从烟气排放阻力角度分析晋城矿区装设冷凝式燃气锅炉的可行性

王锦辉

摘 要：本文主要从燃气锅炉烟气排放角度对装设冷凝式燃气锅炉的可行性进行分析和讨论，旨在对存在的问题进行处理和解决。

关键词：烟气阻力;冷凝式燃气锅炉;可行性

晋城矿区相对独立于城区，距城区也较远，通常采用自己的集中供热模式。矿区富煤少气而且燃气运行费用相对较高。因此上矿区往往采用燃煤工业锅炉的供暖方式。2017年，晋城市人民政府下发了《晋城市2017年大气污染防治行动计划》，计划要求全面淘汰燃煤锅炉和热风炉。故原有的燃煤炉已不能作為热源使用。一方面，为减小烟囱腐蚀，规范或手册上一般要求燃气锅炉排烟温度不低于烟气露点温度10℃，故锅炉排烟温度一般控制在110-120℃。另一方面，人们往往认为锅炉排烟温度降低，烟囱抽力降低，会影响烟气排放，甚至排放不出去，造成运行事故。同时，燃气锅炉运行费用相较燃煤锅炉高出不少，相对锅炉设备价格，如何降低燃气锅炉运行费也就成为亟待解决的问题。

1 冷凝原理

参考山西国新中昊盛天然气有限公司管道供给燃气组分：煤层气组成：CH4为99.29%，N2为0.51%，CO2为0.18%，O2为0.02%，H2S≤0.024%，总S≤0.5%;煤层气密度：0.673kg/m3（20℃，101.325kPa）;煤层气发热值：36.86MJ/Nm3。

由上述资料可以看出，燃气成分中99.29%为甲烷，因CH4中含有大量的H，燃气燃烧后会使烟气含有大量的水蒸气，烟气中水蒸气占烟气比重很大，约18%。若降低烟气的排烟温度，回收烟气和烟气中的水蒸气的汽化潜热和显热，将会节约很大的能源。冷凝式锅炉就是利用高效的烟气冷凝余热回收装置来吸收锅炉尾部排烟中的显热和水蒸气凝结所释放的潜热，以达到提高锅炉热效率的目的。

2 现代冷凝式锅炉简介

现代燃气冷凝锅炉是一种运用了多种节能手段的综合节能体，首先从燃烧上，采用了变频电动机的完全预混的比例式辐射燃烧机，在任何输出功率下，空气与燃料的配合比都能保持在最佳状态，在保证燃烧质量的前提下，减小了过量空气系数，减少了氮氧化物的产生，提高了燃烧效率，降低了电耗;从炉体上，使用了以铝合金或不锈钢为主的耐酸材料，采用了利于水蒸气冷凝的加强的换热结构，锅炉换热能力大幅提髙，保了凝结热量被及时吸收，同时锅炉体积大幅缩小。锅炉采取有效的措施，减少锅炉的散热损失，比如利用燃烧需要的空气先经过未经保温的锅炉炉体，把炉体的散热用来加热燃烧需要的空气，锅炉烟气出口设有自动蝶阀，锅炉停炉蝶阀自动关闭，减少从烟道流失的热量等。采用全新的控制系统用来保证燃烧系统、锅炉换热系统、锅炉散热控制系统、锅炉输出热量保障系统的协调工作。所以现代冷凝锅炉不但在锅炉炉体上有了很大变化，在燃烧系统、锅炉的热损失控制、锅炉的整体协调控制上都有了很大的改变，超过100%的热效率是建立在这些基础上的。

国内锅炉热效率均以燃料的低位发热量（PCI）计算。烟气中的水蒸气如果全部凝结成水，会释放出相当于天然气燃烧低位发热量（PCI）11%的热量（可回收率达9%）。现代冷凝锅炉与传统低温燃油燃气锅炉的效率比较见表1。

3 从烟气排放角度分析冷凝式锅炉的可行性

3.1 烟囱抽力

烟囱高度、外界空气温度、烟囱内平均温度与烟囱抽力的关系：

式中：S-烟囱抽力Pa;H-烟囱高度m;-标准状态下空气的密度kg/m3;-标准状态下烟气的密度kg/m3;tk-外界空气温度℃;tpj-烟囱内烟气平均温度℃。

3.2 计算条件

因为标准状态下空气的密度为1.293kg/m3，标准状态下烟气的密度为1.34kg/m，可以认为其为定值。因此烟囱抽力可视为仅与三个条件有关，即烟囱高度H、外界空气温度tk以及烟囱内平均温度tpj。

在其他条件不变时，外界空气温度tk增高，烟囱抽力减小，故只需考虑锅炉在冬季运行时外界历年最高气温条件即可。晋城冬季年平均气温的多年平均为-0.6℃，最高气温出现在2002年的2月份，为4.6℃。故tk取4.6℃。

晋城矿区多为燃煤锅炉改燃气锅炉，从各矿情况看，原燃煤锅炉最大不超20t/h，最小为2t/h;根据相关要求，烟囱顶部应高出建筑物屋面3m以上，在这里蒸发量为20t/h的锅炉烟囱高度H取15m，2t/h锅炉烟囱高度取8m即能够满足烟气烟囱高度要求。

在其他条件不变时，烟囱内烟气平均温度tpj越高，烟囱抽力越大。

式中：t'-烟囱进口处烟气温度℃;Δt-烟气在烟囱每米高度的温度降℃/m。

式中：D-在最大负荷下，烟囱负担的锅炉蒸发量t/h，在此考虑蒸发量为20t/h及2t/h两种情况;A-考虑烟囱种类不同的修正系数，无衬钢烟囱A取2。

综合上述公式，分析D=20t/h和D=2t/h两种不同负荷及分别对应的不同烟囱高度H=15m和H=10m、不同排烟温度t'（不考虑烟道温降，将其简化为烟囱进口处烟气温度，即t'）烟囱抽力变化情况汇总列表如下：

3.3 烟囱阻力

根据规范要求，烟囱出口烟气流速不宜小于2.5-3m/s，以免冷空气倒灌;燃气锅炉微正压燃烧，烟囱出口烟气流速一般不超15m/s。

3.3.1 烟囱的摩擦阻力Δpm（Pa）

式中：λ-烟囱摩擦阻力系数，金属烟囱λ=0.02;d-烟囱直径m;H-烟囱高度m;ω-烟囱内烟气流速m/s;ρ-烟囱内烟气密度kg/m3。

3.3.2 烟囱出口阻力Δpc（Pa）

式中：A-烟囱出口阻力系数，金属烟囱A=1。

不同温度下烟气的密度满足公式：

故烟气温度越高，烟气密度越小。

烟囱阻力为摩擦阻力和出口阻力之和，即：

Δpmax=Δpm+Δpc。

从上表可以看出，烟气温度在20℃时阻力最大，120℃时烟气阻力最小。

4 结束语

综上结果，烟气温度对锅炉烟气排放影响最小，烟囱阻力对锅炉烟气排放影响较大。燃气锅炉通常为微正压燃烧，实测锅炉背压为900Pa左右，故在排烟温度较低时，不会影响烟气正常排放。因此可以通过装设冷凝装置，使锅炉烟气温度降至一合理温度，通过合理选择烟囱材质，实现锅炉热效率的最高。

参考文献：

[1]李慧君，王树众，张斌，等.冷凝式燃气锅炉烟气余热回收可行性经济分析[J].工业锅炉，2003（02）：1-4+12.