超低排煙溫度的高效燃氣熱水鍋爐

超低排煙溫度的高效燃氣熱水鍋爐亢艷濱，車得福，劉銀河劉衛(wèi)東2，方勝2（1.西安交通大學鍋爐研究所，西安710049；2.三北拉法克鍋爐有限公司，河北張家口075000）燃氣熱水鍋爐的熱效率。對超低排煙溫度燃氣熱水鍋爐進行了技術(shù)和經(jīng)濟兩方面的可行性分析，結(jié)果表明，超低排煙溫度鍋爐在技術(shù)上可以實現(xiàn)鍋爐的安全穩(wěn)走運行，在經(jīng)濟上可帶來可觀的經(jīng)濟效益；對于出水溫度為95！的燃氣熱水鍋爐，還給出了相應(yīng)的經(jīng)濟排煙溫度，可選在105~115！左右。
　　1前言隨著北京申成功，壞境污染治理的新一輪高潮將在全國掀起。作為壞境污染大戶的工業(yè)鍋爐，必將在這一輪高潮中得到進一步治理，在大中城市，分布廣、能耗高、污染重的燃煤鍋爐將逐步被效率高、污染小的燃油燃氣鍋爐所取代。目前，國家已放寬了城市中小型工業(yè)鍋爐和生活鍋爐燃油品的限制并提倡使用天然氣，全國的一些大中城市為適應(yīng)長期發(fā)展的要求，逐步制走法規(guī)限制燃煤鍋爐的使用。
　　例如，西安市規(guī)走，從1997年7月1曰后，新建鍋爐全部采用天然氣。燃氣尤其是天然氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的燃料，鍋爐使用天然氣，不但能夠減少對壞境的污染，而且在技術(shù)和經(jīng)濟上是可行的。我國的天然氣資源分布廣泛，儲量豐富，燃氣鍋爐的使用前景十分光明。
　　但是，目前燃氣特是天然氣的價格比較昂責，鍋爐燃氣的使用還不如燃煤經(jīng)濟，因此，為適應(yīng)市場需求，進一步提高燃氣鍋爐效率，降低燃氣的單位能耗等問題迫切需要解決。鑒于此，本文在對燃氣鍋爐熱損失分析的基礎(chǔ)上，對進一步降低鍋爐排煙溫度進行了技術(shù)上和經(jīng)濟上的可行性分析，并針對特走的燃氣熱水鍋爐提出經(jīng)濟排煙溫度。
　　2燃氣鍋爐熱損失的分析要提高鍋爐熱效率，就要減少各種熱損失。對于燃氣鍋爐，由于氣體燃料燃燒后幾乎沒有灰分，更沒有固體、液體燃料的機械不芫全燃燒現(xiàn)象，即機械未芫全燃燒熱損失6 4、灰渣物理熱損失6均為零；在鍋爐正常運行的情況下，化學未芫全燃燒熱損失63接近于零；散熱損失65和鍋爐的爐型及維護結(jié)構(gòu)有關(guān)，對于燃氣鍋爐，一般都是小型的快裝爐，外表面積較小，并采用了高熱阻及封閉的外罩作為保溫層，6 5也不大，并且隨鍋爐容量的增大而減少718，如2.8麗熱水鍋爐的6 5約為2；。因此，燃氣鍋爐的最為主要的熱損失是排煙熱損失62.所謂的排煙熱損失是指煙氣離開末級受熱面帶表IWNS1.4-0.7/95/70-QT鍋爐的熱損失隨排煙溫度變化的情況參數(shù)符號單位數(shù)值排煙腧平均過量空氣系數(shù)排煙熱損失化學不完全燃燒損失機械不完全燃燒損失散熱熱損失灰渣熱損失鍋爐熱效率鍋爐熱效率增加量厶7走的熱量，它決走于排煙溫度和排煙量。對于一走的燃料，排煙量決走于過�？諝庀禂�(shù)的大小，而過剩空氣系數(shù)又和燃燒狀況直接相關(guān)。降低排煙溫度和減小過�？諝庀禂�(shù)，尤其是在保證較小的過剩空氣系數(shù)情況下，降低排煙溫度可顯著地減少排煙熱損失+2.如本文所舉實例，燃氣熱水鍋爐WNS1.4-0.7/95/70-QT熱效率隨排煙溫度降低的變化情況，數(shù)據(jù)如表1.另外，燃氣中含有大量的氫，如天然氣中氫重量約占208！258，燃燒后產(chǎn)生大量的水蒸氣，在煙氣中水蒸氣的汽化潛熱約為4000k/N；3，而現(xiàn)在的燃氣鍋爐的排煙溫度一般在1=！250"之間，這意味著，每燃燒1N；3的燃氣，水蒸氣將帶走4000k左右的熱量，這部分熱量隨煙氣進入大氣后成為廢熱。降低排煙溫度可減少這部分熱量的損失，并可實現(xiàn)對這部分熱量的部分回收2.目前，西安交通大學鍋爐研究所正致力于冷凝式高效燃氣鍋爐的研究和開發(fā)工作。研究表明，根據(jù)現(xiàn)階段燃氣熱水鍋爐排煙溫度偏高的實際情況，即使不回收煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，僅通過降低排煙溫度來充分地利用顯熱，也會取得較好的經(jīng)濟效益。因此，降低鍋爐的排煙溫度是必要的。
　　3降低排煙溫度的方法對于小型燃氣快裝鍋爐，降低排煙溫度，相應(yīng)地各受熱面的吸熱量增加，也就是要增加受熱面的面積或提高受熱面的換熱效率。具體實施有兩種情況：（1）通過增加鍋爐本體對流受熱面的換熱面積或采用提高對流換熱系數(shù)的方法，降低排煙溫度。
　　對于鍋式燃氣鍋爐，增加受熱面面積主要是增加煙管的根數(shù)、長度，這種方法簡便易行，但過多的煙管根數(shù)會使管束內(nèi)的煙氣流速變得很小，不利于換熱，甚至發(fā)生傳熱惡化，并且使鍋爐體積明顯增大，增加制造成本；提高對流換熱系數(shù)，一般采用變截面管、內(nèi)插擾流子、管外加肋片的強化傳熱管等制造對流受熱面，管子類型有螺紋管、橫紋管、凹窩管、內(nèi)插麻花帶、內(nèi)插螺旋彈簧絲、內(nèi)制翅片管、螺旋肋片管等，其中最常用的是螺紋管。使用強化管可明顯提高受熱面的對流換熱系數(shù)，增強換熱效果，在吸收相同熱量的情況下可使鍋爐結(jié)構(gòu)更緊湊，但增加了鍋爐的制造成本。
　�。�2）增加尾部受熱面，降低排煙溫度。
　　在煙氣從對流管束出來進入大氣之前，增加一類似于鍋爐省煤器的尾部受熱面，吸收煙氣的部分熱量，同時可使煙氣中的水蒸氣凝結(jié)放熱，受熱面將所吸收熱量送回鍋爐，在降低排煙溫度的同時，提高了鍋爐的熱效率。由于是單獨布置的受熱面，因此不會影響到對流管束，冷凝水不會凝結(jié)在對流管束上，從而使對流管束避免受到氧腐蝕的影響，也避免了對流管束尾部受熱面的傳熱惡化。同時，由于受熱面采用鑄鐵管或一般的碳鋼管，綜合尾部受熱面的費用，降低了鍋爐成本。
　　4低排煙溫度的可行性分析排煙溫度的選擇是受安全性和技術(shù)經(jīng)濟性制約的3.安全性主要是指鍋爐運行的穩(wěn)走性和使用壽命問題，較低的排煙溫度可引起對流受熱面的低溫腐蝕，而對流受熱面的低溫腐蝕對鍋爐的安全運行構(gòu)成了嚴重威脅。技術(shù)經(jīng)濟性主要是指設(shè)計方案的技術(shù)先進性和經(jīng)濟合理性。燃氣熱水鍋爐排煙溫度的選擇應(yīng)把二者綜合起來加以考慮。
　　4.1安全性分析低溫腐蝕的根本原因是鍋爐燃料中含有硫分，硫在燃燒過程中反應(yīng)生成S2，高溫下產(chǎn)物少量轉(zhuǎn)化為SO3，S3與煙氣中的水蒸氣反應(yīng)生成硫酸蒸汽，當煙氣溫度降至其露點溫度以下時，硫酸蒸汽在鍋爐受熱面上凝結(jié)成硫酸溶液，造成低溫腐蝕，威脅鍋爐的安全運行。
　　表2常用鍋爐燃氣組分（體積百分比序燃料種類成分體5 ER數(shù)陜北天然氣液化石油氣油田伴生氣對于鍋爐所用燃氣尤其是天然氣，從表2可以看出，氣體燃料中硫的含量是極少量的，有的甚至不含有硫分，而且燃氣在輸送到用戶之前都經(jīng)過凈化處理，因此燃氣可視為潔凈燃料，燃燒產(chǎn)物中的S2和SO%可以略去。所以燃氣鍋爐的低溫腐蝕得到了極大改善，并且，煙氣中基本不含灰分，受熱面污染小，傳熱效果好，所以燃氣鍋爐可以采用較低的排煙溫度。
　　4.2技術(shù)經(jīng)濟性分析目前，國內(nèi)生產(chǎn)的燃氣熱水鍋爐的出水溫度一般為95！130"，排煙溫度一般在180"左右，所以降低排煙溫度有很大的空間�，F(xiàn)在燃氣特是天然氣的價格還比較責，如陜北天然氣約為145元/Nm3，因此對于燃氣鍋爐用戶來講，迫切希望減少燃氣的單位能耗，節(jié)約運行費用。
　　通過前面的分析可以看到，降低鍋爐的排煙溫度可明顯提高鍋爐熱效率，減少燃料單位時間內(nèi)的消耗，節(jié)約運行費用。但運行費用的節(jié)約只是一個方面，還應(yīng)綜合初投資來考慮。選擇低排煙溫度必然增加鍋爐的制造成本，所增加的這部分初投資主要來自鍋爐本體制造成本注要是鋼材成本）的增加，而鍋爐其他部件包括燃燒器、輔機、控制系統(tǒng)及其他部件）基本不變，相應(yīng)的成本也就不發(fā)生變化。這樣，經(jīng)濟性分析要考慮的就是通過增加鍋爐本體制造成本來減少燃氣的單位時間耗量是否能夠帶來一走的經(jīng)濟效益。
　　4.3技術(shù)經(jīng)濟性分析舉例例，說明降低排煙溫度帶來的經(jīng)濟效果。鍋爐的設(shè)計參數(shù)如表3.表3鍋爐設(shè)計參數(shù)參數(shù)符號單位數(shù)值額定供熱量工作壓力額定出水溫度廣給水溫度冷空氣溫度燃氣種類陜北天然氣（見表2）鋼材價格（按現(xiàn)行價格ft嗔）設(shè)計時鍋爐采用德國威索G7燃燒器、傳統(tǒng)三回程濕背式順流燃燒、波形爐膽底部對稱布置。選取1<0"為鍋爐的傳統(tǒng)排煙溫度，設(shè)計時二、三回程采103"為降低后的排煙溫度，設(shè)計時通過提高鍋爐本體對流受熱面的換熱系數(shù)并適當增加受熱面的面積（即二、三回程采用螺紋管并適量增加管束根數(shù)）以滿足各排煙溫度下的鍋爐設(shè)計要求。通過對鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱力計算、阻力計算、受壓元件強度計算、經(jīng)濟性分析數(shù)據(jù)計算得到了鍋爐五個合理的設(shè)計方案4，5，結(jié)果如表4.由表4及可以看出，降低排煙溫度可帶來可觀的經(jīng)濟效益，并且二者呈正向關(guān)系，即經(jīng)濟效益隨著排煙溫度的降低而增大。當鍋爐運行一走時間后，鋼材所增成本便可由節(jié)省的燃料費用予以回收，表4 WNS1.4-0.7/95/70-QT鍋爐各方案計算數(shù)據(jù)參數(shù)符號單位汝值排煙溫度鍋爐本體鋼材成本元鋼材所增成本元w增加百分比燃料單位時間耗量義降低百分比燃料單位時間節(jié)約費用元鋼材所增投資回收時間鍋爐運行小時數(shù)注：非煙溫度為180"的設(shè)計方案為比較基準若參照的排煙溫度大于180"，將會有更好的經(jīng)濟效益。
　　進而隨著鍋爐運行時間的增加，經(jīng)濟效益逐漸增大。
　　在設(shè)計所選的幾個排煙溫度中，以103！和110！的設(shè)計方案經(jīng)濟效果較佳，如果鍋爐總運行2萬小時，則比一般排煙溫度的鍋爐節(jié)約資金15~20萬元。值得指出的是，燃料、鋼材的價格是變化的，因此以上數(shù)據(jù)也是變化的。
　　由此可見，燃氣熱水鍋爐選擇超低排煙溫度經(jīng)濟效益顯著。
　　相10崧5 Q -一排煙溫度為124的鍋爐設(shè)計方案4一排煙溫度為110的鍋爐設(shè)計方案一排煙溫度為103的鍋爐設(shè)計方案各方案節(jié)能所獲經(jīng)濟效益排煙溫度進行了分析，結(jié)果如表5.表5出水溫度為95C的鍋爐經(jīng)濟fit煙溫度鍋爐型號理論分析所得最低經(jīng)濟排煙5實用經(jīng)濟排煙溫度的選擇通過以上分析可以得出這樣一個結(jié)論，降低排煙溫度確實可帶來可觀的經(jīng)濟效益。但排煙溫度不能夠無限制的降低，筆者通過大量的分析和計算后認為，燃氣熱水鍋爐排煙溫度的選擇在技術(shù)性上主要受三方面制約：（1）鍋爐出水溫度；（2）二、三回程管束內(nèi)的煙氣流速；（3）增大對流受熱面積或提高換熱系數(shù)的有效性。首先，鍋爐的排煙溫度應(yīng)比出水溫度高，以保證傳熱所需的足夠溫差；其次，必須保證煙管內(nèi)的煙氣流速，以保證煙管穩(wěn)走傳熱和鍋爐安全運行，根據(jù)推程10，煙管內(nèi)的煙氣流速值不應(yīng)小于8m/S；第三，即使管內(nèi)煙氣流速可以降至足夠低，但對流受熱面積增加到一走程度之后，所起作用不再明顯。例如對所設(shè)計的WNS1.4-0.7/95/70-QT燃氣熱水鍋爐，二、三回程均采用螺紋管，有如下設(shè)計結(jié)果：表6兩種方案的數(shù)據(jù)比較方案排煙溫度re）第二回程煙管根數(shù)第三回程煙管根數(shù)RM1，萬茱B弟二凹桂多瑙卯的抿煙苜胚小到明顯的作用。因此，若進一步降低排煙溫度，則必須采用換熱系數(shù)更高的強化管，這方面工作還有待深入的研究和探討。
　　基于上述原則，出水溫度為95！的燃氣熱水鍋爐的經(jīng)濟排煙溫度可選在比鍋爐出水溫度高10"20！
　　左右，鍋爐即可滿足設(shè)計和運行要求，同時可帶來較好的經(jīng)濟效益。
　　6結(jié)論綜上所述，可以得出以下兩個結(jié)論：從技術(shù)和經(jīng)濟兩個方面，燃氣熱水鍋爐采用低排煙溫度是可行的。超低排煙溫度鍋爐在技術(shù)上可以實現(xiàn)鍋爐的安全穩(wěn)走運行，在經(jīng)濟上可帶來可觀的經(jīng)濟效益；對于出水溫度為95！的燃氣熱水鍋爐，經(jīng)濟排煙溫度可選在105~115！左右，比通常認為的經(jīng)濟排煙溫度降低70"80！，為大幅度提高燃氣熱水鍋爐提供了理論依據(jù)。