燃氣鍋爐排煙余熱回收都有哪些技術?

由于中國多年的工業發展,以煤炭作為主要燃料的工業鍋爐仍占據著主導地位。為迎合國情工業在迅猛發展的同時也造成了霧霾等空氣污染的日益嚴重,國家意識到這一點后發表了不少有關工業發展中保護環境的政策。

? ? ? ?而天然氣工業的迅猛發展也給環保帶來了曙光。以此種清潔能源為燃料的鍋爐將會逐漸增多。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,減輕了對環境的壓力,但燃燒后產生的大量水蒸氣隨高溫煙氣排放到環境中,造成了能量的嚴重浪費。而采用冷凝式鍋爐將高溫煙氣中的顯熱和潛熱予以回收,可以達到充分利用能源降低運行成本的效果。

?一、環保鍋爐的秘密——冷凝置換器?

? ? ? ?冷凝式換熱器就是增設在天然氣鍋爐尾部的余熱回收裝置,當煙氣在通道內通過傳熱面,溫度降至露點溫度以下,從而使排煙中的水蒸氣凝結釋放潛熱傳遞給回收工質,可以將排煙中大量的能量加以回收利用,從而達到節能環保的效果。隨著制造工業的不斷發展,各種新型高效的冷凝換熱裝置層出不窮,不論從結構還是實際余熱回收效果來看都有了非常大的改進。

冷凝器|網絡圖片

?二、煙氣分析?

? ? ? ?天然氣成分絕大部分為烴,燃氣鍋爐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大。每1m3天然氣燃燒后可以產生1. 55kg水蒸氣,具有可觀的汽化潛熱,大約為3700 kJ/Nm3,占天然氣的低位發熱量的10%以上。傳統鍋爐中,排煙溫度一般在160~250℃,煙氣中的水蒸氣仍處于過熱狀態,不可能凝結成液態的水而放出汽化潛熱。因此傳統的天然氣鍋爐理論熱效率一般只能達到95%左右,利用冷凝式換熱器只要把煙氣溫度降到煙氣露點溫度以下,就可回收煙氣中的顯熱和水蒸氣的凝結潛熱,按低位發熱量為基準計算,天然氣鍋爐熱效率可達到和超過109%。

1、露點計算

? ? ? ?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時,將有水滴析出,此時的溫度即為露點溫度。天然氣燃燒特性分析(以1 m3天然氣計算)煙氣中水蒸氣的體積分數達17˙4%,若燃燒在大氣壓力下進行,當空氣過量系數α為1.1時(本文中的計算均以此作為計算依據),其相應的煙氣露點溫度是57℃。

? ? ? 通過觀察可知,煙氣露點溫度隨過量空氣系數的變化而變化。因為根據道爾頓分壓定律,露點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,隨著過量空氣系數的增加,煙道中水蒸氣的相對體積減小,水蒸氣的容積份額會有所下降,其露點溫度也隨之降低。實際上,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,經計算的露點溫度誤差不超過0.3%(符合實際要求的范圍),并且由于實際燃燒的影響因素較多,也使得計算不可能達到很精確,通常是在理論值附近的一個范圍內波動,在實際應用中還需根據不同情況進行修正分析。

2、熱效率解析

? ? ? 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存在的水量的多少。當水蒸氣冷凝時,煙氣中存在復雜的現象: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不凝氣體層才能達到液膜表面發生冷凝。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生的凝結水量與燃燒所生產的水蒸氣量的比值,其中,燃燒所產生的水蒸氣包括天然氣燃燒生成的水蒸氣及空氣和燃氣所帶入的水蒸氣。

? ? ? 僅煙氣中的潛熱就對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以下對潛熱加以回收利用,對以低位發熱量為基準進行計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相對減小,那么熱效率的提高將更為明顯,進一步證明降低排煙溫度對鍋爐效率提高的重要意義。

? ? ?進一步計算可以得出在不同排煙溫度下鍋爐實際熱效率的變化趨勢。鍋爐效率隨著排煙溫度的變化分為2個比較明顯的區域:在60~180℃變化緩慢,而在20~60℃變化較大。這主要是因為排煙損失中水蒸氣潛熱損失占的比例大于煙氣顯熱的結果。當鍋爐排煙溫度降到20℃時,鍋爐效率理論上可達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降至可以回收的能量數量。

?三、余熱回收?

1、避免余熱回收器受熱面的磨損的全過程

? ? ? 將余熱回收器管排設計成膜式管排(或 H 型管排),這種結構迫使煙氣流動趨于層流,管排間沒有煙氣擾動,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,煙氣擾動比較弱,緩解了飛灰對省煤器的磨損。另外,煙氣流速對受熱面的磨損影響最大,布置受熱面時煙氣流速不宜過大,設計時通過調整管排橫向截距,來改變受熱面的煙速,可有效避免余熱回收器管排的磨損問題。

2、煙道阻力

? ? ? 鍋爐整個煙道阻力主要由引風機和煙囪自拔力來克服,其中引風機是主要因素。安裝余熱回收器后鍋爐整體煙氣阻力必然增加。以某電廠 3 號爐熱力計算結果為例,煙道阻力增加約 70 Pa 左右。在加裝余熱回收器的同時是否對引風機進行改造,進一步提高出力,確保安裝余熱回收器后鍋爐本體的正常運行,視現場情況確定。

3、一直被擔憂的小問題——余熱回收氣管內壁結垢

受熱面管內壁結垢主要發生在蒸發段,因為蒸汽的溶鹽能力與水比較相差很大。而在余熱回收系統中最高點溫度也不會超過 120 ℃,整個系統仍處于液相,管內壁結垢問題較小。

總結

1、與煤和石油相比,天然氣是一種非常理想的清潔能源,排放煙氣對環境壓力小,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、合理設置關鍵技術參數,可實現余熱回收系統長期穩定運行,為企業帶來了良好的經濟效益。

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