循环水对冷凝式节能器烟气冷凝效果的影响

罗贤寿 胡雪涛 肖巨明

（福建省锅炉压力容器检验研究院三明分院 福建三明 365000）

0 引言

由于国家对工业企业环保要求的逐步提高，燃气锅炉也越来越普及，逐步替代了传统燃煤锅炉。但天然气目前成本依旧较高，因此最大限度地提高燃气锅炉的热效率成为许多企业缩减成本的途径。冷凝式节能器在燃气锅炉上的运用便是提高燃气锅炉热效率最普遍最有效的措施之一。冷凝式节能器一般采用抗腐蚀能力较强的材料，通常由翅片管组成，管内循环冷却水，翅片端与烟气发生热交换，其位置一般被设计在锅炉尾部受热面的最末端位置。烟气经过锅炉本体、省煤器等受热面后一般温度不高，在冷凝式节能器内与循环水进行热交换以后，大量烟气温度下降到烟气露点温度以下，烟气中水蒸气发生冷凝释放潜热，潜热与循环水进行热交换，被锅炉系统回收利用。为了使烟气得到充分冷凝，需要在烟气循环到冷凝式节能器时达到露点温度以下才能实现。

1 烟气露点温度的确定

1.1 天然气燃烧后烟气成分分析

烟气中水蒸气的露点温度，即烟气中水蒸气分压的饱和温度。由于露点温度受水蒸气分压的影响，在计算烟气露点温度时，需要先算出水蒸气在烟气中的含量。根据福建天然气的成分（见表1），燃气中的主要成分为CH4等烷类气体以及N2、CO2组成，含有C、H、N、O 等4 种元素，和空气混合完全燃烧的产物主要为CO2、H2O、N2。因空气中水分较少（室温为30 ℃，相对湿度100%时空气水蒸气的含量也仅为30 g/m3左右），对计算结果影响不大，故后文的计算中忽略空气中水分的影响。

表1 福建天然气成分表 单位：mol%

1.2 烟气露点温度的确定

烟气的露点温度是由烟气中水蒸气的分压决定的，而烟气各组分的分压由各组分的浓度大小决定，因此不同过量空气系数下的露点温度是不同的。2019—2020 年对三明地区冷凝燃气锅炉的能效测试结果显示，目前本地在用燃气锅炉过量空气系数基本在1.0 至1.5 之间，选取该范围的过量空气系数对天然气燃烧后的各个组分进行计算，利用根据GB/T 10180—2017 标准中提供的计算公式计算结果如表2。

表2 不同过量空气系数下1 m3 天然气燃烧后烟气成分 单位：m3

从焓湿图上查询到露点温度，必须确定烟气含湿量。烟气中含湿量计算如公式（1）。

式中：d 为烟气含湿量，g/kg；Mg为干烟气质量，kg；VH2O为烟气中H2O 含量，Nm3/Nm3。

其中干烟气质量计算如公式（2）。

式中：VCO2为烟气中CO2含量，Nm3/ Nm3；VN2为烟气中N2含量，Nm3/Nm3；αpy为过量空气系数；V0为完全燃烧1 m3天然气理论空气需求量，Nm3。

将表2 中的数据代入公式（1）和（2），可以计算出不同过量空气系数下烟气的含湿量，并根据含湿量查焓湿图，可查到不同过量空气系数下的烟气的露点温度td，具体数据见表3。

表3 不同过量空气系数下烟气参数

2 回水温度和烟气露点温度的关系

2.1 烟气冷凝的过程

烟气在冷凝式节能器中不断与通了循环水的翅片换热管进行热交换，烟气温度不断降低。烟气温度低于露点温度以下，烟气中的水蒸气开始冷凝。烟气温度越低，冷凝效果越好。影响烟气在冷凝式节能器进行热交换后温度的主要因素有冷凝式节能器进水温度、进水流量、结构形式、进口烟温、换热面积等。而在实际运行中，因设备状况、换热面积等由厂家生产时就已经确定，若需要进行调整改造，不仅费用高，而且耗时耗力影响生产，因此控制和调整冷凝式节能器循环水温以及循环水量是提高冷凝式节能器冷凝效率最好最方便的做法之一。

2.2 翅片管内水与管外烟气的传热分析

假设翅片管内外传热过程为稳态，忽略水侧结垢和烟侧积灰的影响。由文献［1］中的公式整理可得烟气侧管壁对流换热系数K 的计算如公式（3）。

式中：K 为烟气侧对流传热系数，W/（m2·℃）；Q 为翅片管的换热量，W；A 为烟气侧传热面积，即翅片管翅片端总表面积，m2；tr为冷凝式节能器进口烟温，℃；tc为冷凝式节能器出口烟温，℃；t1和t2分别为冷凝式节能器进、出口水温，℃。

将公式（3）整理得到公式（4）。

要使烟气冷凝，冷凝式节能器出口烟温tc应小于等于露点温度td。根据公式（4）可知，t1应小于tc，翅片管烟侧边界换热才会发生，因此，入口水温t1应低于露点温度td，具体数值受到烟气冷凝所需的换热量Q、翅片管的结构及其换热面数值的影响。

实际测试发现，要使烟气中的水蒸气充分冷凝，应保证冷凝式节能器出口附近的翅片管本体以及翅片各部分温度都低于水蒸气露点温度。考虑到翅片管金属热阻的影响，冷凝式节能器进口水温低于露点温度20 ℃左右时，冷凝效果较好。根据陈凯等［2］的研究，逆流布置列管式冷凝换热器在水温为20 ℃时，在假定的实验状况下，以4 t/h 的冷却水作为冷源的逆流布置列管式冷凝换热器，保证冷凝效果的前提下允许的最低排烟温度为47.35 ℃，温差27.35 ℃。

因此，冷凝式燃气锅炉实际运行过程应关注冷凝式节能器循环水箱的水温，确保其水温不能过高，以免影响冷凝式节能器的节能效率。

2.3 烟气流速和水流速对冷凝的影响

根据文献［3］的研究，螺旋翅片管的换热性能会随着雷诺数Re 的增大而增强［3］，雷诺数Re 的计算如公式（5）。

式中：ω 为管外烟气的进口速度，m/s；ν 为烟气在进出口平均温度下的运动粘度，m2/s；d 为翅片管外径，m。

由公式（5）可知，烟气流速与雷诺数Re 成正比，因此随着烟气流速的增大，翅片管表面换热性能会提高。

根据张知翔等［4］的研究，无论是哪一种翅片管，改变翅片管内的水流量时，其传热性能几乎不改变。因此，在冷凝式节能器出口水温低于进口烟温的前提下，给水流量的变化对冷凝式节能器传热性能的影响很小。

3 结论

（1）过量空气系数对烟气露点温度有影响，随着过量空气系数的增大，烟气露点温度降低，具体数值参考表3［5］。

（2）要使烟气中水分在冷凝式节能器中充分冷凝，循环水温必须低于烟气露点温度，具体数值和冷凝器的结构形式、烟气成分等有关。

（3）改变冷凝式节能器内水流量不影响其传热效果，即在冷凝式节能器出口水温低于进口烟温的前提下，无法通过调整水流量改变其水流量的方式影响冷凝式节能器换热效率。