循環(huán)水對冷凝式節(jié)能器煙氣冷凝效果的影響

羅賢壽 胡雪濤 肖巨明

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院三明分院 福建三明 365000）

0 引言

由于國家對工業(yè)企業(yè)環(huán)保要求的逐步提高，燃氣鍋爐也越來越普及，逐步替代了傳統(tǒng)燃煤鍋爐。但天然氣目前成本依舊較高，因此最大限度地提高燃氣鍋爐的熱效率成為許多企業(yè)縮減成本的途徑。冷凝式節(jié)能器在燃氣鍋爐上的運用便是提高燃氣鍋爐熱效率最普遍最有效的措施之一。冷凝式節(jié)能器一般采用抗腐蝕能力較強的材料，通常由翅片管組成，管內(nèi)循環(huán)冷卻水，翅片端與煙氣發(fā)生熱交換，其位置一般被設計在鍋爐尾部受熱面的最末端位置。煙氣經(jīng)過鍋爐本體、省煤器等受熱面后一般溫度不高，在冷凝式節(jié)能器內(nèi)與循環(huán)水進行熱交換以后，大量煙氣溫度下降到煙氣露點溫度以下，煙氣中水蒸氣發(fā)生冷凝釋放潛熱，潛熱與循環(huán)水進行熱交換，被鍋爐系統(tǒng)回收利用。為了使煙氣得到充分冷凝，需要在煙氣循環(huán)到冷凝式節(jié)能器時達到露點溫度以下才能實現(xiàn)。

1 煙氣露點溫度的確定

1.1 天然氣燃燒后煙氣成分分析

煙氣中水蒸氣的露點溫度，即煙氣中水蒸氣分壓的飽和溫度。由于露點溫度受水蒸氣分壓的影響，在計算煙氣露點溫度時，需要先算出水蒸氣在煙氣中的含量。根據(jù)福建天然氣的成分（見表1），燃氣中的主要成分為CH4等烷類氣體以及N2、CO2組成，含有C、H、N、O 等4 種元素，和空氣混合完全燃燒的產(chǎn)物主要為CO2、H2O、N2。因空氣中水分較少（室溫為30 ℃，相對濕度100%時空氣水蒸氣的含量也僅為30 g/m3左右），對計算結果影響不大，故后文的計算中忽略空氣中水分的影響。

表1 福建天然氣成分表 單位：mol%

1.2 煙氣露點溫度的確定

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(shù)下的露點溫度是不同的。2019—2020 年對三明地區(qū)冷凝燃氣鍋爐的能效測試結果顯示，目前本地在用燃氣鍋爐過量空氣系數(shù)基本在1.0 至1.5 之間，選取該范圍的過量空氣系數(shù)對天然氣燃燒后的各個組分進行計算，利用根據(jù)GB/T 10180—2017 標準中提供的計算公式計算結果如表2。

表2 不同過量空氣系數(shù)下1 m3 天然氣燃燒后煙氣成分 單位：m3

從焓濕圖上查詢到露點溫度，必須確定煙氣含濕量。煙氣中含濕量計算如公式（1）。

式中：d 為煙氣含濕量，g/kg；Mg為干煙氣質(zhì)量，kg；VH2O為煙氣中H2O 含量，Nm3/Nm3。

其中干煙氣質(zhì)量計算如公式（2）。

式中：VCO2為煙氣中CO2含量，Nm3/ Nm3；VN2為煙氣中N2含量，Nm3/Nm3；αpy為過量空氣系數(shù)；V0為完全燃燒1 m3天然氣理論空氣需求量，Nm3。

將表2 中的數(shù)據(jù)代入公式（1）和（2），可以計算出不同過量空氣系數(shù)下煙氣的含濕量，并根據(jù)含濕量查焓濕圖，可查到不同過量空氣系數(shù)下的煙氣的露點溫度td，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同過量空氣系數(shù)下煙氣參數(shù)

2 回水溫度和煙氣露點溫度的關系

2.1 煙氣冷凝的過程

煙氣在冷凝式節(jié)能器中不斷與通了循環(huán)水的翅片換熱管進行熱交換，煙氣溫度不斷降低。煙氣溫度低于露點溫度以下，煙氣中的水蒸氣開始冷凝。煙氣溫度越低，冷凝效果越好。影響煙氣在冷凝式節(jié)能器進行熱交換后溫度的主要因素有冷凝式節(jié)能器進水溫度、進水流量、結構形式、進口煙溫、換熱面積等。而在實際運行中，因設備狀況、換熱面積等由廠家生產(chǎn)時就已經(jīng)確定，若需要進行調(diào)整改造，不僅費用高，而且耗時耗力影響生產(chǎn)，因此控制和調(diào)整冷凝式節(jié)能器循環(huán)水溫以及循環(huán)水量是提高冷凝式節(jié)能器冷凝效率最好最方便的做法之一。

2.2 翅片管內(nèi)水與管外煙氣的傳熱分析

假設翅片管內(nèi)外傳熱過程為穩(wěn)態(tài)，忽略水側(cè)結垢和煙側(cè)積灰的影響。由文獻［1］中的公式整理可得煙氣側(cè)管壁對流換熱系數(shù)K 的計算如公式（3）。

式中：K 為煙氣側(cè)對流傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；Q 為翅片管的換熱量，W；A 為煙氣側(cè)傳熱面積，即翅片管翅片端總表面積，m2；tr為冷凝式節(jié)能器進口煙溫，℃；tc為冷凝式節(jié)能器出口煙溫，℃；t1和t2分別為冷凝式節(jié)能器進、出口水溫，℃。

將公式（3）整理得到公式（4）。

要使煙氣冷凝，冷凝式節(jié)能器出口煙溫tc應小于等于露點溫度td。根據(jù)公式（4）可知，t1應小于tc，翅片管煙側(cè)邊界換熱才會發(fā)生，因此，入口水溫t1應低于露點溫度td，具體數(shù)值受到煙氣冷凝所需的換熱量Q、翅片管的結構及其換熱面數(shù)值的影響。

實際測試發(fā)現(xiàn)，要使煙氣中的水蒸氣充分冷凝，應保證冷凝式節(jié)能器出口附近的翅片管本體以及翅片各部分溫度都低于水蒸氣露點溫度。考慮到翅片管金屬熱阻的影響，冷凝式節(jié)能器進口水溫低于露點溫度20 ℃左右時，冷凝效果較好。根據(jù)陳凱等［2］的研究，逆流布置列管式冷凝換熱器在水溫為20 ℃時，在假定的實驗狀況下，以4 t/h 的冷卻水作為冷源的逆流布置列管式冷凝換熱器，保證冷凝效果的前提下允許的最低排煙溫度為47.35 ℃，溫差27.35 ℃。

因此，冷凝式燃氣鍋爐實際運行過程應關注冷凝式節(jié)能器循環(huán)水箱的水溫，確保其水溫不能過高，以免影響冷凝式節(jié)能器的節(jié)能效率。

2.3 煙氣流速和水流速對冷凝的影響

根據(jù)文獻［3］的研究，螺旋翅片管的換熱性能會隨著雷諾數(shù)Re 的增大而增強［3］，雷諾數(shù)Re 的計算如公式（5）。

式中：ω 為管外煙氣的進口速度，m/s；ν 為煙氣在進出口平均溫度下的運動粘度，m2/s；d 為翅片管外徑，m。

由公式（5）可知，煙氣流速與雷諾數(shù)Re 成正比，因此隨著煙氣流速的增大，翅片管表面換熱性能會提高。

根據(jù)張知翔等［4］的研究，無論是哪一種翅片管，改變翅片管內(nèi)的水流量時，其傳熱性能幾乎不改變。因此，在冷凝式節(jié)能器出口水溫低于進口煙溫的前提下，給水流量的變化對冷凝式節(jié)能器傳熱性能的影響很小。

3 結論

（1）過量空氣系數(shù)對煙氣露點溫度有影響，隨著過量空氣系數(shù)的增大，煙氣露點溫度降低，具體數(shù)值參考表3［5］。

（2）要使煙氣中水分在冷凝式節(jié)能器中充分冷凝，循環(huán)水溫必須低于煙氣露點溫度，具體數(shù)值和冷凝器的結構形式、煙氣成分等有關。

（3）改變冷凝式節(jié)能器內(nèi)水流量不影響其傳熱效果，即在冷凝式節(jié)能器出口水溫低于進口煙溫的前提下，無法通過調(diào)整水流量改變其水流量的方式影響冷凝式節(jié)能器換熱效率。