全預混燃燒及冷凝換熱技術在鍋爐上的研究與應用

黃丹君

浙江音諾偉森熱能科技有限公司

全預混冷凝技術是一種比較成熟的技術。在歐洲，由于當地法規的強制要求，所有歐洲市場的鍋爐必須是冷凝爐，并出臺了相應的法規標準。在國內，全預混冷凝鍋爐尚屬于比較新型的采暖設備，且對于70 kW以上的冷凝供暖鍋爐沒有相應的標準。本文所有設計及測試基于歐洲最新標準，針對70 kW以上2 800 kW以下的燃氣鑄鋁鍋爐展開研究分析。通過運行測試和比較，得出全預混冷凝技術對鍋爐熱效率、能耗及環保方面均帶來了卓越的改進。

1 全預混燃燒和冷凝換熱技術

1.1 全預混低氮燃燒技術

（1）前預混full-premixed

全預混燃燒是指將燃氣和足夠的空氣在進入燃燒器之前進行充分的預混合，在燃燒的過程中無需再補給空氣的燃燒方式。全預混燃燒分為前預混燃燒和后預混燃燒，前預混則是指燃氣和空氣在風機前的混合器中以一定比例進行預混，再由風機吹入燃燒器。根據熱需求或熱負荷，風機轉速調整空氣進風量，燃氣進氣量則隨著進風量的變化而變化，以保證精確的空燃比。由此，可使燃氣充分燃燒，保證最佳燃燒工況，提高燃燒效率和降低有害氣體排放。如圖1所示。

圖1 風機前預混

（2）全預混金屬纖維燃燒器

前預混燃燒中使用的一種燃燒器為金屬纖維燃燒器，其表面為耐熱且軟韌的金屬纖維氈，內有鋼質支撐結構，可通過滾壓焊接實現兩者的組裝。同時由于燃燒表面的纖維結構，其穩焰性能遠高于其他材料，可以采用兩種燃燒方式進行：藍焰方式和紅外方式 。火焰在纖維表面外或表面形成，熱量以對流或紅外輻射形式傳導。火焰短而穩定、徑向分布，溫度場均勻，基本杜絕了燃燒室的極端高溫，由此可顯著降低NOx的生成機會[1]。

由于金屬纖維燃燒器網布孔隙細密，且具有一定的厚度和彈性，可保證氣流均勻分布、火焰均勻燃燒，耐受熱應力及高溫蠕變損壞的能力更強，從而其使用壽命也更長。同時由于預混火焰結構緊湊，因此也可降低燃燒室的空間需求。

1.2 冷凝換熱技術

冷凝的原理是指高溫煙氣在遇冷凝結過程中釋放熱量，冷凝技術就是充分回收這些熱量以增加熱效率。通過熱媒水和高溫煙氣的熱交換，既可降低排煙溫度，又可以將回水預熱，在此過程中，回水充分吸收了煙氣中的顯熱及水蒸氣凝結后的潛熱。以天然氣低熱值計算，熱效率可超過100%，不僅降低了能耗，而且減少了燃燒產物中有害物質的排放。

回水和煙氣的熱交換如圖2所示。

圖2 熱水鍋爐的冷凝換熱示意圖

2 冷凝燃氣熱水鍋爐主熱交換器

2.1 一種鑄鋁式熱交換器

冷凝式燃氣鍋爐其核心部件為主熱交換器。傳統的熱交換器材質一般為鑄鐵或不銹鋼，本文闡述的是一種硅鋁合金熱交換器，其材質是一種典型的鋁合金，通用于歐美國家。鋁是一種具有活性的金屬，在自然條件下，鋁材的表面能夠形成一層致密的氧化層，可以有效防止酸性腐蝕和氧化，另外，鋁的導熱系數是不銹鋼的10倍以上，故鑄鋁熱交換器比傳統的不銹鋼熱交換器導熱能力強，可幫用戶節省更多的能源。

在鑄造技術上，采用整體式砂鑄，采用冷芯與熱芯相結合的制芯技術及惰性氣體除氣技術。由于鋁的熔點較低，在高溫鑄造時有較高的流動性，鑄造和加工性能良好，成本低，同時可鑄造出結構較為復雜的熱交換器。

2.2 鑄鋁式熱交換器的結構介紹

鑄鋁熱交換器可采用整體式鑄造，也可由若干片鑄鋁模塊組合而成，集燃燒室、煙道、水道等結構于一體。鑄鋁件煙氣通道表面規則分布著大量的柱狀凸起，水道內表面設有筋條，可有效增加換熱面積，優化換熱效果，而且可縮小產品的體積。全水冷設計，燃燒室被水道環繞，無需其他耐火材料；整體式鑄鋁熱交換器水流自下而上環繞煙氣通道螺旋上行，而模塊式組裝的熱交換器其內部水道為平行式，且出水端的U型結構設計使平行水道水力平衡，無局部過溫。其燃燒室及出水口位于鑄鋁熱交換器上方，回水（進水）口位于底部，水流自下而上蜿蜒上行，高溫煙氣自上而下流動，逆向運行以保證充分熱交換。在此過程中，煙氣溫度逐漸下降，煙氣中的水蒸氣達到露點溫度以下而凝結成液態水，同時帶走燃燒產物中的部分CO和NOx等有害物質，從而真正達到高效、節能、環保的目的。冷凝鑄鋁熱水鍋爐在歐洲的使用已有約四十年，其耐熱應力沖擊比薄壁不銹鋼高，且可不采用焊接工藝，使用壽命更長。圖3為一種模塊式鑄鋁熱交換器的鍋爐結構示意圖；圖4為一種平行式水道的水流示意圖。此一體化結構組裝方便，可靠性高，且可根據不同單片熱交換器模塊的數量來組合成不同功率大小的鍋爐，經濟性較高。

圖3 一種鑄鋁鍋爐內部結構示意圖

3 全預混冷凝燃氣鍋爐的測試運行

3.1 實驗室調試運行

為使燃燒工況及排放達到最佳，需對空燃比進行調節。針對功率范圍調節比為1:5的鍋爐調試簡要介紹如下：①將鍋爐調到最大功率（最大風機轉速），調節燃氣比例閥上的主流量調節閥，用煙氣分析儀檢測煙氣中CO2含量，使CO2排放控制在9.1%±0.2%（每個鍋爐制造商對于CO2設定值根據實際有所不同），檢測最大功率是否在額定值的±5%內；②將鍋爐調到最小功率（最小風機轉速），調節燃氣比例閥上的零點調節閥，檢測CO2含量，使CO2排放值比最大功率時的數值小0.2%，檢測鍋爐最小功率是否符合最小功率額定值的±5%；③回到最大功率檢查CO2含量是否在原調試值的±1%。如果偏差超限，則需重新調試一遍，直到CO2值穩定在偏差范圍內。在調試過程中，需保證燃氣動壓穩定在20 mbar及以上。燃燒產物中CO2的百分比，可根據使用燃氣的特性、實際機型的配置和各地對煙氣排放的不同要求進行調整以獲得一個最佳值。但也要考慮相應的合適度，如CO2百分比過大時，燃燒的效率會變高，火焰燃燒高度變短，火焰更貼近燃燒器壁，燃燒器的工作溫度也在同步提升，可能會超過燃燒器所能承受的正常工作溫度，這將直接影響燃燒器的使用壽命。如果CO2百分比過小，則易產生工作噪音及熱效率低的問題[2]。因此選擇合適的空燃比，對鍋爐運行的綜合性能是非常重要的。

圖4 鑄鋁熱交換器內部平行水道水流示意圖

3.2 測試結果

以功率600 kW的全預混冷凝燃氣鑄鋁熱水爐為例，完成整機調試后，根據燃氣流量計算熱輸入；利用煙氣分析儀（可結合供回水溫差及水流量）測輸出功率、燃燒產物及熱效率，結果如表1所示。

在實際運用中，為了使鍋爐達到最佳經濟運行狀態，通常將OTC（戶外溫度補償）功能打開，鍋爐將自動調節供回水溫度，從而達到最理想的節能效果。由圖5可以看出，戶外溫度-5℃到10℃為鍋爐最長運行區間（每個地區有所不同），約占供暖季的78%，而0℃到2℃為鍋爐的平均運行點。結合圖6中OTC對應的與部分負荷及熱效率的關系示意圖，可以看出，鍋爐在低負荷下熱效率最高，可以達到108%左右，而在滿負荷運行狀態下，鍋爐熱效率仍可達到96%以上。但在實際運行中，低負荷和滿負荷的運行時段所占比例較少，忽略采暖方式、建筑保溫等影響因素，理論上鍋爐平均熱效率可達100%。

表1 全預混冷凝燃氣熱水爐測試結果

圖5 戶外溫度與采暖水溫度關系及運行時段示意

4 結論

測試結果表明，全預混冷凝燃氣鑄鋁鍋爐在各工況下熱效率均非常高，綜合熱效率在97%以上；同時排煙溫度低，僅高于回水溫度5℃以內；燃燒產物中有害物質NOx和CO的排放極低，均優于國家及地區最嚴標準（北京市規定新建鍋爐氮氧化物NOx排放≤30 mg/m3）。相比其他類型鍋爐，全預混冷凝鑄鋁鍋爐的綜合性能優異。

圖6 全預混冷凝爐負荷調節范圍內的熱效率

美國研究可以改變大型電網儲能的化合物

為了向用戶提供太陽能和風能等清潔能源，當陽光或者風力不足的時候，需要一個可靠的備用儲能系統提供電能。

當前，美國研究人員正在研發一種金屬氧化物團簇化合物，它具有良好的電化學特性，其儲能能力約是當前“氧化還原液流電池”電化學物質儲能的兩倍。它通過儲能能源轉化成電能時，將攜帶相反電荷的化學溶液泵入固體電極，從而產生電子交換提供電力。這種被稱為新“氧化還原液流電池”的技術關鍵是尋找不僅能“攜帶”足夠的電荷，又能長期儲存而不會降解的化學物質，從而最大限度地儲能和發電，并最大限度地降低系統充電成本。這種新化合物將改變能源存儲的格局。

（美國ABC）