從煙氣排放阻力角度分析晉城礦區裝設冷凝式燃氣鍋爐的可行性

王錦輝

摘 要：本文主要從燃氣鍋爐煙氣排放角度對裝設冷凝式燃氣鍋爐的可行性進行分析和討論，旨在對存在的問題進行處理和解決。

關鍵詞：煙氣阻力;冷凝式燃氣鍋爐;可行性

晉城礦區相對獨立于城區，距城區也較遠，通常采用自己的集中供熱模式。礦區富煤少氣而且燃氣運行費用相對較高。因此上礦區往往采用燃煤工業鍋爐的供暖方式。2017年，晉城市人民政府下發了《晉城市2017年大氣污染防治行動計劃》，計劃要求全面淘汰燃煤鍋爐和熱風爐。故原有的燃煤爐已不能作為熱源使用。一方面，為減小煙囪腐蝕，規范或手冊上一般要求燃氣鍋爐排煙溫度不低于煙氣露點溫度10℃，故鍋爐排煙溫度一般控制在110-120℃。另一方面，人們往往認為鍋爐排煙溫度降低，煙囪抽力降低，會影響煙氣排放，甚至排放不出去，造成運行事故。同時，燃氣鍋爐運行費用相較燃煤鍋爐高出不少，相對鍋爐設備價格，如何降低燃氣鍋爐運行費也就成為亟待解決的問題。

1 冷凝原理

參考山西國新中昊盛天然氣有限公司管道供給燃氣組分：煤層氣組成：CH4為99.29%，N2為0.51%，CO2為0.18%，O2為0.02%，H2S≤0.024%，總S≤0.5%;煤層氣密度：0.673kg/m3（20℃，101.325kPa）;煤層氣發熱值：36.86MJ/Nm3。

由上述資料可以看出，燃氣成分中99.29%為甲烷，因CH4中含有大量的H，燃氣燃燒后會使煙氣含有大量的水蒸氣，煙氣中水蒸氣占煙氣比重很大，約18%。若降低煙氣的排煙溫度，回收煙氣和煙氣中的水蒸氣的汽化潛熱和顯熱，將會節約很大的能源。冷凝式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的目的。

2 現代冷凝式鍋爐簡介

現代燃氣冷凝鍋爐是一種運用了多種節能手段的綜合節能體，首先從燃燒上，采用了變頻電動機的完全預混的比例式輻射燃燒機，在任何輸出功率下，空氣與燃料的配合比都能保持在最佳狀態，在保證燃燒質量的前提下，減小了過量空氣系數，減少了氮氧化物的產生，提高了燃燒效率，降低了電耗;從爐體上，使用了以鋁合金或不銹鋼為主的耐酸材料，采用了利于水蒸氣冷凝的加強的換熱結構，鍋爐換熱能力大幅提髙，保了凝結熱量被及時吸收，同時鍋爐體積大幅縮小。鍋爐采取有效的措施，減少鍋爐的散熱損失，比如利用燃燒需要的空氣先經過未經保溫的鍋爐爐體，把爐體的散熱用來加熱燃燒需要的空氣，鍋爐煙氣出口設有自動蝶閥，鍋爐停爐蝶閥自動關閉，減少從煙道流失的熱量等。采用全新的控制系統用來保證燃燒系統、鍋爐換熱系統、鍋爐散熱控制系統、鍋爐輸出熱量保障系統的協調工作。所以現代冷凝鍋爐不但在鍋爐爐體上有了很大變化，在燃燒系統、鍋爐的熱損失控制、鍋爐的整體協調控制上都有了很大的改變，超過100%的熱效率是建立在這些基礎上的。

國內鍋爐熱效率均以燃料的低位發熱量（PCI）計算。煙氣中的水蒸氣如果全部凝結成水，會釋放出相當于天然氣燃燒低位發熱量（PCI）11%的熱量（可回收率達9%）。現代冷凝鍋爐與傳統低溫燃油燃氣鍋爐的效率比較見表1。

3 從煙氣排放角度分析冷凝式鍋爐的可行性

3.1 煙囪抽力

煙囪高度、外界空氣溫度、煙囪內平均溫度與煙囪抽力的關系：

式中：S-煙囪抽力Pa;H-煙囪高度m;-標準狀態下空氣的密度kg/m3;-標準狀態下煙氣的密度kg/m3;tk-外界空氣溫度℃;tpj-煙囪內煙氣平均溫度℃。

3.2 計算條件

因為標準狀態下空氣的密度為1.293kg/m3，標準狀態下煙氣的密度為1.34kg/m，可以認為其為定值。因此煙囪抽力可視為僅與三個條件有關，即煙囪高度H、外界空氣溫度tk以及煙囪內平均溫度tpj。

在其他條件不變時，外界空氣溫度tk增高，煙囪抽力減小，故只需考慮鍋爐在冬季運行時外界歷年最高氣溫條件即可。晉城冬季年平均氣溫的多年平均為-0.6℃，最高氣溫出現在2002年的2月份，為4.6℃。故tk取4.6℃。

晉城礦區多為燃煤鍋爐改燃氣鍋爐，從各礦情況看，原燃煤鍋爐最大不超20t/h，最小為2t/h;根據相關要求，煙囪頂部應高出建筑物屋面3m以上，在這里蒸發量為20t/h的鍋爐煙囪高度H取15m，2t/h鍋爐煙囪高度取8m即能夠滿足煙氣煙囪高度要求。

在其他條件不變時，煙囪內煙氣平均溫度tpj越高，煙囪抽力越大。

式中：t'-煙囪進口處煙氣溫度℃;Δt-煙氣在煙囪每米高度的溫度降℃/m。

式中：D-在最大負荷下，煙囪負擔的鍋爐蒸發量t/h，在此考慮蒸發量為20t/h及2t/h兩種情況;A-考慮煙囪種類不同的修正系數，無襯鋼煙囪A取2。

綜合上述公式，分析D=20t/h和D=2t/h兩種不同負荷及分別對應的不同煙囪高度H=15m和H=10m、不同排煙溫度t'（不考慮煙道溫降，將其簡化為煙囪進口處煙氣溫度，即t'）煙囪抽力變化情況匯總列表如下：

3.3 煙囪阻力

根據規范要求，煙囪出口煙氣流速不宜小于2.5-3m/s，以免冷空氣倒灌;燃氣鍋爐微正壓燃燒，煙囪出口煙氣流速一般不超15m/s。

3.3.1 煙囪的摩擦阻力Δpm（Pa）

式中：λ-煙囪摩擦阻力系數，金屬煙囪λ=0.02;d-煙囪直徑m;H-煙囪高度m;ω-煙囪內煙氣流速m/s;ρ-煙囪內煙氣密度kg/m3。

3.3.2 煙囪出口阻力Δpc（Pa）

式中：A-煙囪出口阻力系數，金屬煙囪A=1。

不同溫度下煙氣的密度滿足公式：

故煙氣溫度越高，煙氣密度越小。

煙囪阻力為摩擦阻力和出口阻力之和，即：

Δpmax=Δpm+Δpc。

從上表可以看出，煙氣溫度在20℃時阻力最大，120℃時煙氣阻力最小。

4 結束語

綜上結果，煙氣溫度對鍋爐煙氣排放影響最小，煙囪阻力對鍋爐煙氣排放影響較大。燃氣鍋爐通常為微正壓燃燒，實測鍋爐背壓為900Pa左右，故在排煙溫度較低時，不會影響煙氣正常排放。因此可以通過裝設冷凝裝置，使鍋爐煙氣溫度降至一合理溫度，通過合理選擇煙囪材質，實現鍋爐熱效率的最高。

參考文獻：

[1]李慧君，王樹眾，張斌，等.冷凝式燃氣鍋爐煙氣余熱回收可行性經濟分析[J].工業鍋爐，2003（02）：1-4+12.