回水溫度對燃氣熱水鍋爐煙氣冷凝的影響及解決措施

崔 琦 鄭桂紅 袁棨正 許崇濤 李冬屹

(天津市特種設備監督檢驗技術研究院 天津 300192)

回水溫度對燃氣熱水鍋爐煙氣冷凝的影響及解決措施

崔 琦 鄭桂紅 袁棨正 許崇濤 李冬屹

(天津市特種設備監督檢驗技術研究院 天津 300192)

本文闡述了燃氣冷凝式熱水鍋爐的冷凝水對鍋爐本體的危害，并探討了解決此問題的方法。通過對煙氣露點溫度的計算，推算煙氣冷凝時的鍋爐回水溫度。當回水溫度低于煙氣冷凝時所對應的回水溫度時，煙氣中的水蒸氣將會在鍋爐本體凝結。本文提出四種提高鍋爐回水溫度的措施，以降低煙氣在鍋爐本體冷凝的概率，減少冷凝水對鍋爐本體的損害。

燃氣鍋爐 冷凝水 露點溫度 回水溫度

隨著國家對環境保護工作及鍋爐節能降耗的重視與發展,傳統燃煤熱水鍋爐由于其存在熱效率低、污染嚴重等問題被逐步淘汰,天然氣作為清潔能源現已得到了廣泛的應用。各地區相繼改用燃氣鍋爐,為了能更好地利用能源,提高鍋爐的效率,冷凝式燃氣熱水鍋爐在近幾年得到了大力的推廣。例如天津,市內六區已完成“煤改燃”工程,供熱已全部采用燃氣鍋爐,其中80%以上均為冷凝式燃氣鍋爐。

近幾年由于城市集中供熱的需求,14MW以上的大型冷凝式燃氣熱水鍋爐的需求量大大增加。但原燃氣熱水鍋爐多為7MW以下,我國大型冷凝式燃氣熱水鍋爐的研究還處于起步階段,從設計、制造到使用都沒有太多的經驗,因此在運行過程中會存在一些問題,其中比較突出的是冷凝水對鍋爐本體的損害。

冷凝式燃氣熱水鍋爐的煙氣冷凝一般被設計在鍋爐節能器位置,這是由于鍋爐本體材質與節能器材質不同,節能器在設計時多采用09CrCuSb,材質有很強的抗腐蝕能力,而鍋爐本體設計時未考慮冷凝水對本體的影響,材質多為20G,抗腐蝕能力較差,長期與冷凝水接觸易產生腐蝕,因此在鍋爐實際運行中應盡量避免煙氣中水分在鍋爐本體內凝結。

1 煙氣露點溫度

1.1 煙氣的組成成分

煙氣露點指煙氣中水蒸氣開始凝結時的溫度,當水蒸氣在低于露點溫度時即冷凝成水。天然氣燃燒后產生的產物主要為CO2和H2O,基本不含有SO2等酸性氣體,因此在計算煙氣露點溫度時可以不考慮酸性氣體的影響［1］。

表1 是天津天然氣成分及含量,從表1中可以看出CH4含量占到了95%以上,為簡化計算過程,假定天然氣成分全部為CH4,燃燒所用的空氣為干空氣,燃燒方程式:

由式(1)可知,天然氣燃燒后成分為CO2和H2O。因此,燃氣熱水鍋爐燃燒完成后的煙氣主要成分為CO2、H2O、O2和N2(其中O2和N2來源于過量空氣)。

表1 天然氣成分及含量

1.2 煙氣露點溫度的計算

煙氣的露點溫度是由煙氣中水蒸氣的分壓決定的,而煙氣各組分的分壓由各組分的濃度大小決定,因此不同過量空氣系數下的露點溫度是不同的。根據《鍋爐節能技術監督管理規程》規定,正壓燃氣鍋爐設計時過量空氣系數不大于1.15,在實際使用過程中由于鍋爐負荷低、設備老化、管理不到位等原因,鍋爐的過量空氣系數在1.0～1.5范圍內。

分別取過量空氣系數α=1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5,計算1m3天然氣完全燃燒后的煙氣各成分含量,結果見表2。

表2 1m3天然氣完全燃燒后的煙氣各成分含量

濕煙氣的含濕量:

式中:

d —— 濕煙氣的含濕量,g(水蒸氣)/kg(干煙氣);

nv—— 水蒸氣的摩爾數;

ngy—— 干煙氣的摩爾數;

Vv—— 水蒸氣的體積;

Vgy—— 干煙氣的體積;

Mv—— 水蒸氣的摩爾質量,Mv=18.016g/mol;

Mgy—— 干煙氣的摩爾質量。

干煙氣的摩爾質量:

式中:

xi、Mi和Vi—— 干煙氣中某氣體的摩爾分數、摩爾質量和體積。

由表2中的數據,可計算出不同過量空氣系數下濕煙氣的含濕量,進而通過焓濕圖查得露點溫度td,結果匯總于表3。

表3 不同過量空氣系數對應的露點溫度

2 煙氣冷凝時回水溫度的確定

2.1 冷凝水的形成過程

冷凝水的形成不只取決于露點溫度,還與燃氣氣流截面的溫度分布有關。以最常見的三回程臥式內燃鍋爐為例,鍋爐本體內煙氣溫度最低位置位于煙氣三回程煙管內,煙氣流經煙管,煙氣的芯流溫度最高,壁面溫度最低,當壁面溫度高于露點時,無冷凝水產生,當壁面溫度低于露點而芯流溫度高于露點時,部分水蒸氣冷凝,當芯流溫度低于露點時,氣流截面均出現冷凝［2］。影響煙管壁面溫度的主要因素有鍋爐進水溫度、進水流量、鍋爐結構、煙氣溫度、煙氣流速等。而在實際運行中,只有鍋爐的回水溫度可通過簡單調整進行改變,其他因素則需要鍋爐制造廠家或燃燒器廠家通過改造等才可進行調整,改造周期長費用高,且影響鍋爐的正常使用。因此,現只研究鍋爐回水溫度對鍋爐本體冷凝水產生的影響。

2.2 回水溫度的計算示例

以一臺型號為WNS14-1.25/115/70-Q的燃氣熱水鍋爐為例,根據《鍋爐節能技術監督管理規程》中相關規定,取出口煙溫170℃,過量空氣系數α=1.15。

煙管外徑do=71mm,內徑di=68mm

煙管導熱系數λ=60W/(m·K)

煙管內對流傳熱系數hi=61.22W/(m2·K)

傳熱系數k =55.10W/(m2·K)

取三回程煙管出口處一小段長為l的煙管進行分析,假定傳熱過程穩態,忽略煙管內外側由于結垢和積灰產生的污垢熱阻,由串聯熱阻疊加原則得:

式(4)左側為傳熱過程的總熱阻,右側分別為管內、管壁和管外三個傳熱環節的熱阻。由Ao=πdol,Ai=πdil,上式可改寫為:

將相關數據代入式(5)得到:

α=1.15時,ho=918W/(m2·K)

當煙管內壁溫度twi＜td時,冷凝水開始在煙管內析出,取twi=td,由穩態傳熱過程中各處的熱流密度相同可得:

將相關數據代入式(6)得到:

α=1.15時,t=46.1℃。

通過計算,當回水溫度大于46.1℃時,煙溫最低位置三回程處煙管的煙氣側壁溫高于此條件下的露點溫度,煙管內不易形成冷凝水,而鍋爐本體內其他位置煙溫均高于此處,基本不會產生冷凝水。

通過對其他爐型燃氣鍋爐的換熱計算,筆者總結出當鍋爐正常運行時,煙氣開始冷凝時的回水溫度t在40～48℃之間,當回水溫度高于55℃時,大部分爐型本體內均不會產生冷凝水。

3 實際工況下的討論

通過對多家供暖單位進行數據采集,2016年天津供暖期間的燃氣熱水鍋爐月平均供回水溫度與環境溫度見表4。

表4 供熱熱水鍋爐相關運行數據

當鍋爐在啟、停爐及低負荷運行時,鍋爐的排煙溫度低于正常運行時的排煙溫度。隨著排煙溫度的降低,煙氣物性發生變化,導致ho逐漸增大。由式(6)可知,當ho增大后,t也會隨之提高。即如果使鍋爐內不產生煙氣的冷凝,啟、停爐及低負荷運行時的回水溫度要高于正常運行時回水溫度。

由表4可以看出,大部分燃氣鍋爐在正常運行過程中的回水溫度基本高于冷凝水凝結時的回水溫度。但在鍋爐低負荷運行及啟停爐期間,實際回水溫度均低于鍋爐正常運行時冷凝水凝結對應的回水溫度,使冷凝水在鍋爐內大量凝結,對鍋爐本體造成巨大損害(見圖1)。而大部分鍋爐使用單位由于經濟原因及供熱面積等因素,鍋爐長期處于低負荷運行狀態,由此產生的冷凝水造成鍋爐受熱面的腐蝕、煙氣流通截面積減小、爐膛溫度降低、損害燃燒器、破壞保溫密封材料、熱量損失、浪費水資源等問題［3］。

圖1 某鍋爐冷凝水溢出實例

綜上所述,鍋爐高負荷正常運行時,冷凝水一般不會在鍋爐內凝結,如要解決鍋爐冷凝水在鍋爐內凝結,最簡單、直接的方法是解決鍋爐在低負荷運行和啟停爐時回水溫度過低的問題。

4 解決措施

4.1 在供回水管路間加裝混水調節管路

在供回水管路中加裝帶電動調節閥的管路,根據鍋爐回水溫度來控制電動閥的開度。［4］當鍋爐實際回水溫度高于冷凝水凝結時回水溫度時,電動閥關閉;當實際回水溫度低于冷凝水凝結時回水溫度時,電動閥根據回水溫度調節開度,通過高溫供水與低溫回水一定比例混合來提升鍋爐回水溫度,使鍋爐回水溫度高于冷凝水凝結時的回水溫度。

4.2 在回水管路引入外部加熱裝置

可將鍋爐回水與地源熱泵、溴化鋰直燃機等外部熱源設備進行換熱,來達到提高回水溫度的目的。需要注意的是,此種改造應在回水進入循環泵之前完成,并應采用板式換熱器來進行換熱,目的是為了不影響鍋爐原有回水的水質及鍋爐的回水壓力及流量。

4.3 提高鍋爐循環流量減小供回水溫差

在使用二次網供熱的系統中,可以加大一次網(鍋爐系統)的循環流量,使在相同的熱量交換情況下,一次網供回水溫度的溫差減小,在供水溫度不變的情況下來達到提高回水溫度的目的。

4.4 提高鍋爐負荷

在供暖單位中,常見多臺鍋爐低負荷并聯運行。應根據實際情況,合理調整鍋爐運行臺數,使鍋爐盡量在設計負荷的80%～90%下運行,這樣既能達到節能降耗的目的也可以提高鍋爐回水溫度從而避免冷凝水在鍋爐本體內凝結。

5 結束語

隨著節能減排工作的深入,帶有冷凝器的燃氣熱水鍋爐的應用會越來越廣泛,冷凝水對鍋爐本體的危害不容忽視,如何解決和利用冷凝水的問題已經被廣泛地關注和研究,本文僅提出幾點意見和建議。需要注意的是在通過改造等方法解決冷凝水問題的同時,不能忽略鍋爐安全運行及相應法律法規的要求,應采取合理、合規、安全、有效的方式來解決冷凝水所帶來的問題。

［1］ 葉勇軍．冷凝式燃氣鍋爐的節能與環保特性研究［D］．衡陽：南華大學，2 005．

［2］ 梁耀東，李之光，劉峰，等．冷凝燃氣鍋爐評價與熱效率計算 ［J］．工業鍋爐，2015，（04）：36-41．

［3］ 崔琦，許崇濤，闞柏平，等．燃氣工業鍋爐冷凝水的生成、危害及防治措施［J］．工業鍋爐，2015，（05）：51-54．

［4］ 何多強，代龍，辛穎慧．燃氣熱水鍋爐低溫腐蝕的防治與節能改造技術探討［J］．工業鍋爐，2008，（05）：43-46．

The Effect and Solving Measures of Return Water Temperature on Flue Gas Condensation of Gas- fi red Hot Water Boiler

Cui Qi Zheng Guihong Yuan Qizheng Xu Chongtao Li Dongyi
(Tianjin Special Equipment Inspection Institute Tianjin 300192)

This paper expounds the harm of fl ue gas condensate of the gas- fi red hot water boiler to the boiler body, and discusses the method to solve this problem. Through the calculation of dew point temperature of fl ue gas, the temperature of the return water can be calculated. When the actual return water temperature is lower, the water vapour in fl ue gas will condense. This paper puts forward four measures to increase the temperature of return water, reduce the probability of fl ue-gas condensation in the boiler, and reduce the damage to the boiler body.

Gas- fi red boiler Condensate Dew point temperature Return water temperature

X933.2

：B

1673-257X(2017)07-0038-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.07.009

崔琦（1984～)，男，碩士，鍋爐檢驗師，從事鍋爐檢驗、節能減排等工作。

崔琦，E-mail： cqdlut@126．com。

2017-04-17）