燃氣裝置煙氣余熱回收分析與設計

1、摘要隨著我國的不斷發(fā)展，能源的消費量逐漸增大，這也帶來了嚴重的環(huán)境污染問題，所以我國施行節(jié)能減排和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整。如今，在我國社會能源環(huán)境領(lǐng)域，推行使用天然氣等清潔能源、新技術(shù)，已經(jīng)成為重要的研究課題。近幾年來，燃氣鍋爐正逐漸的取締燃煤鍋爐在生活與生產(chǎn)方面。但是，目前燃氣鍋爐的排煙溫度都很高，煙氣中的余熱得不到回收與利用。因此，如何使鍋爐的排煙熱損失降低與提高燃氣的利用率，已經(jīng)成為了節(jié)能環(huán)保工作中的重要的研究課題。普通的燃氣鍋爐，排煙溫度通常為180左右，煙氣中存在大量的過熱態(tài)的水蒸氣，其體積分數(shù)在10%左右，是煙氣熱量損失的主要部分?；厥绽门艧燂@熱與煙氣凝結(jié)潛熱可極大的提高能源利用率。本文

2、首先對我國的能源利用現(xiàn)狀、節(jié)能形勢、燃氣冷凝式鍋爐的工作原理、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和天然氣的利用進行了概述。其次，分析了天然氣燃燒后煙氣中的產(chǎn)物，分析了煙氣中可以回收的顯熱量和潛熱量的關(guān)系，提出了煙氣中汽化潛熱能否有效回收是確保冷凝式換熱器回收效果的關(guān)鍵因素。然后，本文對各種換熱器進行了介紹，對冷凝換熱器進行設計與分析，冷凝式換熱器采用H型鰭片管換熱器，鰭片管順列布置，H型鰭片管的優(yōu)點是耐磨性能好，積灰少，體積小，空氣阻力小，綜合性能好。最后對燃氣鍋爐加裝冷凝換熱器的經(jīng)濟效益進行了分析。研究表明，常規(guī)燃氣鍋爐加裝冷凝換熱器后，鍋爐排入大氣的污染物大大減少，環(huán)保效益顯著。關(guān)鍵詞：燃氣冷凝式鍋爐、鍋爐熱

3、效率、熱管、余熱AbstractKey words： gas condensing boilers, boiler thermal efficiency, heat pipes, waste heat.第一章 緒論1.1 我國能源利用狀況及節(jié)能環(huán)保緊迫性1.1.1能源利用現(xiàn)狀社會進步和經(jīng)濟發(fā)展和能源密不可分，也是一個國家綜合國力和人民生活水平的重要表現(xiàn)。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，環(huán)境污染與經(jīng)濟發(fā)展的協(xié)調(diào)問題日益嚴重。能源和環(huán)境問題是如今社會最關(guān)注的問題。人類有3次能源利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整 1：(1)18世紀，因為第一次世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變：原始的柴薪能源逐漸的被以煤為主的化石能源取代。到1990年，世界的

4、煤炭產(chǎn)量大約為7.45億噸，比當時的一次能源總量的94%還要高。這次能源結(jié)構(gòu)改變打破了16世紀歐洲文藝復興文明發(fā)展停滯不前的局面，推動了資本主義工業(yè)的迅猛發(fā)展。(2)20世紀，石油、天然氣的生產(chǎn)與使用量迅猛的增長。這推動了內(nèi)燃機等的發(fā)展，所以許多西方國家經(jīng)濟得到快速發(fā)展。到了20世紀60年代，石油的消耗量每十年就可提高一倍。石油消耗量的不斷增長，使我們進入了現(xiàn)代文明和世界經(jīng)濟的新階段。(3)環(huán)境污染問題和能源危機使人們意識到調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的緊迫性，通過降低化石能源的消耗來實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。我國是世界上擁有能源資源最豐富的國家之一，但也是能源消耗量也很大，能源的一次消耗的總量接近于美國。截止到

5、2014年，我國投入1145億元在地質(zhì)勘查上，新發(fā)現(xiàn)的大中型礦產(chǎn)地有249處。油氣勘查取得了巨大突破，首次探明頁巖氣的地質(zhì)儲量約為1068億m3，新探明的石油地質(zhì)儲量10.6億噸，天然氣9438億m32。這與2011年以來我國實施的勘探礦物突破戰(zhàn)略行動的關(guān)系重大。我國有非常豐富的再生能源資源，其中，水能資源的可開發(fā)量理、論儲藏量和經(jīng)濟可開發(fā)量都處在世界首位。 煤在我國的能源結(jié)構(gòu)所占的比重很高，其比重高達70%80%，比其它發(fā)達國家煤僅占20%30%的水平高得多。從這十年我國能源消耗與生產(chǎn)結(jié)構(gòu)來看，原煤生產(chǎn)與煤炭消費的比重占了極其重要的地位，石油消費與原油生產(chǎn)比重不斷下降，天然氣和其他能源(水電

6、、核電、風能)的消費與生產(chǎn)比重總體呈現(xiàn)出了上升的趨勢。表1-1中列舉了我國從19902014年的能源消費總量及構(gòu)成的數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)變化中可以看出，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，消費水平不斷的提高，我國能源消費量一直在迅猛增長。其中煤占能源消費量的比重是最高的，占比約為70%，從2000年開始我國煤消費量正逐漸的降低，天然氣與新能源的消費量一直在迅猛增長，預計到2020年天然氣占比將達到10%，而煤的占比可能下降到60%，其它一次電力與新能源的消費占比也會逐漸增高。表1-1 能源消費總量及構(gòu)成3年份能源消費總量(萬噸標準煤)占能源消費量的比重(%)煤炭石油天氣一次電力及其它能源19909870376

7、.216.62.15.1199110378976.117.12.04.8199210917075.717.51.94.9199311599374.718.21.95.2199412273775.017.41.95.7199513117674.617.51.86.1199613519273.518.71.86.0199713590971.420.41.86.4199813618470.920.81.86.5199914056970.621.52.05.9200014696468.522.02.27.3200115554768.021.22.48.4200216957768.521.02.38.2

8、200319708370.220.12.37.4200423028170.219.92.37.6200526136972.417.82.47.4200628646772.417.52.77.4200731144272.517.03.07.5200832061171.516.73.48.4200933612671.616.43.58.5201036064869.217.44.09.4201138704370.216.84.68.4201240213868.517.04.89.7201341691367.417.15.310.2201442600066.017.15.711.21.1.2 節(jié)能環(huán)保

9、的緊迫性“十二五”期間，我國通過調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變發(fā)展方式來節(jié)省能源的消耗，并且出臺了一系列的政策和措施，使國內(nèi)單位生產(chǎn)總值能耗量累計降低大約19.06%，支持了國民經(jīng)濟年均大約11.2%的增長，能源消耗彈性系數(shù)由1.05下降到0.58 在“十一五”期間。然而我國得能源消耗總量卻由24.6億噸標準煤升高到32.5億噸標準煤，且和西方發(fā)達國家相比，能源加工、貯運、轉(zhuǎn)換和終端科用綜合效率依然比較低，到2007年時這個效率為33%，而西方發(fā)達國家在20世紀90年代初就達到了41%。而能源消耗平均熱效率還比較低，在發(fā)達國家火電廠的能源利用的效率通常為35%40%，工業(yè)鍋爐的效率約為80%；而我國依次為

10、30%以下和60%70%，我國燃用石油、煤炭、天然氣的平均熱效率比發(fā)達國家都要低。因此提高能源的利用率和節(jié)能減排是當務之急。在我國，最主要的能源消耗領(lǐng)域是工業(yè)，工業(yè)的能耗量約占能耗總量70%，顯然，只有從根本上緩解我國能源消耗量大，資源供應緊張的問題才能解決好工業(yè)設備節(jié)能的問題4、5。化石能源濫用不僅是帶來能源危機，而且還對大氣、水體、土壤等生態(tài)系統(tǒng)帶來很多嚴重的影響，是環(huán)境污染的主要根源6，已經(jīng)危及自身生存環(huán)境。因為化石燃料被大量使用，造成了酸雨、溫室效應、臭氧層破壞以及生態(tài)環(huán)境破壞等嚴重的環(huán)境污染問題，都急需去解決。而節(jié)省能源，降低化石能源的消耗量，可以從根本上緩解這些問題。我國的能源結(jié)構(gòu)

11、調(diào)整為努力擴大收入來源、降低支出、節(jié)約優(yōu)先、保護環(huán)境的方式，建立一個較為穩(wěn)定，經(jīng)濟，安全和清潔的能源供應體系7。我國的經(jīng)濟發(fā)展形式轉(zhuǎn)變由原來以資源消耗、能源為基礎的粗放型模式改變?yōu)榄h(huán)境友好型和資源節(jié)約型。1.2 天然氣消費及利用天然氣是一種清潔、高品質(zhì)、高效的燃料，在所有化石能源中碳排放系數(shù)是最小的。天然氣被普遍的應用在各個領(lǐng)域，在世界能源消耗的結(jié)構(gòu)中所占比重約為24 %。天然氣通常指氣田氣和油田氣，此外還有煤系天然氣。其主要由烴類，主要是甲烷，還有乙烷、丙烷和丁烷等組成。1.2.1 天然氣消費與發(fā)達國家的平均水平進行比較，我國天然氣的使用率還特別低。主要是因為我國的天然氣工業(yè)基礎還較微弱，從

12、圖1-1 可以看出近十年我國能源消費結(jié)構(gòu)中天然氣的比例正逐漸的增大，但我國天然氣在一次能源消耗中的比例僅約為6%，更是比世界平均24%的水平和27%的美國水平低得多，同時比亞洲平均8.8%的水平低。目前世界人均天然氣消費量約為403 m3/a，但是我國僅僅為25 m3/a。 但是“西氣東輸”管道工程的商業(yè)運作，表明我國的天然氣市場由發(fā)育階段進入發(fā)展階段，并且估計這一階段可能會持續(xù)到2030年8。在這時期中，我國天然氣的管網(wǎng)、儲氣庫等基礎設施的建設不斷地加快，將逐步在全國形成天然氣主干管網(wǎng)；天然氣產(chǎn)量和產(chǎn)能建設將快速增長，將不斷擴展進口天然氣的渠道，因此將會形成多元化的供氣格局。在這基礎之上，天

13、然氣消費量在我國能源結(jié)構(gòu)中所占的比例將會不斷增長。圖1-1 能源消費比例根據(jù)大多數(shù)城市處理大氣污染的經(jīng)驗可知，減少大氣污染的主要途徑是去改變一次能源的消費結(jié)構(gòu)。天然氣燃燒后產(chǎn)物中基本不存在煙塵和S02；氮氧化物的排放量比燃煤降低約47、燃油降低約61；CO2排放量比燃煤的低約53、比燃油的低26左右。天然氣再供暖、工廠供熱的應用上有顯著的節(jié)能效益。大、中型燃煤鍋爐房，運行時平均的熱效率只有76，小型燃煤鍋爐運行效率更加低；集中供熱熱效率約為80.7，火力發(fā)電廠的約為35，能源轉(zhuǎn)換總效率約為39；因為燃氣鍋爐的自動控制水平較高等，其熱效率基本上可超過859。為了節(jié)省能源、保護環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展

14、，提高天然氣等清潔能源的消費比例，降低煤炭的消費比例，實行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整極其重要，也是許多城市實行環(huán)境保護和節(jié)約能源的重要的課題。于用于城市生產(chǎn)生活的供熱鍋爐，推薦使用燃氣鍋爐來取締中小型的燃煤鍋爐。在我國的大多數(shù)城市，煤炭正逐步被天然氣等比較清潔的能源取代10。在推廣使用天然氣的同時也應該注意節(jié)約用氣，而研發(fā)高效利用天然氣的技術(shù)是目前當務之急。1.2.2 天然氣利用技術(shù)我國天然氣在化工、油氣田開采和發(fā)電等地方所占比最大，其占比87%以上，其中化肥領(lǐng)域約占38.5%，而居民用氣量在天然氣消費結(jié)構(gòu)中占比10%還低 。從2005年開始我國的天然氣的產(chǎn)量極大的增長，主要是由于有幾個新的大氣田被發(fā)現(xiàn)。2

15、005年我國天然氣的產(chǎn)量累計約為 ，增長了21.9%。2006年天然氣需求量達到。我國天然氣的使用依然處在起步階段，因為天然氣的產(chǎn)量比較低，天然氣利用一般是以產(chǎn)定用。主要利用天然氣的地區(qū)是天然氣產(chǎn)地鄰近的城鎮(zhèn)及工業(yè)區(qū)。在世界上天然氣主要被用在工業(yè)、發(fā)電、居民燃料等領(lǐng)域，而我國主要利用在化肥工業(yè)中，由于天然氣工業(yè)的發(fā)展和環(huán)保的要求，天然氣的利用方向應以發(fā)展“以氣代油”、“以氣發(fā)電”、“城市氣化”為主11。通過能源的利用方式可把天然氣分為工業(yè)燃料、城市燃氣、發(fā)電和化工等四類。在工業(yè)燃料領(lǐng)域，天然氣較多的被用在冶金、玻璃、建材等領(lǐng)域；在城市燃氣領(lǐng)域，能分為公工商業(yè)、民用生活、小工業(yè)企業(yè)燃料用氣等領(lǐng)域

16、；在發(fā)電領(lǐng)域，天然氣較多的被用于熱電廠；而在化工領(lǐng)域的用氣主要包括甲醇、化肥以及制氫等。 在“十五”以前，有50%以上的天然氣都被用在化工行業(yè)。近幾年，天然氣的使用不斷的增多，利用的方向也是多種多樣，隨著環(huán)保要求的不斷提高，消費結(jié)構(gòu)得到了極大的優(yōu)化，特別是在建設與完善大型基礎設施管道的方面，天然氣的消費面逐漸變廣。除用于化工原料外，天然氣己開始大量地用在城市燃氣和替代燃煤、燃油等其他的工業(yè)燃料。通過逐漸完善我國天然氣的消費結(jié)構(gòu)，把原來化工占主導地位的單一結(jié)構(gòu)向工業(yè)燃料、城市燃氣等多個方面的結(jié)構(gòu)調(diào)整。隨著社會的不斷發(fā)展，天然氣被越來越多的城鎮(zhèn)居民作為燃料，天然氣的消耗量迅猛增長。將來在我國城市燃

17、氣中天然氣將逐漸的成為最重要的燃料。由統(tǒng)計可知，我國2008年使用民用天然氣人口約為1.4億，覆蓋兩百多個地級市及以上城市；在全國城鎮(zhèn)人口6.1億中，城鎮(zhèn)天然氣的平均氣化率只有大約23 %。估計到2020年，這個比例可能提高到40%50% 8。1.3 燃氣冷凝式鍋爐若鍋爐的排煙溫度要比煙氣露溫度低，煙氣中水蒸氣的汽化潛熱就可以釋放出來。當排煙溫度比較低時，煙氣中水蒸氣冷凝的大量汽化潛熱被釋放，當以燃料的低位發(fā)熱量Qdr為標準時，鍋爐的熱效率可能到達l00%以上，這樣的鍋爐稱為冷凝式鍋爐(condensing boiler)12、13。在國外，冷凝式鍋爐通常是指可以利用煙氣中水蒸氣的汽化潛熱的鍋

18、爐。其可將煙氣中排煙的溫度降得比較低，并且煙氣中的顯熱和汽化潛熱得到有效的回收利用，極大提高鍋爐熱效率的同時，煙氣中對環(huán)境有害物質(zhì)濃度極大的降低，減少了大氣的污染14。1.3.1 燃氣冷凝式鍋爐的工作原理1.冷凝式燃氣設備節(jié)能機理天然氣在燃燒后的產(chǎn)物中產(chǎn)生大量的水蒸氣與 CO2，如果天然氣的過量空氣系數(shù)與空氣的濕度不相同，則煙氣中水蒸汽的含量也會不相同，水蒸氣體積份額最高可達20%，其燃燒化學方程式為： (1-1)通過化學方程式(1-1)可知，每燃燒一標準立方米的天然氣大約能產(chǎn)生2Nm3的水蒸氣，水蒸氣中所包含的汽化潛熱大約為燃氣低熱值的11%，這表明每當燃燒每1 Nm3燃氣時將會提供100

19、kW顯熱，同時也產(chǎn)生11kW的潛熱。若在保溫條件良好時，排煙熱損失就是最主要的熱損失。通過將排煙溫度降到露點溫度以下，使煙氣中的水蒸氣冷凝釋放放出來，回收利用排煙中的顯熱和潛熱，就是冷凝式換熱器的工作原理15。2.冷凝式鍋爐的熱效率排煙熱損失是燃氣裝置最主要的熱損失，損失的大小取決于排煙量和排煙溫度的大小。在燃料一定時，過量空氣系數(shù)的大小與排煙量的大小密切相關(guān)，但是過量空氣系數(shù)的大小只和燃燒狀況有直接聯(lián)系。在過量空氣系數(shù)比較小時，如果使排煙溫度降低得比較低會極大的減少排煙的熱損失。隨著過量空氣系數(shù)的不同煙氣中水蒸氣的含量也會不同。如圖1-2 16 在給定溫度下，由煙氣中的水蒸氣含量以及空氣、干

20、煙氣和水蒸氣的溫一焓表，就可以確定煙氣攜帶的熱量，從而得出燃氣設備的節(jié)能潛力。但鍋爐效率會隨著過量空氣系數(shù)的提高而降低，余熱回收就會變得很困難。最簡單有效的方法是確保鍋爐運行在最佳的過量空氣系數(shù)下，這樣可以確保在安裝煙氣余熱回收裝置前后鍋爐都有比較高的熱效率。圖1-2不同過量空氣系數(shù)下的煙氣水蒸氣含量3.燃氣設備排煙中的熱能回收潛力天然氣的高位發(fā)熱值(HHV) 一般是指 (101.325kPa，20) 1 m3的干氣體和空氣完全混合燃燒，燃燒產(chǎn)物冷卻到剛開始時的放熱溫度，燃燒后水蒸氣冷凝至液體狀態(tài)時向環(huán)境所產(chǎn)生的熱量。低位發(fā)熱值與高位發(fā)熱值的定義相似，但如果燃燒后生成的水蒸氣依然保持氣體狀態(tài)時

21、，水蒸氣的汽化潛熱將回收不到。普通的換熱器燃燒時，燃料高位熱值的80%85%傳遞給了工質(zhì)，其余的熱量直接通過表面的散熱和排煙損失釋放到環(huán)境中去。對于燃用天然氣的設備，煙氣中水蒸氣所攜帶的熱損失占整個排煙熱損失的55%75%，具體的數(shù)值取決于排煙溫度與過量空氣系數(shù)。對于擁有比天然氣更低的碳氫比燃料，例如，某些燃油，這一份額會低一些；而對于擁有比較多含水量的燃料，例如，某些固體燃料，這一份額會高一些；圖1-3給出了熱回收的一般，圖1-4 熱效率提高潛力隨進口煙溫變化狀況，通過這個可以天然氣燃燒系統(tǒng)的熱效率有很大的提高潛力 16。能否將回收的熱能利用是需不需要采用冷凝式煙氣余熱回收裝置前提條件。水蒸

22、氣的潛熱熱量能夠回收的多少取決于冷凝式煙氣余熱回收裝置利用率和利用溫度。若利用溫度靠近排煙的露點溫度，回收到的熱量會很少。利用溫度越低，回收的熱量就會越多。因此，在低溫下預熱冷水能得到比較高的回收率，然而在比較高的溫度之下時能使可以回收的熱量減少。 圖1-3 熱回收潛力 圖1-4 熱效率提高潛力隨進口煙溫的變化影響煙氣的物性強迫對流凝結(jié)傳熱無因次準則是由顯熱交換與潛熱交換的相對大小決定。最近的研究表明，煙氣對流凝結(jié)換熱系數(shù)與單相對流換熱相比，可達1.73倍17，其大小隨著煙氣的雅格布準則數(shù)的增大而增大。所以，排煙熱能有個很大的利用潛力，且在相同熱能被回收時，冷凝式換熱器所需換熱面積比普通換熱器

23、要小得多。1.3.2 燃氣冷凝式鍋爐在國內(nèi)外的發(fā)展歷史及應用現(xiàn)狀在 20世紀70年代末產(chǎn)生一種新的高效節(jié)能型熱水器，其能把排煙溫度降到60以下，與普通熱水器相比要節(jié)能15%左右。而最具有代表性的是1979年荷蘭Gasunie公司研發(fā)的樣機，這種樣機能使離開第一個換熱器的煙氣溫度在100150左右，第二個換熱器的出口排煙溫約為5060 。這種鍋爐的回水溫度比較低，到1984年10%的住宅供熱鍋爐是這種鍋爐，其它的建筑達到25%以上16。隨著更成加熟的設備產(chǎn)生，冷凝式鍋爐被普遍的應用于西方發(fā)達國家的許多方面。從20世紀80年代起，法國從只有幾千臺冷凝式鍋爐迅速的發(fā)展到只要是能確保有天然氣供應條件的

24、新建筑，其供暖設備的系統(tǒng)都已采用冷凝式燃氣熱水鍋爐，且近幾年來運行效果極好。1985年，荷蘭冷凝式鍋爐每年的生產(chǎn)量為2.5萬臺/年，到1995年止，經(jīng)過十年的不斷發(fā)展冷凝式鍋爐被普遍地應用在工業(yè)建筑、住宅等領(lǐng)域，其中工業(yè)建筑供暖的設備數(shù)量超過15萬臺，在工業(yè)建筑供熱鍋爐占比約為25%；住宅供暖設備甚至超過230萬臺被應用，占住宅供暖鍋爐的大約10%，冷凝式鍋爐的普遍應用使荷蘭每年約節(jié)省20億Nm3天然氣。西方許多國家通過不斷的實驗和模擬分析與研究，都不斷的研發(fā)出適合自己國家發(fā)展需要的冷凝式鍋爐。美國冷凝式燃氣熱水鍋爐的供暖系統(tǒng)普遍應用比歐洲稍晚，但隨著美國的科技的進步，擁有當前世界上很多形式的

25、冷凝式燃氣供熱鍋爐的先進技術(shù)。我國的能源結(jié)構(gòu)一直都是以煤為主，到20世紀90年代初，天然氣消耗量才不斷增加，用于供熱的天然氣鍋爐的數(shù)量也開始增加，才逐漸開展冷凝式鍋爐的研發(fā)工作。近年來隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整與施行節(jié)能減排政策，以及天然氣使用鼓勵政策的推行，國內(nèi)有一些企業(yè)開始研發(fā)冷凝換熱熱回收裝置，并應用在實際工程，取得了不錯的效果18。最初具有冷凝式鍋爐的節(jié)能燃氣鍋爐是由陜西省能源中心的高級工程師吳仰天研發(fā)的，其排煙溫度可降低到45 65，燃氣鍋爐的極限熱效率可以超過100 % 19。車得福、林宗虎等23研究了回收天然氣鍋爐煙氣余熱的可行性和經(jīng)濟性。北京建筑大學王隨林等17研究天然氣供暖方式與

26、天然氣的高效利用，燃氣鍋爐熱效率可以提高5%左右，可去除8.7%左右的氮氧化物，研究表明對流換熱系數(shù)，有水蒸氣凝結(jié)時煙氣對流換熱系數(shù)與無凝結(jié)時對流換熱系數(shù)，兩者的比最大可到達4。寇廣孝等24提出了怎樣去提高不同燃料的冷凝式鍋爐熱效率的方法，并且指出了目前計算方法的缺陷。趙軍25通過對供熱燃氣鍋爐在吸收式熱泵機組技術(shù)、煙氣冷凝換熱器技術(shù)及煙氣余熱利用和脫硝一體技術(shù)在煙氣余熱回收利用實例的應用研究與分析得出：(1)在排煙煙道上增加與一次熱網(wǎng)水換熱的余熱回收裝置，將排煙溫度降低到約6070，可使鍋爐效率提高約3%。但為了保證鍋爐的安全運行，在設計時必須復核其燃燒器對尾部受熱面增加的煙氣阻力的適應性、

27、考慮到低溫腐蝕，排煙溫度應高出煙氣露點溫度510左右。(2)采用了煙氣余熱深度利用技術(shù)，可將鍋爐排煙溫度降低至30以下或者更低，則鍋爐效率提高約 10%以上。(3)采用煙氣余熱深度利用脫硝一體化技術(shù)，可將鍋爐排煙溫度降到30以下甚至更低，鍋爐效率提高約10%；同時還可將煙氣中NOx 的濃度大幅度降低，環(huán)保效益顯著。第二章 燃氣鍋爐煙氣分析及余熱潛力計算2.1 燃氣鍋爐煙氣計算以天然氣為燃料，排煙溫度比煙氣露點溫度低的鍋爐稱為冷式燃氣鍋爐，并且通過回收煙氣中的顯熱和潛熱，從而使鍋爐的熱效率得以提高。煙氣成分及熱物性參數(shù)進行計算，從而可以分析出冷凝式燃氣鍋爐的余熱回收潛力。如果燃燒空氣量是理論空氣

28、量，燃氣完全燃燒的產(chǎn)物即為理論煙氣量。理論煙氣量主要是SO2、N2、H2O和CO2組成。然而在實際燃燒的過程中，為了確保燃料完全燃燒，空氣系數(shù)一般比1大，所以實際煙氣中還剩有未參加燃燒的氧氣。2.1.1 天然氣成分分析以西氣一線的天然氣為例計算實際煙氣量和理論煙氣量的值。該天然氣的成分與各成分的體積分數(shù)見表2-1。表2-1天然氣的成分及其體積分數(shù)27燃氣成分CH4C2H6C3H8C4H10C5H12CO2N2體積分數(shù)(%)96.231.770.300.140.130.470.96完全燃燒1Nm3該天然氣需要的理論空氣量： Vk0=1212CH4+3.5C2H6+5C3H8+6.5C4H10+8

29、C5H12 (2-1)由式(2-1)計算得出燃燒該天然氣時的理論空氣量為Vk0= 9.63 Nm3/ Nm3。該天然氣的高位發(fā)熱量為Qgr=38.20MJNm3，低位發(fā)熱量為Qdr=34.43MJNm3，兩者的差值H為3.77MJ/Nm3，這個值就是水蒸氣汽化潛熱的值。在一般排煙溫度下，水蒸氣表現(xiàn)為過熱的狀態(tài)，所以可用公式(2-2)求汽化潛熱值占低位發(fā)熱量的比例。 =Qgr-QdrQdr100% (2-2)對于西氣一線的天然氣，通過上式計算得出=10.95%，這說明普通的燃氣鍋爐每燃燒1Nm3天然氣產(chǎn)物中帶走的汽化潛熱占燃氣低熱值Qdr的10.95%，就意味著在普通的燃氣鍋爐中，主要的熱損失是

30、由汽化潛熱損失造成的。同時，如果有效的利用部分汽化潛熱，那么能提高鍋爐熱效率。通過公式(2-3)計算冷凝式鍋爐的極限熱效率。 =QgrQdr100% (2-3)根據(jù)式(2-3)計算得出冷凝式燃氣鍋爐的極限熱效率為110.95%，但在實際的燃燒過程中由于有各種熱損失，熱效率一般不會到極限值。極限熱效率是通過冷凝式燃氣鍋爐回收干煙氣的顯熱與煙氣中顯熱和水蒸氣的汽化潛熱來定義的，鍋爐熱效率可以達到的最大值。如果以燃料的低位發(fā)熱量為標準，極限熱效率可能超過100%。2.1.2 天然氣燃燒產(chǎn)物計算本文中的煙氣是天然氣在鍋爐內(nèi)完全燃燒后的產(chǎn)物。理論煙氣成分為N2，H2O，CO2和SO2。在分析煙氣時，SO

31、2和CO2通常合在一起進行分析，且SO2和CO2有很多相似的地方，因此SO2和CO2統(tǒng)稱為三原子氣體，用RO2示28。對于燃氣鍋爐，因為西氣一線供應的天然氣含硫量很少，所以SO2基本可忽略，所以鍋爐排煙的RO2就只有CO2。在實際運行中為了確保燃料充分有效的燃燒，實際空氣量與理論空氣量的比一般都是大于1的，該比例稱為過量空氣系數(shù)。在燃燒完成后會有剩余的空氣，這時煙氣中還有剩余的氧氣，此時的煙氣量稱為實際煙氣量。如果燃燒不完全，煙氣中會含有CO，CH4和H2等未燃盡的可燃成分29。 下面以西氣一線的天然氣為例，計算天然氣燃燒后的理論煙氣量、理論空氣量及實際煙氣量，并且分析了燃燒后的產(chǎn)物。(1)理

32、論空氣量由上文可知，燃燒該天然氣時的理論空氣量為Vk0= 9.63 Nm3/ Nm3。(2)實際空氣量為了確保燃料燃燒效率，通常使鍋爐實際的送風量比理論空氣量大。實際空氣量與理論空氣量的比值稱為過量空氣系數(shù)，用表示。依據(jù)式(2-4)求得實際空氣量： Vk=Vk0 (2-4)實際運行時，燃氣鍋爐的過量空氣系數(shù)通常為1.051.25，則根據(jù)式(2-4)，計算得到，天然氣燃燒所需要的實際空氣量Vk=10.1112.04Nm3。(3)理論煙氣量在理論空氣量下，天然氣完全燃燒后的產(chǎn)物中一般會有氮氣水蒸氣和三原子氣體。三原子氣體體積為：VRO2=VCO2+VSO2=0.01CO2+CO+mCmHn+H2S

33、 (2-5)式中 VRO2 三原子氣體體積(Nm3)；VCO2 、VSO2 二氧化碳和二氧化硫的體積(Nm3)；CO2、CO、CmHn、H2S 燃氣中各成分的體積分數(shù)(%)。根據(jù)公式(2-5)計算可得燃燒該燃氣時的理論煙氣中三原子氣體只有CO2，體積為VRO2=1.02 Nm3。水蒸氣的體積為：VH2O0=0.01H2+H2S+n2CmHn+120dq+VK0da (2-6)式中 H2 氫氣體積分數(shù)(%)；dq 燃氣的含濕量( kg/Nm3)，取0. 02kg/Nm3 ；da 空氣的含濕量( kg/Nm3)，取0.01 kg/Nm3。根據(jù)公式(2-6)計算得到，理論煙氣中水蒸氣體積為VH2O0

34、=2.00Nm3 / Nm3。氮氣體積為：VN20=0.01N2+0.79Vk0 (2-7)式中VN20 氮氣的體積(Nm3)。根據(jù)公式(2-7)計算得，實際煙氣中的氮氣體積為VN20= 7.62Nm3。理論煙氣量為： Vy0=VRO2+VH2O0+VN20 (2-8)由公式(2-8)計算得到，每1Nm3天然氣充分燃燒時產(chǎn)生的理論煙氣量為Vy0=10.65 Nm3。(4)實際煙氣量因為空氣中H2S 、CmHn、CO2、CO的含量較少，可忽略不計，因此在實際的燃燒過程中，煙氣中的三原子氣體體積，仍然可按公式(2-6)計算。水蒸氣的體積為：VH2O=0.01H2+H2S+n2CmHn+120dg+

35、VK0da (2-9)式中 過量空氣系數(shù)，取1.1。由公式(2-9)計算得到，實際煙氣中水蒸氣體積為VH2O=2.16 Nm3。氮氣體積為：VN2=0.01N2+0.79Vk0 (2-10)根據(jù)公式(2-10)計算可得，實際煙氣中氮氣的體積為VN2= 8.38Nm3。過量氧氣的體積為：VO2=0.21-1VK0 (2- 11)式中VO2 實際煙氣中過量氧的體積(Nm3)。通過公式(2-11)計算可得，實際煙氣中過量氧的體積為VO2=0.20Nm3。實際煙氣量為：Vy=VRO2+VH2O+VN2+VO2 (2-12)由式(2-12)計算出，每1Nm3天然氣燃燒后產(chǎn)生的實際煙氣量為Vy=11.76

36、 Nm3。2.2 燃氣鍋爐煙氣余熱計算2.2.1 煙氣余熱回收潛力計算以南京某高校的燃氣鍋爐的煙氣余熱回收為例進行計算與分析，這個燃氣鍋爐型號為WNS2-1.25-YQ，額定蒸發(fā)量為2t/h，額定蒸汽壓力為1.25MPa，額定蒸汽溫度為194，出口排煙溫度為180，額定工況下天然氣用量為160Nm3。然后對這個燃氣鍋爐進行煙氣余熱的計算。由式(2-1)(2-12)計算這臺鍋爐額定工況下的煙氣成分含量與空氣量，結(jié)果如下表2-2所示。表2-2每小時所需空氣量和生成的煙氣量(Nm3)項目空氣量N2CO2O2水蒸氣煙氣總量理論數(shù)值1540.841218.80163.760.00320.721703.2

37、8=1.101694.921340.52163.7632.36344.901881.54=1.201849.011462.25163.7664.72346.752037.47表2-3 =1.1 時鍋爐煙氣成分百分比項目N2CO2O2水蒸氣煙氣總量容積分數(shù)71.25%8.70%1.72%18.33%100.00%摩爾質(zhì)量28.0144.0132.0018.0227.64質(zhì)量分數(shù)72.20%13.86%1.99%11.95%100.00%根據(jù)上面的表2-2和表2-3得知，如果忽略空氣含有的水，則煙氣中的水蒸氣的質(zhì)量和過量空氣系數(shù)沒關(guān)系，而且隨著過量空氣系數(shù)不斷提高，水蒸氣的體積分數(shù)就不斷的減小。(

38、1)顯熱計算若煙氣看作理想氣體，理想氣體的真實摩爾比熱和質(zhì)量比熱可根據(jù)式(2-13)計算：CP，mi=Ri+iT+iT2+iT3+iT4 (2-13)CPi=Cp，mMi (2-14)式中 i、i、i、i、i 煙氣某一組分比熱系數(shù)； Mi 煙氣某一組分的摩爾質(zhì)量，kg/ mol； Cp，m 煙氣某一組分在某一溫度下的摩爾比熱，kJ/ (molK) ； CPi 煙氣某一組分在某一溫度下的質(zhì)量比熱，kJ/ (kgK) ； T 煙氣的絕對溫度，K。由式(2-15)可以求得混合氣體煙氣各組分真實摩爾比熱和其質(zhì)量分數(shù)：CP=Cpiri (2-15)式中ri 煙氣各組分的質(zhì)量分數(shù)。南京地區(qū)大氣壓力接近1標

39、準大氣壓，如果過量空氣系數(shù)取=1. 1時，煙氣中水蒸氣的分壓力為0. 017319MPa，這時煙氣的露點溫度為57.60。由煙氣露點溫度，分別取五個不同的排煙溫度，以及冷凝換熱器以前的排煙溫度180，查詢在這些溫度下的煙氣的比熱，由(2-13)(2-15)的公式計算，如表2-4所示。表2-4煙氣的定壓比熱CP定壓比熱CPkJ/(kg )溫度/二氧化碳18060504030200.980.8790.8690.860.850.84水蒸氣1.9281.8741.8711.8761.8641.861氧氣0.9580.9250.9230.9210.9180.916氮氣1.051.041.041.041.

40、041.04煙氣1.1351.1071.1051.1031.1021.1由式(2-16)求出煙氣的顯熱：Qxr=CpmT (2-16)回收的顯熱占燃料低位發(fā)熱量的比例，即因為回收顯熱能提高鍋爐效率的百分比按式(2-17)計算：xr=QxrQdr100% (2-17)鍋爐每小時天然氣消耗量為160Nm3，燃料的低位發(fā)熱量為34.43MJ/Nm3，每小時天然氣完全燃燒放出的低位熱量為5.51GJ。由式(2-16)計算得出燃氣鍋爐在額定工況時，冷凝式換熱器在不同的設計排煙溫度下所能回收的熱量和燃氣鍋爐效率能提高的值 30、31，如表2-5所示。表2-5各排煙溫度下煙氣的顯熱損失值排煙溫度/18060

41、50403020顯熱量/GJ1.1140.8040.7780.7530.7280.703可回收量/GJ0.0000.3100.3350.3610.3860.411鍋爐效率提高/%0.0005.6406.1106.5707.0307.490(2) 潛熱計算氣化潛熱是指將lkg飽和水完全變?yōu)轱柡退魵夂罂偣参盏臒崃俊Ｍㄟ^回收煙氣的余熱中的潛熱與顯熱，從而實現(xiàn)對煙氣中的余熱進行回收與利用。由上面的計算可知，當過量空氣系數(shù)=1. 1時，露點為57.60，煙氣中水蒸氣的容積成分為18.57%。在冷凝式換熱器中，如果將煙氣排煙溫度降到比露點溫度還低時，則煙氣中的水蒸氣就能冷凝，并且釋放出汽化潛熱，從而可

42、以極大的提高換熱器余熱回收的量，汽化潛熱隨著壓力的升高而不斷減小。當煙氣中水蒸氣的氣化潛熱被回收并利用后，鍋爐熱效率顯著提高32。通過式(2-18)能計算出汽化潛熱： Qqr=mH2O (2-18)根據(jù)式(2-19)計算鍋爐熱效率的提高：qr=QqrQxr100% (2-19)為了確定該燃氣蒸汽鍋爐排煙熱能回收的價值，下面計算不同排煙溫度下的鍋爐熱效率的提高百分比，如圖2-1所示。通過計算結(jié)果曲線可得出，曲線中有兩個比較明顯的區(qū)域，第一在排煙溫度在60左右時，鍋爐熱效率提高百分比的值發(fā)生巨大變化，第二在60180范圍內(nèi)變化很平緩，而在2060范圍內(nèi)變化曲率較大。當排煙溫度比煙氣的露點溫度低時，

43、煙氣中的水蒸氣中汽化潛熱將冷凝釋放出來，當這部分熱量被有效的回收利用時，明顯的可以看出鍋爐熱效率得到提高。同時當煙氣被回收時溫度比露點溫度低時，鍋爐熱效率比只回收顯熱時的熱效率要低很多，這顯示出汽化潛熱損失比煙氣顯熱損失大。由曲線的趨勢可以發(fā)現(xiàn)，隨著逐漸降低排煙溫度，潛熱換熱量占總換熱量的比例就不斷的增大，而當煙氣溫度降到一定值后逐漸穩(wěn)定。這時，如果排煙溫度繼續(xù)降低，則煙氣的顯熱換熱量相對于總換熱量就沒有回收優(yōu)勢。圖2-1不同排煙溫度下的鍋爐熱效率提高百分比如果從冷凝的方向來看，隨著冷凝的進行，煙氣中水蒸氣占比逐漸降低，煙氣的分壓力就會減小，則煙氣露的點溫度也會減小，冷凝也會逐漸的困難。在冷凝

44、換熱過程中煙氣中的水蒸氣，先是通過煙氣中不凝性氣體，然后達到冷卻壁面后開始冷凝，凝結(jié)成液態(tài)的水珠。凝結(jié)換熱不斷的進行使析出的液體不斷增加，凝結(jié)水珠就不斷形成液膜。在液膜表面附近的煙氣中，隨著換熱的不斷進行，水蒸氣的含量逐漸降低，然后產(chǎn)生由一層不凝性氣體組成的氣膜。這時，煙氣中的水蒸氣穿過氣膜和液膜就會產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象，增加了煙氣凝結(jié)換熱的阻力。因此，煙氣中水蒸氣含量越高，與壁面處的水蒸氣濃度差越大，則水蒸氣凝結(jié)的推動力就越大，煙氣凝結(jié)換熱就越強。從圖2-2中可知，空氣過量系數(shù)的不斷增大，水蒸氣的體積分數(shù)也不斷減小，凝結(jié)換熱也不斷減弱。同時，空氣過量系數(shù)減小使煙氣量減小，這使得排煙所帶走的熱損失也相

45、應的減小，而且由于煙氣量減少，換熱器中煙氣的流速也減小，因此與換熱壁面接觸的時間增加，這將使換熱更加充分，回收的余熱量也將增加。所以燃氣鍋爐燃燒時的空氣過量系數(shù)不應該太高。圖2-2煙氣中水蒸氣體積分數(shù)隨空氣過量系數(shù)的變化2.2.2 冷凝式換熱器熱平衡計算燃氣鍋爐煙氣余熱回收比較經(jīng)濟的方式是加熱鍋爐送風或者預熱鍋爐給水，為了確保換熱器經(jīng)濟與安全性，加熱后的水或空氣溫度不應該過高，在常壓下最高可加熱到90左右。鍋爐給水溫度以常溫計算，取15。把煙氣的溫度降到不同的溫度時，可加熱空氣量mg或水量mw可根據(jù)式(2-20)和式(2-21)計算：mw=Qxr+QqrCpw90-15 (2-20)mg=Qx

46、r+QqrCpg90-15 (2-21)取定壓比熱值下的定性溫度為(90+15 )/2=52. 5，空氣的定壓比熱容Cpg和水的定壓比熱容Cpw為通過表可知，其值分別為4. 182kJ/ (kg)和1. 202kJ/ (kg)，按照式(2-20)和式(2-21)，計算當煙氣被降低到不同的設計溫度時，能加熱的空氣量mg或水量mw，如表2-6所示。表2-6設計排煙溫度下可加熱給水和空氣量排煙溫度/6050403020回收熱量/GJ0.3100.6940.8250.9140.921可加熱水/kg1011.4261627.2912238.0322653.3352936.871與鍋爐給水量相比0.510

47、0.8101.1201.3301.470可加熱空氣/Nm32727.8714388.8936036.0957156.1927920.904與鍋爐實際空氣量相比1.7002.7403.7704.4704.940通過上表可以看出，不能通過鍋爐送風而使煙氣溫度降低到冷凝溫度以下，水蒸氣的汽化潛熱將不能有效的被回收，因此，僅僅通過送風來作為低溫熱源不能確保冷凝式換熱器的正常工作。若以鍋爐給水當作低溫熱源，如果排煙溫度減小到大約42.5時，回收的熱量就可將全部鍋爐給水熱至90，僅依靠鍋爐的給水作為低溫熱源，不能將鍋爐煙氣溫度降得很低；同時由于季節(jié)的不斷變化，鍋爐給水溫度也在不斷的變化，在夏季溫度比較高時

48、，由于鍋爐的給水吸熱能力降低，這種設計的排煙溫度就會升高，回收的汽化潛熱量就會減少。所以僅僅使用鍋爐給水作為冷凝式換熱器的冷源，得不到很好的節(jié)能效果，冷凝式換熱器的工作情況會受到較大的外界因素的影響。第三章 冷凝式煙氣余熱回收裝置設計與分析3.1 換熱器概述在工程當中，熱交換器是指將一種流體的熱量以特定的傳熱方式傳遞給另外一種流體的設備。在這種設備中，有不少于兩種溫度不同的流體共同傳熱。其中一種溫度比較高的流體釋放出熱量；而另外一種溫度低一些的流體，吸收熱量。換熱器是主要以傳熱為主要目標的設備，其普遍應用在工業(yè)生產(chǎn)中，比如鍋爐設備的空氣預熱器、省煤器、過熱器等，應用在電廠熱力系統(tǒng)中的除氧器、冷

49、卻塔、給水加熱器等都是換熱器實際的應用。在各種生產(chǎn)與應用中，合理設置熱交換過程并且利用與回收余熱，可以更大的發(fā)掘能源利用的潛力，這個和換熱器設計與使用息息相關(guān)。隨著科學技術(shù)與工業(yè)水平的迅速發(fā)展，要求不同的換熱器類型和結(jié)構(gòu)都要與其工藝相適合，流體的種類和運動、設備的溫度與壓力、耐磨損等都要滿足生產(chǎn)制造過程的需求。近年來科學技術(shù)不斷發(fā)展，促進了能夠適應低溫低壓與高溫高壓等惡劣條件緊湊式換熱器的進步。雖然有各種各樣的換熱器，但是換熱器還可按照其一些相同特征進行區(qū)別33。 (1)由熱交換器制造材料分為，金屬換熱器、塑料換熱器等，其中以鋼作為換熱器的材料的應用最普遍。(2)根據(jù)用途分類，換熱器可以分為冷

50、凝器、預熱器、冷卻器等。蒸發(fā)器與冷凝器是具有相變的換熱過程，其換熱系數(shù)比較大。(3)由溫度狀況分為：溫度工況不穩(wěn)定的換熱器，傳熱面上的熱流與溫度都隨時間而變化；熱流溫度的大小與其在一定的熱交換區(qū)內(nèi)不隨時間而變，稱為溫度狀況穩(wěn)定的換熱器。(4)按照冷熱流體和熱流體的流動的方向不同，可以分為：順流式：兩種流體相互平行的向同一個方向流動，如圖3-1 (a)所示；逆流式：兩種流體同樣是平行的流動，但是它們流動的方向是相反的，如圖3-1 (b)所示；錯流式：兩種流體的流動的方向是互相垂直交叉的，如圖3-1(c)所示。當交叉次數(shù)在四次以上時，可依據(jù)兩種流體流向的總趨勢可將其看成順流式或逆流式，如圖3-1(

51、d)及(e)；混流式：兩種流體在流動過程中既有順流，也有逆流，如圖3-1 (f)及(g)所示。圖 3-1 流體的流動方式(5)根據(jù)熱量傳遞的方式，換熱器可分為蓄熱式、間壁式、混合式三類，這是換熱器最主要的一種分類方法。蓄熱式換熱器：這種換熱器具有固體壁面，兩種流體輪流的和壁面?zhèn)鳠?。當熱流體通過固體壁面時，熱量傳給固體壁面，壁面溫度變高，當冷流體流過時，熱量從固體壁面?zhèn)鹘o冷流體，從而壁面溫度變低，就這樣反復進行換熱?；旌鲜綋Q熱器：在這種換熱器內(nèi)通過冷熱流體直接接觸換熱，混合式的換熱器沒有接觸熱阻，換熱系較大，應用在冷熱兩種流體可互相接觸的地方。由于這種換熱器中的冷熱介質(zhì)互相接觸，所以在工業(yè)上應用

52、受到限制。間壁式換熱器：有一個固體壁面在熱流體和冷流體之間，一種流體總是在壁面的一側(cè)流動，而另一種流體在壁的另一側(cè)流動，這兩種流體不直接接觸，通過壁面進行熱量的傳遞。因為間壁式換熱器的冷熱流體不會直接接觸，兩者的流動狀態(tài)相互獨立，因此使用范圍廣泛、是使用量最多的一類換熱器。間壁式換熱器可根據(jù)傳熱壁面的形狀為板式換熱器、管式換熱器、夾套式換熱器以及各種各樣異型傳熱面組成的特定的換熱器。燃氣鍋爐用水作為冷卻介質(zhì)時加裝的冷凝式換熱器，有些采取直接接觸式的冷凝換熱器，這種換熱器具有冷凝效果好，不存在管壁熱阻與污垢熱阻，所以換熱系數(shù)較大，熱能回收成效好，與此同時煙氣經(jīng)過水洗之后，煙氣中NOx、煙塵等污染

53、物大多數(shù)溶解在水中，環(huán)保效果顯著，對于對水的品質(zhì)沒有太高要求的地方節(jié)能效果顯著，并且煙氣中冷凝出來的水也可被利用。然而直接接觸式冷凝換熱器的水會被煙氣污染，對水質(zhì)要求較高的地方無法直接利用冷凝水，需要增加二次回路，增大了管理與投資難度。為確保水質(zhì)，減少運行和管理的成本，本文在研究時，選擇熱管式和翅片管式等換熱器作為研究對象。3.2 熱管式換熱器3.2.1熱管工作原理1、工作原理熱管是一種具有很高的導熱性的傳熱器件，其應用已經(jīng)從用于宇航的熱控制，擴廣到最近的化學工程、余熱回收、石油化工等行業(yè)，且效果顯著。熱管換熱器的最基本元件是熱管，其一般是一根有翅片或沒有翅片的一般圓管，其最重要的結(jié)構(gòu)在管內(nèi)。圖3-2 表示一種典型的吸夜芯熱管。它由管芯、管殼和蒸汽通道所構(gòu)成。從傳熱工況方面看，熱管可分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段三個部分。熱管工作的過程中，工作液體受熱蒸發(fā)，并且向冷凝段流，達到冷凝段后由于又受到冷卻使蒸汽凝結(jié)成液體，液體通過多孔材料毛細力的作用流回到蒸發(fā)段。就這樣不斷循環(huán)，就可以把熱量從熱管的一端傳遞到另一端。由于汽化潛熱較大，所以就算溫差很小也能把大量的熱量從熱管的蒸發(fā)段傳遞到冷凝段。熱管熱