冷凝式燃氣鍋爐與普通三回程燃氣鍋爐運行分析

文_李旭剛 北京希克斯科技有限公司

1 普通臥式濕背式三回程燃氣蒸汽鍋爐消耗

某制藥有限公司現有兩臺20t/h臥式濕背式三回程燃氣鍋爐，一用一備方式運行,主要目的用于滿足本公司生產用蒸汽。按照制藥行業連續生產的運行方式，平均每年實際運行時間300d左右，鍋爐實際運行負荷率大約在75%左右，統計實際年消耗蒸汽量為108000t。按照鍋爐實際運行數據情況和國產燃氣鍋爐生產廠家提供的設計數據，以及北京市大規模“煤改氣”后進行的鍋爐熱效率實際測試結果，國內普通臥式內燃濕背式三回程天然氣蒸汽鍋爐實際運行效率大約為88%～90%（熱水鍋爐熱效率稍高），折合燃氣成本耗量為81.65m3/h。所以該公司20t/h鍋爐運行每小時實際天然氣耗量為81.65×20＝1633m3，按照北京市工商業企業天然氣價格標準，天然氣單價為3.23元/m3，20t/h燃氣蒸汽鍋爐在75%負荷率運行時每小時天然氣成本費用為1633×3.23×75%＝3955.94元，全年燃料成本高達2848.2768萬元。

與常規燃氣熱水鍋爐被加熱介質溫度較低有很大不同，常規臥式三回程結構的燃氣蒸汽鍋爐的煙溫度都較高。由于臥式內燃三回程燃氣鍋爐為對流或者輻射換熱結構所限，鍋爐排煙溫度一般要高于被加熱介質溫度（蒸汽溫度）至少不低于50℃，在常規蒸汽壓力0.5MPa條件下，飽和蒸汽溫度對應為160℃。因此,普通臥式內燃三回程燃氣蒸汽鍋爐排煙溫度不會低于200℃。為了有效地利用熱能，節約能源，提高燃氣鍋爐熱效率，一般都在鍋爐尾部加裝煙氣余熱回收裝置。但是值得注意的是，采用常規的余熱回收裝置回收煙氣中的熱量在傳統上處于只回收部分顯熱，并無水蒸汽冷凝的范圍，這樣下來，也僅僅使鍋爐的熱效率增加2%～5%，而大量的未被回收的熱能仍然存在于這些裝置下游的鍋爐排煙煙氣中。而且普通煙氣余熱回收裝置的初期投資較大，回收期比較長。如20t/h蒸汽鍋爐的煙氣余熱回收裝置的初投資一般都在30萬～60萬元，投資回收期都長達5～8年。

2 冷凝式燃氣蒸汽鍋爐的燃氣鍋爐消耗

冷凝型鍋爐不僅可回收燃燒燃氣中所含水蒸氣的凝結潛熱和排煙余熱得到較高的熱效率,而且大幅度降低了排煙中其他有害物質,因此,在現代的供熱技術領域中，冷凝型鍋爐得到越來越廣泛的應用，呈現出良好的發展前景。

2.1 冷凝型鍋爐節能原理

按照熱工計算原理，鍋爐排煙溫度每降低13～15℃就可節能1%，對于一般傳統4t/h蒸汽鍋爐，根據北京節能環保中心和北京市煤炭節約監測站對北京市數百家單位的實際測試結果標明，普通臥式濕背式三回程天然氣蒸汽鍋爐實際運行排煙溫度均在180～270℃，普通天然氣熱水鍋爐實際運行排煙溫度在120～150℃。而根據實際測試結果，冷凝型蒸汽鍋爐的排煙溫度卻只有70℃左右，冷凝型熱水鍋爐排煙溫度更低。表面看來，在排煙溫度200℃左右溫降50℃的節能效果似乎與排煙溫度在100℃左右溫降50℃的差異不大，但實際節能效果差別非常懸殊，為什么？這就是冷凝型鍋爐實際節能效率非常高的奧秘所在。

2.2 從冷凝型鍋爐的獨特設計看節能效果的差異

為什么冷凝型鍋爐節能？為什么大多數普通燃氣鍋爐單獨增加尾部余熱回收裝置以后，仍然遠遠達不到真正冷凝式燃氣鍋爐實際節能效果？大多數人的回答都比較簡單：因為鍋爐采用了尾部余熱回收裝置。但是不是在普通天然氣鍋爐尾部增加個簡單的余熱回收裝置，就能夠達到冷凝式燃氣鍋爐節能效果了呢？結果并非如此，實際取得的節能效果的懸殊差異仍然讓不少人大跌眼鏡。實際上許多人并沒有了解到冷凝式燃氣鍋爐熱效率高的根本原因。冷凝型燃氣蒸汽鍋爐并不是像大多數普通燃氣鍋爐那樣單純增加尾部余熱回收裝置，而是在整體鍋爐總體設計上采用了綜合節能的理念，至少在四個環節部位巧妙都設計了不同形式余熱回收。

第一是鍋爐后煙箱的余熱回收利用環節。冷凝式燃氣鍋爐在后部煙箱后管板即排煙出口處設計安裝了初級空氣預熱器，用鍋爐后管板排煙余熱加熱進入燃燒機的冷空氣，這是第一級余熱利用。

第二環節是在鍋爐前煙箱內部，并不是像普通鍋爐那樣，前煙箱內部空置，而是巧妙采用了宇航熱管技術，在前煙箱內部設計了反向傾斜式熱管余熱回收裝置，利用鍋爐二、三回程煙氣的熱能進一步加熱燃燒機入口空氣，組成二級空氣預熱器；這樣進一步提高了進入燃燒機的空氣溫度。

第三環節是在鍋爐尾部高溫排煙管道設計了特殊的耐腐蝕冷凝型煙氣余熱回收利用復合系統。并在其中巧妙采用了低溫潛熱吸收冷凝技術，比普通單純利用鍋爐排煙余熱顯熱吸熱量要大得多。

第四環節是加裝了蒸汽鍋爐表面排污余熱加熱鍋爐給水系統。

這種多重余熱回收獨特設計是目前世界上最先進的，代表了國際燃氣鍋爐最新節能發展水平。目前我國900多家具有鍋爐壓力容器生產資質的廠家還沒有實現這樣的設計。冷凝型鍋爐不但在設計上考慮了多重余熱回收環節，而且還特別設計了強制通風高背壓燃燒機，同時考慮設計專門回收過濾高腐蝕性強酸凝結水的綜合多級水處理系統，使高腐蝕性強酸凝結水經過四層化學過濾系統的綜合處理器后才進行對外排放，這樣設計，既大大延長了燃氣鍋爐的使用壽命，又達到了真正的無污染水環保排放。

2.3 冷凝型鍋爐的推廣應用

冷凝式鍋爐最早發源于歐洲。德國、荷蘭、英國、奧地利等國家于20世紀70年代相繼開發出家用冷凝式鍋爐，到80年代末期90年代初期，韓國率先將冷凝式鍋爐應用在大中型工業鍋爐上。冷凝式鍋爐除了具有傳統鍋爐的共性之外，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NOx等有害成分也大大降低，這對環保來說是非常有利的。

在歐美等國，由于政府鼓勵使用冷凝式鍋爐，所以需求量不斷增加，冷凝式鍋爐的使用率瑞士為60%、荷蘭為50%、德國為20%、奧地利為20%、英國為15%。目前僅有美國、韓國、德國等少數國家能夠研制和開發生產大型一體冷凝式天然氣鍋爐，而我國國內尚無此類產品。

我國冷凝式鍋爐開發與應用還是空白，人們對冷凝鍋爐的認識不足是一重要原因，另一原因就是生產廠家對冷凝式鍋爐這一高附加值節能產品的推廣和研發不力。國內大多數天然氣鍋爐廠家僅僅滿足于能夠采用外置式煙氣余熱回收裝置，或投資建設方自行改造安裝外置式煙氣余熱裝置的方式，來彌補國產普通型天然氣鍋爐的熱效率的不足。由于近年來國內新設計安裝燃氣鍋爐中普通臥式三回程濕背式鍋爐市場占有率高達80%以上，大多數單位僅在原來鍋爐煙囪出口增加普通外置式余熱回收的設計方式，完全沒有充分考慮到普通槍式燃燒機的合理匹配、鍋爐背壓的適應范圍、燃燒機入口空氣預熱器特殊設計阻力以及煙氣中冷凝潛熱的余熱回收方式等因素，因此遠遠達不到國外一體冷凝式天然氣鍋爐的使用效果。相比國外一體化整體設計多環節內置式冷凝+外置式冷凝優化節能設計的方式，從總體性能上看，我國國內產品和國外生產的一體冷凝式天然氣鍋爐相比還有相當大的差距。

2006年11月北京市發布的《北京市居住建筑節能設計標準》中，兩次提到新建建筑應選用冷凝型鍋爐。但是多年來，北京市煤改氣實施和運行中，卻很少見到冷凝型鍋爐。為什么作為國內外大力宣傳推廣優秀節能產品的沒有得到國內用戶的認可？主要還是因為高昂的成本妨礙了冷凝型鍋爐的推廣應用。

3 冷凝式燃氣鍋爐與普通濕背式燃氣鍋爐運行經濟分析

3.1 鍋爐改造投資計算

普通國產臥式三回程濕背式天然氣蒸汽鍋爐大約為120萬～130萬元（這差不多已經是國產最低價格,如包括蒸汽鍋爐尾部余熱回收裝置在內鍋爐總體價格為170萬元左右）。

由北京希克斯科技有限公司總代理的進口世界名牌全冷凝型燃氣蒸汽鍋爐大約為647萬元（此價格已經全部包括全冷凝型余熱回收裝置在內的總體價格）。兩者總的鍋爐價差為 477萬元。

3.2 節能技術經濟分析與投資回報

下面我們通過實例對比計算，分析鍋爐改造的節能效益。以前文中某制藥有限公司生產用20t/h冷凝式天然氣蒸汽鍋爐為例，生產每噸蒸汽天然氣耗量只需要74m3（本燃氣消耗數據詳見冷凝式天然氣蒸汽鍋爐在北京百事可樂有限公司、中海油北京國賓大廈、北京河北飯店等單位實際運行數據）。而普通臥式濕背式三回程燃氣蒸汽鍋爐生產每噸蒸汽，消耗天然氣81.65 m3，則其實際生產成本：81.65m3/t×3.23元/m3=263.73元/t。

冷凝式燃氣蒸汽鍋爐每噸蒸汽實際生產成本：74m3/t×3.23元/m3=239元/t。

如果按照該制藥企業年實際生產需要消耗108000t蒸汽計算，使用冷凝式燃氣蒸汽鍋爐比采用普通20t/h燃氣蒸汽鍋爐一年所實際節約的天然氣費用：108000t×（263.73元/t-239.02元/t）=266.87萬元。

也就是說，即使按照采用冷凝式鍋爐與普通燃氣鍋爐多花477萬元投資計算，經過不到2年的實際運行，多投資的鍋爐成本完全可以回收。

若按照新建鍋爐實際運行使用壽命服役20年計，該制藥有限公司選用一體冷凝式燃氣蒸汽鍋爐20年大約可以節省天然氣費用5337萬元，這遠遠大于初投資多花的477萬元。

4 結論

冷凝型鍋爐屬于節能創新產品，非常符合低碳環保的發展方向。即便目前冷凝型鍋爐價格遠遠高于普通鍋爐，但仍然受到西方國家的熱烈歡迎。在國內，雖然冷凝型鍋爐引進較晚，使用單位并不多，而且投資高，但該鍋爐熱效率高，回收效果快。許多用戶在使用冷凝型鍋爐的2～3年內即可完全收回高于普通鍋爐的投資資金，之后的運行時間都在“額外回收”節能的利潤。這與現在大多數仍然使用普通天然氣鍋爐的單位“花的起錢買鍋爐，燒不起氣”的現狀形成了鮮明的對比。