而提高燃气锅炉效率。数据如下：

排烟湿度180℃，热量为1.114GJ，回收率为0，锅炉效率提升0；

排烟湿度60℃，热量为0.804GJ，回收率为0.31，锅炉效率提升5.6；

排烟湿度50℃，热量为0.778GJ，回收率为00.335，锅炉效率提升6.1；

排烟湿度30℃，热量为0.728GJ，回收率为0.386，锅炉效率提升7.1[2]。

2.2 低温介质的选择

上文提到的高校锅炉需要全年运行，每天的运行时长为13个小时，为了确保师生热水需求，锅炉的温度设计为40℃。锅炉的温度升高，产生大量的热力消耗，以供水系统为例，将30t水从20℃上升到50℃，每天需要增加30.15GJ的热量，烟气排放量达到10.53GJ。因此，该锅炉将洗澡水和锅炉给水作为冷凝低温热源。由于该地区的天然气中不含有硫的成分，烟气冷凝水的PH值在5.5左右，腐蚀度较低，可以使用碳钢壳，将外壳底部钢板倾斜成一定斜度，确保冷凝水流出换热器，不会影响效果。

2.3 余热回收系统设计

该校的锅炉额定增发量为2t/h，为保证烟气充分冷凝，需要将锅炉的供水和洗澡水同时作为低温热源。由于洗澡水开放的时间为3个小时，如果温度没有达到额定数值，可以采用蒸汽辅助加热；锅炉给水要在水泵功效下，完成循环流动。在安装冷凝换热器后，排烟的温度下降，烟气也下降，需要借助引风机来排烟。

为了进一步测试出冷凝换热器的回收效果，在换热器的进水口和给水系统进水管道上，安装计量器和温度计量仪，进而监测数据。

为方便同时加热两种用水，将冷凝式转化器设计为热管组合式换热器，使用不锈钢热管，功率为1.05kW。在锅炉的给水一侧摆放106根热管，洗澡水一侧擺放60根热管，按照正三角形的方式搭建，计算功率计为173.5kW。

2.4 翅片管式冷凝换热器余热回收系统的设计

循环水的水量较大，为保证锅炉的供热能力，需要在间壁式换热器加热供暖回水，使冷凝水的温度达到80℃，采暖回水的温度为45℃。同时，循环水在流动的过程中，需要很多的翅片管，阻力较大，维护成本和运营成本都很高，为此，按照热负荷的计算，截取一部分的循环水在加热后，重新返回供热管道，继续完成加热。换热器的管道较短，阻力小，可以不增设水泵，已经被加热的循环水依靠抽吸作用来实现混合，此外，该系统还需要设置风机来辅助排烟。

3 燃气锅炉烟气余热冷凝回收装置应用效果分析

3.1 性能测试

通过对锅炉系统的冷凝烟气余热回收装置的设计，在安装完成后，得出一些运行数据：

日期1：入口烟气温蒂181.3℃，出口烟气温度38.5℃，冷凝水量为138kg/h，回收余热量0.638Gj/h；

日期2：入口烟气温蒂176.1℃，出口烟气温度37.9℃，冷凝水量为143kg/h，回收余热量0.658Gj/h；

可以看出，由于低温热源充足，使得烟气温度下降至40℃，能够回收大量的烟气，回收热量占地位发热量的10%左右，相当于提高了10%的锅炉效率。

3.2 效益分析

考虑到冷凝式换热器的制造、安装等费用，锅炉的冷凝器的预计投资为20万元，同时辅助排风系统为4万元，系统的运行成本有所增加。但可回收的余热达到10%，天然气的价格为2.8元/m3，采用冷凝换器回收的价值为18Nm3，能源价值为47.4元/h，在不考虑运行维护费用基础上，该校的锅炉在满载4921h后，能够回收成本[3]。

4 结语

综上所述，利用燃气锅炉烟气余热冷凝回收装置能够提升锅炉燃烧的经济效益。在此基础上，在换热器的进水口和给水系统进水管道上，安装计量器和温度计量仪，能够监测冷凝器的运行数据；同时，将供暖回水作为低温热源，回水温度越低，水量越大，余热回收的效果越好。因此，选择合适的低温介质，强化余热回收系统设计，能够发挥燃气锅炉烟气余热冷凝回收装置的经济效益。

参考文献

[1]王璐.冷凝式节能器在燃气锅炉余热回收中的应用[J].中国设备工程，2017，（14）：202-203.

[2]马有刚.烟气余热回收装置在燃气锅炉中的应用[J].石油技师，2017，（02）：55-57.

[3]陈冲.燃气锅炉烟气余热深度回收技术应用[J/OL].机械研究与应用，2016，（06）：169-170+173.