淺談冷凝燃氣鍋爐利用的低碳節能

沈穎++屠小斌

摘 要：邁入21世紀，燃氣是全世界需求增長最快的主要能源，按照國家“穩定東部、發展西部、開拓海域、西氣東輸”的總體規劃，我國燃氣產業發展已經進入一個嶄新的時代。然而隨著燃氣的利用，對全球氣候的影響巨大。全球氣候變化是人類迄今面臨的最重大的環境問題。近幾年來我國對環境問題越來越重視，節能減排力度越來越大，天然氣作為清潔能源的優點也日益突出。該文結合天然氣特點及冷凝余熱原理，闡述了冷凝燃氣鍋爐利用的低碳節能。

關鍵詞：冷凝燃氣鍋爐 低碳 節能

中圖分類號：TK229 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0097-01

21世紀人類面臨的最嚴峻的挑戰就是全球氣候變暖，解決氣候變化問題的根本措施是減少溫室氣體的人為排放。中國作為世界上最大的碳排放國，同時也是對世界環境高度負責任的國家，利用新型的燃氣節能設備，減少溫室氣體的排放，發展低碳經濟已經成為一種必然的選擇。

天然氣具有潔凈、高效、儲量豐富、價格穩定等特點，但天然氣剩余可采儲量有限，如何合理利用是首要問題。燃氣作為燃料燃燒，在產生效率提供動力的同時，排放出大量的余（廢）熱。余（廢）熱的回收利用，是現代城市能源合理利用規劃中不可忽視的，具有重大經濟、環保效益。目前，余（廢）熱的利用方式很多，如冷凝燃氣鍋爐，它把排煙溫度降低到50～70℃，充分回收了煙氣中的顯熱和水蒸汽的凝結潛熱。

1 凝結潛熱概念

所謂顯然是指純物質在不發生相變和化學反應的條件下，因溫度的改變而吸收或放出的熱叫顯熱。潛熱是指在溫度保持不變的條件下，1kg物質在從某一個相轉變為另一個相的相變過程中所吸入或放出的熱量。同種物質在溫度相同、方向相反的相變過程中所吸入或放出的潛熱，其量值必相等，如汽化潛熱總是等于凝結潛熱。

鍋爐燃料完全燃燒后其煙氣被冷卻至原始溫度，而其中的水蒸氣以凝結水狀態排出時所放出的熱量稱為燃氣高熱值，而水蒸氣仍為蒸汽狀態時所放出的熱量稱為燃氣低熱值。傳統鍋爐中，排煙溫度一般在160～250 ℃，煙氣中的水蒸汽仍處于過熱狀態，不可能凝結成液態的水而放出汽化潛熱。鍋爐熱效率是以燃料低位發熱值計算所得，未考慮燃料高位發熱值中汽化潛熱的熱損失。因此傳統鍋爐熱效率一般只能達到87%～91%。而冷凝燃氣鍋爐，把排煙溫度降低到50～70 ℃，充分回收了煙氣中的顯熱和水蒸汽的凝結潛熱，提升了熱效率，冷凝水還可以回收利用，從而節約能量。

燃料的高熱值在數值上大于其低熱值，差值為水蒸氣的汽化潛熱，燃料種類不同燃燒后水蒸氣在煙氣所占的比例也不同。天然氣含氫元素的比例比較大，燃燒產生煙氣中的水蒸氣的含量就大，其汽化潛熱占低位發熱量10%左右。一般鍋爐燃料燃燒后，排煙還具有相當高的溫度，煙氣中的水蒸氣仍以過熱的狀態存在，不可能凝結成水而釋放出汽化潛熱，所以，通過技術手段將水蒸氣中的汽化潛熱利用起來將提高鍋爐的燃燒效率，進而提高燃氣利用效率，節省能量。

2 冷凝燃氣鍋爐的工作原理

排煙溫度是鍋爐的基本參數之一，選擇較低的排煙溫度可以降低鍋爐的排煙損失，有利于提高鍋爐的熱效率。冷凝燃氣鍋爐通過一定的裝置將鍋爐燃燒后排放的熱煙氣（一般在140℃左右）中的能量進行回收，經回收后的排煙溫度只有60℃左右，這樣熱效率大概提高了10%左右，自然就節約了大約10%的燃氣，同時在能量回收過程中，還能夠降低有害氣體的排放，減少環境污染。冷凝鍋爐就是利用高效的煙氣冷凝余熱回收裝置來吸收鍋爐尾部排煙中的顯熱和水蒸氣凝結所釋放的潛熱，以達到提高鍋爐熱效率及節能的目的。

例如供暖面積約13萬平方米的某小區，采用4臺2噸常壓鍋爐一次水循環系統供暖方式，即鍋爐熱水直接送至散熱器，散熱器回水直接送回鍋爐重新加熱至出水溫度。冷凝式余熱鍋爐就是指在傳統鍋爐系統中加裝煙氣余熱冷凝回收裝置，煙氣余熱冷凝回收裝置被串聯安裝在鍋爐的排煙管上，節流散熱器一部分回水進入到煙氣余熱冷凝回收裝置，利用煙氣的冷凝余熱量加熱這部分回水至與鍋爐出水一樣的溫度，然后與鍋爐出水混合再進入系統。加裝該裝置前，這4臺熱水鍋爐的排煙溫度均達250 ℃以上，加裝該裝置后，這4臺鍋爐的排煙溫度達80～90 ℃，流經煙氣余熱冷凝回收裝置的鍋爐回水溫度由39 ℃上升到52 ℃。

3 冷凝燃氣鍋爐低碳節能效果分析

當無冷凝回收裝置的普通鍋爐燃燒天然氣時，如果鍋爐的熱效率按燃料低熱值計算為90%時，采用冷凝燃氣鍋爐采用冷凝式余熱回收裝置，將排煙溫度降到30～50 ℃，其熱效率則會提高到107%左右。在燃料的耗量不變的情況下，供熱系統的回水越低，冷凝式余熱回收裝置回收的熱量就越多，鍋爐的熱效率就越高，節能也就越多。

某市供暖共耗天然氣40億立方米。若供暖鍋爐房全部安置煙氣冷凝余熱回收裝置，可節約約3億立方米天然氣，回收約2600萬立方米冷凝水，減少約3000萬噸CO2排放量。并且，煙氣冷凝過程中，煙氣在換熱壁面遇冷凝結成細小的水滴，首先成珠狀凝結，繼而聚成大水滴或細小水流。在這一過程中，煙氣中的NOX與水反應，生成亞硝酸及硝酸水溶液，進入冷凝液中以液態形式排出，冷凝液對煙氣中有害氣體的凈化作用一定程度上降低了污染物的排放，減少了對周圍環境的污染。而煙氣冷凝水經過處理后可以作為中水使用，如鍋爐補水、灌溉用水、洗澡用水等，從而使冷凝水得到廣泛利用。這樣既能節約水資源、又能做到低碳環保。

對于冬季使用鍋爐提供熱能的水環式水源空調，其供熱熱水溫度為25 ℃，采用冷凝式鍋爐可比普通熱水鍋爐節約一定的運行費用。以100萬kcal/h（418.4萬千焦每小時）鍋爐為例，普通鍋爐天然氣耗量為126.5Nm3/h（天然氣低熱值為35564KJ/Nm3），冷凝式鍋爐天然氣耗量為110Nm3/h，如果鍋爐每天運轉10個小時，采暖周期為100天的話，采用冷凝式鍋爐每年可節約天然氣為（126.5-110）×10×100=16500Nm3，以天然氣價2.2元計，每年節約運行費用為16500×2.2=36300元=3.63萬元。

4 結語

利用天然氣網絡的民用、商用城市燃氣冷凝式余熱系統，最容易實現全能源、全資源的優化利用。天然氣成為世界各國包括中國向低碳能源過渡時期最重要的一次能源，而冷凝燃氣鍋爐利用體現出的低碳節能必將冷凝式燃氣鍋爐推向更廣闊的市場。

參考文獻

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