燃氣鍋爐冷凝器設計及系統(tǒng)

-.z.燃氣鍋爐冷凝器及系統(tǒng)設計天然氣鍋爐的冷凝回收裝置發(fā)源于歐洲。荷蘭、英國、德國、法國、奧地利等國家于上世紀70年代，開發(fā)家用冷凝式鍋爐，到80年代末期90年代初期，冷凝式鍋爐除了具有傳統(tǒng)鍋爐的共性之外，更是制熱機理的大膽革命與突破。在一些能源利用率較高的歐美國家，燃氣冷凝式余熱回收的熱水鍋爐其熱效率高達103%以上，此外在煙氣中的CO2和NO*等有害成份也大大降低，這對環(huán)保來說是非常有利的。在歐美等國，由于政府鼓勵使用冷凝鍋爐，所以需求量不斷增加，至2004年，冷凝鍋爐的使用率瑞士60%，荷蘭50%，德國20%，奧地利(20%)，英國(15%)。冷凝式換熱器是一種低溫熱交換器，傳熱面積大，并使用了價格昂貴的耐腐蝕的不銹鋼材料，雖然價格較高，但這只是一次性投資，其投資回收期一般不超過兩年，節(jié)約的燃料費很快就將投資回收。因為每1Nm3天然氣燃燒后可以產(chǎn)生1.71kg水蒸汽，具有可觀的汽化潛熱，大約為3700KJ，占天然氣的低位發(fā)熱量的10%左右。在排煙溫度較高時，水蒸汽不能冷凝放出熱量，隨煙氣排放，熱量被浪費。煙氣冷凝余熱回收裝置，可以利用溫度較低的水或空氣冷卻煙氣，實現(xiàn)煙氣溫度降低，靠近換熱面區(qū)域，煙氣中水蒸汽冷凝，同時實現(xiàn)煙氣顯熱釋放和水蒸汽凝結潛熱釋放，而換熱器的水或空氣吸熱而被加熱，實現(xiàn)熱能回收，提高鍋爐熱效率。以天然氣為燃料的鍋爐煙氣中水蒸汽容積成分一般為15%~19%，燃油鍋爐煙氣中水蒸汽含量為10%~12%，遠高于燃煤鍋爐產(chǎn)生的煙氣中6%以下的水蒸汽含量。目前鍋爐熱效率均以低位發(fā)熱量計算，盡管名義上熱效率較高(我國按照低位發(fā)熱值計算，煙氣中的水蒸汽帶走的熱量未做計算)，但由于天然氣高、低位發(fā)熱量值相差10%左右，實際能源利用率并不高。為了充分利用能源，降低排煙溫度，回收煙氣的物理熱能，當換熱器壁面溫度低于煙氣的露點溫度時，煙氣中的水蒸汽將被冷凝，釋放潛熱，10%的上下位發(fā)熱量差就能被有效利用。傳統(tǒng)鍋爐中，排煙溫度一般在160～250℃，煙氣中的水蒸汽仍處于過熱狀態(tài)，不可能凝結成液態(tài)的水而放出汽化潛熱。眾所周知，鍋爐熱效率是以燃料低位發(fā)熱值計算所得，未考慮燃料高位發(fā)熱值中汽化潛熱量的熱損失。因此傳統(tǒng)鍋爐熱效率一般只能到達88%～92%。而煙氣冷凝余熱回收裝置，它把排煙溫度降低到30～70℃，充分回收了煙氣中的顯熱和水蒸汽的凝結潛熱。鍋爐熱效率提高比例：1Nm3天燃氣燃燒生產(chǎn)理論煙氣量約10.3Nm3(大約12.5kg)。以過量空氣系數(shù)1.3為例，產(chǎn)生煙氣14Nm3(大約16.6kg)。取煙氣溫度200℃降低至70℃，放出物理顯熱約1600KJ，水蒸汽冷凝率取50%，放出汽化潛熱約1850KJ，總計放熱3450KJ，約是天然氣低位發(fā)熱量的10%。假設取80%煙氣流過(二)冷凝余熱回收原理1、天然氣(LNG)以及其它的燃氣燃料主要是碳(C)和氫(H)兩元素結合而成的化合物，能保持完全燃燒，因其不含硫磺成份，所以不產(chǎn)生在低溫條件下腐蝕金屬的硫酸(H2SO4)和亞硫酸(H2SO3)，是一種清潔的燃料。天然氣的主要成份：CH4+C2H6+C3H8+C4H10+N2甲烷+乙烷+丙烷+丁烷+氮90%+6.8%+2.5%+1%+0.3%=100%2、含在燃氣中的氫(H)在鍋爐部燃燒時與氧結合成水。生成的水從燃燒時產(chǎn)生的熱量(高位發(fā)熱量)中吸收約10%的氣化熱而變成水蒸汽，與排出的煙氣一道排出(冬季水蒸汽與冷空氣相遇而凝結，從煙囪觀察到冒白煙就是這個原因)。燃氣的高位發(fā)熱量-汽化熱(潛熱)=低位發(fā)熱量9450Kcal/Nm3-950Kcal/Nm3=8500Kcal/Nm33、水在高溫煙氣中，吸熱蒸發(fā)為水蒸汽，水蒸汽遇到通過冷空氣或冷水的傳熱面，重新凝結成水而釋放潛熱(汽化熱539Kcal/kg)。冷凝余熱回收鍋爐就是在燃氣鍋爐的排煙通道上設置通過冷水的熱交換器和加熱空氣的空氣預熱器，煙氣在通過熱交換器的傳熱面時水蒸汽重新凝結為水，將其汽化熱(潛熱)釋放出來，并加熱交換器的介質(zhì)(冷水或空氣)。一般情況下，天然氣燃燒排煙中含CO2含量約為10-12%；NO*含量約為60-80PPM，這些有害氣體促成酸雨產(chǎn)生或溫室效應，誘發(fā)大氣臭氧層的破環(huán)或影響臭氧生成。使用冷凝余熱回收鍋爐時，對這一環(huán)境污染有極大的緩解。CO2+H2O→H2CO3NO*+H2O→HNO2+HNO3在上式中可以看出：CO2和NO*在冷凝余熱回收鍋爐的尾部煙道中與冷凝結露的H2O結合生成對應的酸，并隨著凝結水從排放管排出。而煙氣中的有害成份CO2和NO*含量大大咸少,CO2約減少40%，含量由原來的12%下降至6-7%;NO*約減少至20PPM以下。而煙氣中冷凝下來的冷凝水因含H2CO3、HNO2、HNO3呈酸性，一般不宜直接排放。在實際運用過程中，檢測冷凝水排放PH至在6~7為弱酸性，可通過添加MgO、石灰水、石膏等常規(guī)堿性化學物品中和，生成對環(huán)境無害的產(chǎn)物進展排放。從這一點來說冷凝鍋爐同時起著凈化煙氣的作用，國家對環(huán)保要求越來越嚴的今天，更具有推廣價值。(三)冷凝余熱回收節(jié)能裝置原理圖在排煙通路中，設置冷凝余熱回收熱交換器，煙氣在通路通過傳熱面，溫度降至露點溫度以下，含在排煙中的水蒸汽凝結潛熱將冷水或溫水加熱，這就叫余熱回收節(jié)能裝置(又稱冷凝換熱器)。在流程中看到的冷凝節(jié)能裝置在尾部煙道中串聯(lián)布置(前后布置)，將煙氣中的水蒸汽冷凝下來，結露后吸收煙氣中的局部CO2和NO*，干凈了煙氣，起到環(huán)保作用。采暖系統(tǒng)圖熱水統(tǒng)圖〔四〕、節(jié)能特性及工作原理天然氣鍋爐的排煙溫度一般在120℃～250℃，煙氣中有7%～15%的顯熱和11%的潛熱未被利用；我們設計的煙氣冷凝器采用翅片管換熱構造形式換熱，利用生活熱水或采暖水將排煙溫度冷卻至40℃～80低位發(fā)熱量〔低位熱值，PCI〕是指1Nm3天然氣完全燃燒后放出的全部熱量中扣除水蒸氣的汽化潛熱后所得到的熱量。高位發(fā)熱量〔高位熱值，PCS〕是指1Nm3天然氣完全燃燒后冷卻至原始基準溫度時放出的全部熱量，其中包括燃燒產(chǎn)物中水蒸氣冷卻凝結放出的汽化潛熱。熱效率〔R〕是指送入鍋爐的全部熱量中被有效利用的百分數(shù)。由于一般鍋爐的在燃料燃燒后，排煙溫度還相當高，煙氣中的水蒸氣不可能凝結下來，因此，工程計算常采用低位發(fā)熱量作為計算依據(jù)。其冷凝器回收熱量的示意圖如下：鍋爐吸收能量示意圖冷凝器吸收能量示意圖鍋爐吸收能量示意圖冷凝器吸收能量示意圖煙氣損失爐體散熱損失10Kcal水蒸氣汽化潛熱11Kcal煙氣損失爐體散熱損失2Kcal水蒸氣汽化潛熱5Kcal鍋爐吸收熱量90Kcal鍋爐吸收熱量90Kcal吸收總熱量104Kcal空氣天然氣空氣天然氣煙氣回收熱量8Kcal+冷凝回收熱量5Kcal111Kcal111Kcal1.冷凝器裝置的合理設計目標1〕即合理利用能源，又要防止腐蝕，保證設備平安；2〕總壓降較小，動力消耗少，即煙氣壓降小且符合系統(tǒng)要求，這樣即可減少動力消耗，又能保證一定的傳熱量；3〕操作方便；4〕采用傳熱強度高、密集度大的傳熱元件，以保證有較小的外形尺寸和重量；5〕有一定的連續(xù)工作壽命，維修簡單；6〕平安可靠，考慮了熱應力、防腐性能和強度等；7〕盡量減少初投資，制造容易，以最短的時間收回本錢。2.冷凝器裝置的技術特性1〕節(jié)能，采用新型的換熱翅片、排水構造，充分回收煙氣中的潛熱，排煙溫度可降到30℃～70℃；2〕環(huán)保，由于煙氣中的局部水蒸氣變成冷凝水，可以使煙氣中的NO*等有害氣體局部溶解，減少排入大氣的有害氣體；3〕耐用，換熱管采用不銹鋼制作，高效防腐；4〕消聲，翅片的擾流作用能夠局部降低煙氣的排放噪音；5〕采用煙氣下進上出的方式，降低煙氣壓降，減少因需要增加引風機而增加的動力消耗；〔六〕、與國外同類型或一樣功能產(chǎn)品比照的優(yōu)點1〕本節(jié)能裝置為了防止排煙結露的酸性腐蝕和供給無銹清潔熱水，用不銹鋼鋁翅片復合管來制成；2〕與普通翅片管相比，不銹鋼鋁翅片復合管傳熱性能高出2倍以上，3〕耐腐蝕的不銹鋼材質(zhì)延長了其使用壽命；4〕本裝置可組裝在鍋爐上部，縮小占有空間，生成在傳熱面上的凝結水亦可自然排出。5〕煙氣阻力小，對原鍋爐排煙系統(tǒng)影響小，大局部鍋爐房不用增加引風機或增加煙囪高度。高效煙氣冷凝器工程實例說明**究院冷凝器數(shù)據(jù)分析***研究院的逆流煙氣冷凝器的作用是加熱生活用水，鍋爐的排煙溫度為180℃，經(jīng)過逆流煙氣冷凝器后的煙氣溫度為51℃，進入冷凝器的水溫度為30℃，流出冷凝器的水溫度為33.5℃，冷卻水流量為21.6m3/h，可以計算出這時冷卻水吸收的熱量87.78kw，這時鍋爐的輸出功率為1100KW,所以這時該冷凝器熱回收率為8%，每小時可節(jié)省燃氣9.8Nm3，***醫(yī)院冷凝器節(jié)能數(shù)據(jù)分析醫(yī)院鍋爐房有2臺5600KW、2臺2800KW的熱水鍋爐和2臺2t/h的蒸汽鍋爐。每臺熱水鍋爐和蒸汽鍋爐上均安裝了相應煙氣冷凝器。安裝在熱水鍋爐上的冷凝器的作用是加熱空調(diào)系統(tǒng)二次側(cè)回水；安裝在蒸汽鍋爐上的冷凝器的作用是加熱鍋爐房補水箱的系統(tǒng)補水。在08~09采暖季鍋爐運行過程中，在2009年3月25日我公司技術人員現(xiàn)場實測得到1臺5600KW的熱水鍋爐和1臺2t/h的蒸汽鍋爐安裝冷凝器后的運行數(shù)據(jù)，如下：1、5600KW熱水鍋爐運行數(shù)據(jù)：鍋爐的排煙溫度150℃，經(jīng)過煙氣冷凝器后的排煙溫度降至50℃，進入冷凝器的水溫為40℃，冷凝器的出水溫度為2、2t/h蒸汽鍋爐運行數(shù)據(jù)：鍋爐的排煙溫度137℃，經(jīng)過煙氣冷凝器后的排煙溫度降至60℃，進入冷凝器的水溫為50℃，冷凝器的出水溫度為60根據(jù)以上數(shù)據(jù)經(jīng)計算可以得出以下的節(jié)能分析:1、經(jīng)過5600KW熱水鍋爐冷凝器的水吸收的熱量為448KW，這時鍋爐的輸出功率為5600KW,所以這時冷凝器的熱回收效率為8%，每小時可節(jié)省燃氣50Nm3,按鍋爐每天運行10小時，每