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燃气锅炉烟气余热冷凝回收的研究与应用

2018-04-12魏立全

中国科技纵横 2018年6期
关键词:燃气锅炉

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.

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