以煤炭作為主要燃料的工業(yè)鍋爐仍占據(jù)著主導(dǎo)地位。隨著天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展，以此種清潔能源為燃料的鍋爐將會(huì)逐漸增多。與燃煤相比，燃燒天然氣雖然排放的二氧化硫及氮氧化物的含量很少，減輕了對(duì)環(huán)境的壓力，但燃燒后產(chǎn)生的大量水蒸氣隨高溫?zé)煔馀欧诺江h(huán)境中，造成了能量的嚴(yán)重浪費(fèi)。而采用冷凝式鍋爐將高溫?zé)煔庵械娘@熱和潛熱予以回收，可以達(dá)到充分利用能源降低運(yùn)行成本的效果。
引言
冷凝式換熱器就是增設(shè)在天然氣鍋爐尾部的余熱回收裝置，當(dāng)煙氣在通道內(nèi)通過(guò)傳熱面，溫度降至露點(diǎn)溫度以下，從而使排煙中的水蒸氣凝結(jié)釋放潛熱傳遞給回收工質(zhì)，可以將排煙中大量的能量加以回收利用，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。隨著制造工業(yè)的不斷發(fā)展，各種新型高效的冷凝換熱裝置層出不窮，不論從結(jié)構(gòu)還是實(shí)際余熱回收效果來(lái)看都有了非常大的改進(jìn)。
1 煙氣的特性分析
天然氣成分絕大部分為烴，燃?xì)忮仩t排煙中水蒸氣的含量較高，分析表明，排煙中可利用的熱能中，水蒸氣的汽化潛熱所占的份額相當(dāng)大。每1m3天然氣燃燒后可以產(chǎn)生1.
55 kg水蒸氣，具有可觀的汽化潛熱，大約為3 700
kJ/Nm3，占天然氣的低位發(fā)熱量的10%以上。傳統(tǒng)鍋爐中，排煙溫度一般在160～250℃，煙氣中的水蒸氣仍處于過(guò)熱狀態(tài)，不可能凝結(jié)成液態(tài)的水而放出汽化潛熱。因此傳統(tǒng)的天然氣鍋爐理論熱效率一般只能達(dá)到95%左右，利用冷凝式換熱器只要把煙氣溫度降到煙氣露點(diǎn)溫度以下，就可回收煙氣中的顯熱和水蒸氣的凝結(jié)潛熱，按低位發(fā)熱量為基準(zhǔn)計(jì)算，天然氣鍋爐熱效率可達(dá)到和超過(guò)110%。本文以純天然氣為例對(duì)煙氣的露點(diǎn)溫度以及鍋爐理論熱效率進(jìn)行計(jì)算分析，表1為純天然氣的成分。
1.1露點(diǎn)計(jì)算
在水蒸氣分壓力不變的情況下，使空氣冷卻至飽和濕蒸汽狀態(tài)時(shí)，將有水滴析出，此時(shí)的溫度即為露點(diǎn)溫度。天然氣燃燒特性分析(以1
m3天然氣計(jì)算)煙氣中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)達(dá)17˙4%，若燃燒在大氣壓力下進(jìn)行，當(dāng)空氣過(guò)量系數(shù)α為1.1時(shí)(本文中的計(jì)算均以此作為計(jì)算依據(jù))，其相應(yīng)的煙氣露點(diǎn)溫度是57℃。露點(diǎn)溫度隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。
通過(guò)觀察可知，煙氣露點(diǎn)溫度隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化而變化。因?yàn)楦鶕?jù)道爾頓分壓定律，露點(diǎn)溫度的高低與煙道中水蒸氣的分壓量(即水蒸氣的含量)成正比，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，煙道中水蒸氣的相對(duì)體積減小，水蒸氣的容積份額會(huì)有所下降，其露點(diǎn)溫度也隨之降低。實(shí)際上，雖然各地方天然氣中成分含量有所不同，但由于其主要成分均為甲烷且占絕大部分，其他成分影響很小，經(jīng)計(jì)算的露點(diǎn)溫度誤差不超過(guò)0.3%(符合實(shí)際要求的范圍)，并且由于實(shí)際燃燒的影響因素較多，也使得計(jì)算不可能達(dá)到很精確，通常是在理論值附近的一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，在實(shí)際應(yīng)用中還需根據(jù)不同情況進(jìn)行修正分析。
1.2熱效率分析
煙氣中的熱量以顯熱和潛熱2種形式存在，因此鍋爐的熱損失也由煙氣的顯熱損失和潛熱損失組成。而顯熱損失取決于煙氣的溫度和煙氣組分的熱容量;潛熱損失則取決于煙氣中以水蒸氣形態(tài)存在的水量的多少。當(dāng)水蒸氣冷凝時(shí)，煙氣中存在復(fù)雜的現(xiàn)象：由于水蒸氣分壓力較低，并且在冷凝液膜附近主要是不凝氣體，如
N2、CO2、O2等，煙氣中水蒸氣需要穿過(guò)不凝氣體層才能達(dá)到液膜表面發(fā)生冷凝。煙氣中水蒸氣冷凝率等于由單位體積天然氣燃燒生成煙氣所產(chǎn)生的凝結(jié)水量與燃燒所生產(chǎn)的水蒸氣量的比值，其中，燃燒所產(chǎn)生的水蒸氣包括天然氣燃燒生成的水蒸氣及空氣和燃?xì)馑鶐氲乃魵狻?
僅煙氣中的潛熱就對(duì)鍋爐的熱效率影響如此巨大，倘若能將排煙溫度降低到露點(diǎn)以下對(duì)潛熱加以回收利用，對(duì)以低位發(fā)熱量為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算的熱效率至少可提高到10%以上。并且隨著排煙溫度的降低，煙氣的顯熱損失也會(huì)相對(duì)減小，那么熱效率的提高將更為明顯，進(jìn)一步證明降低排煙溫度對(duì)鍋爐效率提高的重要意義。
進(jìn)一步計(jì)算可以得出在不同排煙溫度下鍋爐實(shí)際熱效率的變化趨勢(shì)。鍋爐效率隨著排煙溫度的變化分為2個(gè)比較明顯的區(qū)域：在60～180℃變化緩慢，而在20～60℃變化較大。這主要是因?yàn)榕艧煋p失中水蒸氣潛熱損失占的比例大于煙氣顯熱的結(jié)果。當(dāng)鍋爐排煙溫度降到20℃時(shí)，鍋爐效率理論上可達(dá)
107.4%。
排煙中的水蒸氣潛熱在57℃以下才能得以回收，能夠回收的熱量依賴(lài)于所要求的利用溫度和利用率。如果利用溫度接近排煙的露點(diǎn)溫度，僅能回收較少的熱量。利用溫度越低，回收的熱量越多。因此，低溫下余熱冷水可獲得高的回收率，而在較高的溫度下輸出熱能會(huì)降至可以回收的能量數(shù)量。
2余熱回收其它影響因素
2.1 余熱回收器受熱面的磨損問(wèn)題
將余熱回收器管排設(shè)計(jì)成膜式管排(或 H
型管排)，這種結(jié)構(gòu)迫使煙氣流動(dòng)趨于層流，管排間沒(méi)有煙氣擾動(dòng)，在同樣煙速下，與螺旋肋片式和光管式相比較是最不易磨損的受熱面布置形式。而且由于每個(gè)煙道的邊界管排與煙氣的磨擦，而形成中間流速高，兩邊流速低的分布方式。因此，管壁附近煙氣流速低于平均值，煙氣擾動(dòng)比較弱，緩解了飛灰對(duì)省煤器的磨損。另外，煙氣流速對(duì)受熱面的磨損影響最大，布置受熱面時(shí)煙氣流速不宜過(guò)大，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)調(diào)整管排橫向截距，來(lái)改變受熱面的煙速，可有效避免余熱回收器管排的磨損問(wèn)題。
2.2 煙道阻力問(wèn)題
鍋爐整個(gè)煙道阻力主要由引風(fēng)機(jī)和煙囪自拔力來(lái)克服，其中引風(fēng)機(jī)是主要因素。安裝余熱回收器后鍋爐整體煙氣阻力必然增加。以某電廠(chǎng) 3
號(hào)爐熱力計(jì)算結(jié)果為例，煙道阻力增加約 70 Pa
左右。在加裝余熱回收器的同時(shí)是否對(duì)引風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，進(jìn)一步提高出力，確保安裝余熱回收器后鍋爐本體的正常運(yùn)行，視現(xiàn)場(chǎng)情況確定。
2.3余熱回收器管內(nèi)壁結(jié)垢問(wèn)題
受熱面管內(nèi)壁結(jié)垢主要發(fā)生在蒸發(fā)段，因?yàn)檎羝娜茺}能力與水比較相差很大。而在余熱回收系統(tǒng)中最高點(diǎn)溫度也不會(huì)超過(guò) 120
℃，整個(gè)系統(tǒng)仍處于液相，管內(nèi)壁結(jié)垢問(wèn)題較小。
3結(jié)語(yǔ)
(1)與煤和石油相比，天然氣是一種非常理想的清潔能源，排放煙氣對(duì)環(huán)境壓力小，并且非常適合將其改造為冷凝式余熱回收鍋爐，提高鍋爐利用效率。
(2)天然氣鍋爐排放的煙氣中含有一定量的水蒸氣，若將排煙溫度降低到露點(diǎn)溫度以下回收水蒸氣釋放的氣化潛熱，可將鍋爐效率提高10%以上。
(3)合理設(shè)置關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)余熱回收系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，國(guó)內(nèi)一些電廠(chǎng)成功設(shè)計(jì)安裝了余熱回收利用系統(tǒng)，為電廠(chǎng)帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
