冷凝燃氣鍋爐的設計及應用研究

何爭艷

（湖南省特種設備檢驗檢測研究院，湖南長沙 410117）

0 引言

在可持續戰略實施之下，節能減排成為了社會上的一個熱門問題。隨著我國能源結構的不斷變化，天然氣這種清潔能源在社會發展中發揮了重大作用。在相關的政策實施下，我國天然氣獲得了快速發展，這為燃氣鍋爐的發展打下了堅實基礎。冷凝燃氣鍋爐因為提升能源利用率，減少污染物的排放，受到了行業與社會消費者的關注，同時也被各個行業和領域廣泛使用，為行業各個群體帶去便利。因此，對冷凝燃氣鍋爐的設計與應用進行分析有一定現實意義。

1 冷凝燃氣鍋爐特點

冷凝燃氣鍋爐就是指冷凝式的燃氣鍋爐，一般分為民用與商用兩種（圖1）。冷凝鍋爐的關鍵與特點在于冷凝技術，這是一種新型節能與環保的技術。在冷凝燃氣鍋爐的工作中，其是經過一定裝置把鍋爐燃燒之后排放的熱氧氣能量回收，經過回收之后的排煙溫度約60 ℃，這樣可以提升熱效率，節省燃氣。在回收過程中還可以降低有害氣體的排放量，減少對環境的污染。

圖1 冷凝燃氣鍋爐

冷凝式燃氣鍋爐之所以有著極高的熱效應和節能效果，其主要原因有以下2 個方面：一是顯熱回收，冷凝鍋可以減低鍋爐排煙溫度，減少燃料燃燒損失，回收了煙氣中的顯熱。這樣就能有效提升鍋爐熱效率。在設計普通的熱水鍋爐時，為了預防煙氣露點腐蝕，排煙溫度一般在160 ℃，排煙熱損失7%。但是冷凝燃氣鍋爐使用了新型耐腐蝕材料，讓鍋爐在設計時不會受到煙氣露點的影響；二是潛熱回收，煙氣露點溫度是指煙氣中水蒸汽分壓力之下的飽和溫度，如果鍋爐排煙溫度在煙氣露點溫度之下，則煙氣中水蒸汽會開始凝結，進而釋放汽化潛熱。汽化潛熱是燃料的高位熱值與地位熱值差，天然氣汽化潛熱占了低位熱值11%左右。如果煙氣全部冷凝，則汽化潛熱會被回收，鍋爐熱效率也會有所提升。

2 冷凝燃氣鍋爐的設計要點

2.1 換熱面積和換熱方式

設計冷凝燃氣鍋爐時，如果把鍋爐排放煙氣溫度下降到60 ℃，實現冷凝效果，就要加大換熱面積。在這其中并不是簡單地增加設備體系、擴大傳熱面積，而是提高設備體積輸熱面積。在這其中可以對原始鍋爐結構做好優化，運用肋片管、波紋管等換熱面。在實際工作中要研究對傳熱面積的優化，從而擴大傳熱面積。經常運用的措施就是擴大換熱器，以此縮小鍋爐體積。而對于換熱模式而言，逆流換熱時水流出口溫度才會在超出煙氣出口溫度，這一點是順流換熱沒有辦法達到的。所以，設計鍋爐時，要把換熱器轉變成逆流的模式。加強流體速度是做好傳熱有效方式，在擴大傳熱面積時，減少鍋爐水容量，增快水流速，優化水流動狀況，提升紊流脈動性。通過這種方式能夠加強對流換熱系數，進而實現傳熱目標。設計換熱器時，需要考慮以上相關因素，才能夠實現很好的冷凝效果。

2.2 防腐措施

在燃氣鍋爐中，每立方天然氣燃燒以后基本會生成1.55 kg水蒸汽。水蒸汽在液化成水時，會溶解煙氣包含的物質如氮氧化物等，讓冷凝水具備一定酸性，其酸堿值一般是3～5，所以對鍋爐殼有一定腐蝕影響。因此，在設計鍋爐換熱器時，盡量要使用不銹鋼等相關性能相對好的材料。如果采用常見鋼板這些材料，將會嚴重影響鍋爐的使用壽命。一些非冷凝的鍋爐，在設計時把排煙溫度規劃到了150 ℃之上，沒有兼顧吸收水蒸汽時候會釋放熱能，未能形成冷凝水，因此不會發生上面這些的問題。

2.3 空氣預混

要想創造新型燃氣鍋爐，需要使用空氣預混技術。此項技術能夠加強效果，提高其工作質量和水平，同時還可以降低氮氧化物。設備運行中，空氣和燃料依次輸送到燃燒室燃燒，在此過程中會有過量空氣系數大等相關問題，進而降低燃燒效率。100%空氣預混技術的運用，把空氣與燃料依據一定配比混合以后進入燃燒室，這種方式能減少空氣需量。在以往的鍋爐中，空氣過量系數通常為1.5，也就是1 m3天然氣需要有15 m3空氣助燃。現在空氣過量系數可設定在1.2 左右，也就是1 m3天然氣燃燒要有12 m3空氣助燃，這樣可以降低3 m3損失。空氣過量較小時，煙氣里水蒸汽會增多，水蒸汽比重較大，煙氣露點也會有所上升，讓煙氣快速轉成冷凝模式、釋放潛熱。因為煙氣中水蒸汽比重的估測較難，而測量煙氣中的CO2量能夠反映出露點溫度變化。煙氣中CO2含量高，過量空氣會降低，露點溫度越高，冷凝就越多。煙氣中CO2含量低時，過量空氣量提升，露點溫度變低，冷凝就越少。天然氣燃燒后產生的有毒氣體主要是CO 與NOx，在燃燒時煙氣中CO 量較低，不過NOx控制工作比較復雜，在太陽照耀下大氣中的NOx和單碳氧化合物會發生反應，產生一些有害物質并出現光化學煙霧（一種對環境有嚴重污染的物質）。降低NOx含量、優化燃燒方式，也可以設法清除煙氣中的NOx，讓煙氣凈化后再排出。

2.4 比例調節

以往鍋爐中只存在開啟與停運狀態、鍋爐小火和大火狀況，這種簡單狀態難以達到預期效果。設計冷凝燃氣鍋爐時，還要使用調節技術，這樣可以依據熱負荷實際情況，讓設備自己控制火焰大小，使其始終保持最好的比例狀態中。使用這項調節技術，能夠把傳統鍋爐中大火燃燒與頻繁啟動停運狀態，優化鍋爐負荷，降低出力，增多設備工作時間，控制啟動與停止次數，從而達到節能目標，這種技術是在空氣預混技術基礎上，運用無極變速風機，把混合好的燃氣與空氣送入鍋爐中燃燒，保障空氣中CO2含量在合理范圍中。依據鍋爐熱負荷需要調節風機工作速度，控制鍋爐出力。如果不使用空氣預混技術，鍋爐火焰大小也能夠有效控制，但是燃料與空氣比例卻沒有辦法維系穩定狀態。通常情況下，空氣量是依據大火燃燒情況設置的，這樣就讓鍋爐小火燃燒時過量空氣太多、效率下降低，無法達到冷凝需求。

3 冷凝燃氣鍋爐的實際應用研究

在西部氣田開發的帶動下，天然氣這種高熱值的清潔能源會被越來越廣泛地使用。未來幾年，我國雖然依然是以燃煤為主，但是煤炭在能源消耗中的比例在不斷下降，而燃油與燃氣的比例將會大幅增加，與其配套的設備也會大規模增加。以天然氣作為主要燃料的鍋爐，運行時排放的煙氣有著極高的溫度，其中水蒸汽（約19%）是氬氣熱量的主要載體，這部分熱量需要進行回收。冷凝燃氣鍋爐是在燃氣非凝結鍋爐基礎上，在煙道中加入了回收水蒸汽汽化潛熱的換熱器，這樣可以回收余熱、提升鍋爐效率，同時還可以吸收煙氣中酸性物質，減少環境污染。當前的凝結燃氣鍋爐容量較小，主要用于民用。而在西氣東輸的環境下，發電方面的大容量冷凝式燃氣鍋爐會得到廣泛運用。在實際運用過程中，為了獲得更高的鍋爐效率，合理降低鍋爐出水溫度是十分重要的，一般情況下出水溫度保持在60～70 ℃。例如，一臺90 kW 的冷凝鍋爐，功率是100%、鍋爐出水溫度70 ℃時，效率大概是98%；而在功率是30%、出水溫度30 ℃時，熱效率可以高達108%。在這個過程中要保障較低的回水溫度，回水溫度越低，則效率就越高。因此，只強調冷凝鍋爐最高值是不正確的，冷凝鍋爐實際運用熱效率取決于運用條件，這在設計選型時需要認真考慮。冷凝鍋爐可以使用在中央空調或生活熱水中，其在泳池地采暖等低溫加熱系統中熱效率可以實現最理想值。在一些國外地區經常使用的壁掛冷凝鍋爐與落地鍋爐，壁掛鍋爐作用在于家庭與小型商業供熱系統中，也能夠多臺聯機使用在大的供熱系統中（圖2）。落地式鍋爐經常用在一些大型供熱系統，也可以多臺聯機后用在更大的供熱系統。

圖2 壁掛冷凝鍋爐

4 結束語

在環保意識不斷加強和社會產業發展之下，冷凝燃氣鍋爐的運用逐漸廣泛。在設計冷凝燃氣鍋爐時，需要合理運用預混技術、防腐技術以及比例調節等相關技術，以此來讓冷凝燃氣鍋爐更加完善與高效。從這些技術上設計高效的冷凝燃氣鍋爐，促使其功能更加符合人們的運用需求，提升鍋爐工作效率，保障人們的正常生活與工作，進而促使整個行業的穩定發展。