烟气冷凝器（精选四篇）
烟气冷凝器 篇1
化石燃料燃烧产生的CO2是造成温室效应的主要原因之一, 21世纪人类面临的最大问题就是能源与环境问题。作为世界上最大的煤炭生产和消费国家, 中国早已在2007年就超过美国成为世界上最大的CO2排放国。富氧燃烧技术是应对气候变化十分有效的技术, 中国政府非常重视其发展, 它是一种能捕获高浓度CO2的洁净煤发电技术[1,2]。35 MWth富氧燃烧碳捕获关键技术、装备研发示范工程是华中科技大学的一个国家科技支撑计划项目, 利用久大应城制盐有限责任公司废弃的65 t锅炉厂房, 建造一台全新的35 t锅炉系统。
本文以该富氧燃烧电站运行时的烟气为研究对象, 用一种无填料的空心结构的直接接触式烟气冷凝器对循环的烟气进行冷凝实验, 通过热负荷计算设计冷却水的流量, 选定喷淋方式, 收集烟气通过冷凝器前后温度、压力, 分析烟气中水蒸气变化情况, 为直接接触式烟气冷凝器的设计提供重要参考。
1 烟气冷凝器和相关计算
1.1 烟气冷凝器的作用
富氧燃烧锅炉的再循环烟气分为两部分:一次循环烟气用于干燥和输送煤粉, 二次循环烟气满足炉膛温度与换热需要[3]。一次风通常都采用经过脱硫和冷凝处理后的干循环烟气, 二次风通常拥有很多种选择, 根据具体抽取位置的不同可将富氧燃烧系统分为湿循环燃烧系统、干循环燃烧系统和高温循环燃烧系统。为了保证磨煤机正常运行, 烟气中水蒸气含量不超过5%是最为理想的情况, 所以需要使用烟气冷凝器[4]。烟气冷凝器利用冷却介质和烟气之间的温差来传热, 用低温冷却介质降低烟气温度, 使其中的水蒸气凝结成水并分离。
1.2 烟气冷凝器类别
烟气冷凝器是换热器的一种, 可以分为表面式和直接式两种。表面式烟气冷凝器流程简单, 用金属面将冷热流体分开, 在靠近换热面的区域换热, 冷却水温度升高, 同时烟气温度下降释放显热, 水蒸气凝结释放潜热。直接接触式烟气冷凝器将冷热流体直接接触, 通过传热传质, 冷却水温度升高, 同时烟气温度降低, 水蒸汽凝结。表面式烟气冷凝器具有冷却水不易污染的显著优势, 但结构庞大, 初期投资较大。直接接触式烟气冷凝器换热效率高, 体积小, 初期投资小, 但要求冷却源和冷却介质能够直接接触, 不生成有害产物。一般情况下, 直接接触式烟气冷凝器更适合大规模工程项目使用。
1.3 热负荷计算
传热负荷由烟气显热量, 烟气中水蒸气的显热量和水蒸气凝结释放的潜热组成。根据比热容公式可以得到下列计算公式:
式 (1) ~式 (3) 中, mf、ms、mc分别为烟气、烟气中的水蒸气、凝结水的质量流量, kg/hr;cpf、cps分别为烟气、水蒸气比热, k J/ (kg·K) ;r为水蒸气潜热, k J/kg;Δt1为烟气进出口的温差, ℃;qf、qs、qc分别为每小时的烟气显热量、每小时烟气中水蒸气的显热量、每小时水蒸气凝结的汽化潜热, W。
冷却介质的流量与温差关系可由热平衡确定, 见下式:
式 (4) 中, mw为冷却水的质量流量, kg/hr;cpw为冷却水的比热, k J/ (kg·K) ;Δtw是其温升, ℃;Q为每小时冷却水的吸热量, W。
1.4 冷却水进出口温度的确定
采用水作为冷却介质, 水和烟气换热以后温度升高, 进入冷却塔冷却以后循环使用。冷却水采用工业用水, 温度可认为是周围环境温度, 假设为28℃。如果冷却水流量过小, 冷却水出口温度T0就要接近烟气温度, 则传热传质区域要增大, 进而需要更大尺寸的烟气冷凝器, 从而烟气冷凝器成本增加。如果冷却水流量过大, 则需要更大的冷却塔, 同时使得冷却水循环费用增加。因此, 冷却水的出口温度存在一个经济的最佳值[4]。通常, 用下式决定冷却水出口温度:
式 (5) 中, T0为冷却水出口温度, ℃;Ti为冷却水进口温度, ℃;Ts为烟气中水蒸气的饱和温度, 可取为烟气的进口温度, ℃。
2 实验过程及相关数据
2.1 实验初始条件
实验采用神华煤进行燃烧生产烟气, 50%的煤粉颗粒直径为35μm, 20%的煤粉颗粒直径为90μm。稳定后测得循环烟气包含水蒸气的总量为30 407 Nm3/h, 温度为56℃, 压力为一个标准大气压。其中测得水蒸气含量为5 169.3 Nm3/h, N2含量为796.98 Nm3/h, O2含量为1 168.9 Nm3/h, CO2含量为23 271.82 Nm3/h, NOx含量为439.5 mg/m3, SO2的含量为64.8 mg/m3。根据水蒸气饱和分压的对应关系, 烟气中水蒸气的含量不超过5%是最理想的工作条件, 在一个标准大气压下, 需要使得烟气冷凝器出口温度不超过33℃。进而通过上述公式, 求得热负荷为2 MW, 水蒸气凝结量为3 841 m3/h, 需要理想冷却水的流量为72 t/h, 冷却水出口温度为51.8℃。
2.2 实验装置及实验过程
实验采用现有装置作为直接接触式烟气冷凝器, 该装置采用碳钢材料, 高10.8 m、直径4.1 m, 布置在脱硫塔后面, 烟气脱硫后即进入冷凝器。烟气从冷凝器底部侧面进入, 从下往上运动到顶部进而返回烟道。冷却水由给水泵从冷却塔抽出, 送入冷凝器顶部, 通过烟气分布装置喷淋而下, 与烟气直接接触换热, 然后通过排水泵抽回冷却塔冷却。烟道入口高度为2.8 m, 冷却水喷淋层的高度为5.2 m, 因此换热区域的高度为2.4 m。冷却水喷淋层有12个均匀分布的实心螺旋喷嘴, 喷嘴的角度为60°。使用宜兴产的宙斯牌给水泵和排水泵, 型号为100UHB-UF, 扬程为13 m, 额定流量为80m3/h, 功率为11 k W, 额定转速为1 900 r/min。使用现有空冷式冷却塔, 塔高2.5 m, 直径3 m。烟气冷凝器装置出入口均设置有金属温度计和压力表, 时刻检测烟气的温度和压力, 并通过电流信号传递给操作室的中控系统。中控系统采用浙江中控系统, 可以在电脑上直接读取温度和压力数据。以1 000 min为一个实验周期, 进行多次实验, 发现实验结果相差不大, 选取其中一组实验结果进行分析。
2.3 实验结果
烟气进入冷凝器是一个升温过程, 除去这个短暂的升温过程, 烟气入口温度在200 min以前稳定在53℃左右, 烟气出口温度在45℃附近, 此时计算得对应的水蒸气含量为9.4%, 冷却水的入口温度为32℃。200min~400 min又是一个升温的过程, 入口温度上升到56℃左右达到稳定。稳定时烟气进入冷凝器的温度为56℃, 冷却水入口温度为34℃, 通过直接接触式冷凝器, 烟气温度下降, 离开冷凝器的温度区间为46.8℃~47.5℃, 可计算得对应的水蒸气含量为10.3%~10.7%。同时可以计算得烟气温度稳定后, 冷却水进出口温差为13.4℃, 推得此状态下冷却水的出口温度为47.4℃。烟气进入冷凝器的表压为4.5 k Pa, 离开时的表压为2.5k Pa, 压降为2 k Pa, 无论是进出口冷凝器测得的压力和大气压相比, 还是前后压差与大气压相比都可以忽略, 所以可以认为烟气参数仍然处在标准大气压下[5]。
2.4 结果分析
由于冷却水的初始温度远高于预期值, 冷却塔尺寸较小, 不能很好地降低循环冷却水温度, 导致烟气出口温度过高, 水蒸气含量高于理想情况, 所以需要对系统进行改进。即使冷却水初始温度过高, 冷却水出口温度仍小于51.8℃, 同时换热高度只有2.4 m的情况下, 证明了该装置仍有继续降温的潜力。
3 结语
经过多次实验, 设备均运行良好, 无故障出现, 完成了碳捕获的终极任务, 总体来看这种无填料的空心结构的直接接触式烟气冷凝器方案是可行的。该方案简单, 易于设计建造及维护, 有良好的应用前景。实验结果仍有一定的不足之处, 但可以用这些实验数据进行仿真模拟, 节省后续实验费用, 为今后进行直接接触式烟气冷凝器的研究提供了宝贵的实验依据。
参考文献
[1]阎维平.洁净煤发电技术的发展前景分析[J].华北电力大学学报, 2008, 35 (6) :67-71.
[2]李庆钊, 赵长遂, 武卫芳, 等.O2/CO2气氛下燃煤燃烧反应动力学的试验研究[J].动力工程学报, 2008, 28 (3) :447-452.
[3]阎维平, 董静兰, 马凯.富氧燃煤锅炉烟气再循环方式选择与水分平衡计算[J].动力工程学报, 2011, 31 (12) :893-898.
[4]车得福.冷凝式锅炉及其系统[M].北京:机械工业出版社, 2002.
一种新型高效烟气冷凝器 篇2
【关键词】燃气锅炉，烟气冷凝器，304L，波纹管
一、项目背景
近年来，世界能源结构发生了巨大的变化，由于燃料煤的使用，对地球环境造成了巨大的环境灾难，节能减排成为当前中国乃至世界能源工作的中心议题，随着新能源的开发使用，煤炭已经逐渐退出了民用供热领域，石油、天然气、电能已经成为民用供热的主要能源。其中，天然气作为一种高效、环保的能源在能源消费结构上占有越来越重要的地位，高效利用天然气的新设备、新技术逐渐成为能源环境工程领域的一个热门课题。
随着我国吸气东输、川气东送和北气南下等一批天然气主干管网的建成投产，我国天然气消费将呈现持续高速增长的态势。又燃气锅炉具有效率高、环保、易实现自动化、作业性好等优点。尤其是在排烟成分上，因气体燃料基本上无灰分，含氮量和含硫量低，故燃料烟气中硫化物和氮氧化物的含量都很低，同时燃气锅炉采用管道输送，没有灰渣。故中部地区城市热水蒸汽锅炉大量采用燃气锅炉。
但是，因燃气锅炉是以天然气为原料进行燃烧提供热的，而天然气主要成分为甲烷（CH4），燃气锅炉的排烟中水蒸气的含量较高，资料表明，排烟中可利用的热能中，水蒸气的气化潜热所占份额相当大。每1m3天然气燃烧后可产生1.55kg水蒸气，具有大约3700kJ/Nm3热量，占天然氣的低位发热量的10%以上。排烟温度在160℃～270℃，烟气中的水蒸气仍处于过热状态，大量的显热和潜热被排放到大气层，其中硫、氮的氧化物容易引起酸雨酸雾，破坏了生态环境，同时大量高温气体的排放，降低锅炉的燃烧热效率，提高运行费用。
二、新型烟气冷凝器设计
（一）新型烟气冷凝器材料的选择
304L不锈钢是一种通用性的不锈钢，被广泛应用于制作要求良好综合性能的设备和机件。
化学成分：C≤0.03，Si≤1.0，Mn≤2.0，Cr：17.0～19.0，Ni：8.0～11.0，S≤0.03
主要特性
1.具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。
2.具有优良的冷热加工和成型性能。
3.低温性能较好。
4.具有良好的焊接性能
与304相比，304L含镍量比304高，并且更重要的是304L比304含碳量小很多。304L在焊接点上或者其他处理的地方放点蚀上面比304更胜一筹。304L更耐腐蚀， 比304用途广泛，具有良好的耐腐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性。冲压弯曲等热加工性好。无热处理硬化现象，无磁性，使用温度-196℃～800℃。304L焊接后或消除应力后其抗晶界腐蚀能力优秀，在未进行热处理的情况下亦能保持良好的耐腐蚀性。
（二）新型烟气冷凝器形式的选择
波纹管换热器的设计是基于管壳式换热器结构的基础上，对传热元件进行开发设计，用专用设备将薄壁不锈钢管加工成内外均为连续波纹状曲线的波纹管。波纹管因其特殊结构而具有以下特点：
1.传热系数高。当介质在波纹管及管外流动时，因其流动面积和流速方向不断变化，使介质受到了强烈的扰动，这种扰动来自管外介质的三维运动，因此其扰动程度更为强烈和彻底，即使介质流速很低，也能达到充分湍流，所以传热系数很高。
2.可承受中低压，耐腐蚀，寿命长。波纹管由于本身的波纹曲线和冷加工变形，即使管壁较薄，也能承受较大的压力，对化工行业中的中低压换热工况，是安全可靠的；对于不同的介质以选用不同的不锈钢，可以使用优质材料提高设备的抗腐蚀能力，减少运行费用，延长设备的使用寿命。
3.适应大温差工况，可以实现自我补偿温差应力。 波纹管是有连续的波纹组成的，管壁薄，且不锈钢材质韧性好，使它具有一定的轴向伸缩能力，进而补偿和吸收换热器和简体在工作状态下由于温差应力和压差应力产生的变形。根据国家锅炉压力容器标准化委员会出版的锅炉压力容器标准案例-奥氏体不锈钢波纹管换热器设计案例中推荐，规格为φ32/25×0.8的波纹管换热管单波刚度值达到了56300N/mm。
4.可以防垢、清垢。在波纹管内外，流体对管壁的冲刷较强烈，同时不锈钢材质表明光洁度较高，因而可以在一定程度抑制水垢的生产，另外，由于波纹管的特殊形状和污垢与金属的热膨胀系数相差较大，会促使污垢脱落，实现自动清理。
5.维修方便。由于该产品不污染、不堵塞、不腐蚀、不结垢、因此不必每年维修，即使需维修，工作量也很小。
6.价格合理。由于该产品传热系数高，所需换热面积小；而且，波纹管的管壁较薄，结构紧凑。按换热能力计算，总造价不高。
（三）新型烟气冷凝器设计
该烟气冷凝器主要有波纹换热管、管套和筒体组成，其中，波纹管端部与具有一定饶度的管套焊接，管套再与筒壁进行强度焊接，这样的结构既可以保证波纹管的结构牢固，又可以使其具有原来很好的弹塑性。
烟气冷凝其工作时，使烟气锅炉的烟气从下至上通过该冷凝器的壳程，冷却水在管程中流动，通过烟气与波纹管的对流传热、波纹管自身的热传导及波纹管与水的对流传热，使得烟气温度降低，水的温度升高，实现对烟气余热的回收利用。
参考文献：
[1]穆连波.烟气冷凝余热深度回收利用装置的研究与应用研究[D].北京建筑工程学院，2011.3
[2] 张继宁，潘慧敏.专利：一种用于烟气处理的冷凝器.申请号：201120482655.9.公开号：CN202432526U
[3]赵钦新，王宇峰，王学斌，惠世恩，徐通模.我国余热利用现状与技术进展[J].工业锅炉.2009， 5
烟气冷凝器 篇3
1 循环流化床干法脱硫工艺简介及节水背景
长期以来, 由于种种原因, 我国大型燃煤机组, 特别是600MW及以上机组的烟气脱硫, 单一依赖高耗水、高耗能的石灰石/石膏湿法工艺。石灰石/石膏湿法脱硫工艺在低硫煤的烟气脱硫治理上技术经济性较差, 严重影响了我国富煤低硫缺水地区的煤电一体化基地的建设。循环流化床干法脱硫除尘一体化工艺具有节能、节水、环保等特点, 在富煤缺水地区得到了越来越广泛的应用。
循环流化床干法脱硫 (CFB-FGD) 是一种新型成熟的脱硫工艺。该工艺以循环流化床原理为基础, 以生石灰或消石灰为脱硫剂, 去除烟气中的SO2、SO3、HCl、HF、重金属等有害物质。通过控制物料与烟气的接触时间, 可获得90%~98%的稳定脱硫效率及99%以上的SO3、HCl、HF脱除效率。
为了提高脱硫效率, 吸收塔内需要喷入一定量的工艺水, 塔内喷水使脱硫除尘后的清洁烟气含水量 (体积分数) 增加至18%左右, 温度降至75℃, 最后经过烟囱直接排到大气, 带走大量的水蒸气, 对于1台330MW机组, 吸收塔内每小时喷水量为40t左右, 相当于排烟每小时带走40t的水蒸气。考虑西北地区水资源匮乏, 采用一种冷凝换热器对高含水量的净烟气进行降温冷凝, 并对冷凝水进行回收利用, 实现节水目标。
2 高含水分烟气特性
表1为1台330MW机组的锅炉烟气经过循环流化床干法脱硫工艺之前以及之后的烟气参数。
从表1中可以看出, 脱硫后的净烟气温度较低, 含水量较高, 若采用冷凝换热器对其进行降温至露点温度, 将有大量冷凝水析出。另外, 脱硫后的烟气酸性气体和粉尘的含量极低, 不会对换热器造成低温腐蚀和堵塞等问题。
3 高含水分烟气的冷凝特性
3.1 传热及传质分析
本文所研究的烟气冷凝是属于含有大量的不凝性气体的混合气体的凝结, 其中水蒸气的体积含量约为18%, 而不凝性气体的体积含量为82%。混合烟气的总压力等于蒸汽分压力和不凝性气体分压之和, 当含有不凝性气体的蒸汽与低于其露点的冷却壁面接触时, 紧靠壁面的蒸汽分压力降低, 而不凝性气体分压力增大。不凝性气体逐渐积聚在液膜外面形成不凝性气膜, 蒸汽分子必须靠扩散穿过这层气膜才能达到液膜表面进行凝结。因此它既不同于纯蒸汽的冷凝换热, 也不同于含有少量不凝性气体的蒸汽冷凝换热, 也不同于空冷器中的凝露, 我们称它为高水分烟气对流冷凝换热, 换热情况必须考虑大量不凝性气体的存在及其影响。
在烟气冷凝过程中, 烟气一般以过热状态进入, 当换热器中的管壁面温度低于烟气的露点温度时, 冷凝发生, 管壁面被湿润。这个表面被气体界膜包围, 烟气中的水蒸气, 通过这个气体界膜扩散到管表面上冷凝。烟气中的潜热和显热通过这个气体界膜和冷凝液膜, 传给换热管。在烟气从入口到出口的过程中, 水蒸气不断被冷凝下来, 放出热量, 使烟气的组成、物性参数等不断发生变化, 其放热系数也在不断的变化, 在这个过程中同时还伴随有传质发生, 整个传热传质过程非常复杂。
3.2 冷凝过程
烟气中水蒸气的珠状凝结大致可归纳为3个过程 (图1) 。
(1) 水蒸气在凝结核心开始凝结形成微小液珠并进一步长大。此过程为凝结初始形成过程, 即核化过程。
(2) 凝结液珠进一步长大, 在整个凝结表面上连成薄液膜, 使得液膜增厚, 直到液膜达到临界厚度而分裂成小液滴。此过程为珠状凝结的液膜生长过程。
(3) 膜分裂所形成的小液滴通过聚合不断长大, 达到临界尺寸就从冷却表面脱落, 或未达到临界尺寸就被其他的液珠冲刷聚合而下落。此过程液珠聚合快, 传热量少, 因此把液珠聚合过程看作是绝热过程, 即珠状凝结的聚合过程。
3.3 烟气冷凝的影响因素
烟气中水蒸气的冷凝主要受以下因素影响: (1) 烟气的露点温度, 烟气温度以及烟气中水蒸气的分压力。 (2) 烟气的露点温度越低, 烟气不易冷凝, 水蒸气传质通量减小, 传热量小;烟气露点温度越高, 烟气易冷凝, 水蒸气的传质通量越大, 传热量越大。 (3) 烟气温度越高, 水蒸气传质通量越小;反之, 水蒸气传质则增强。 (4) 烟气中水蒸气分压力的大小, 决定了传质动力△P或△C的大小, 传质传热动力越大, 水蒸气的传质越强。
4 烟气冷凝节水经济性分析
脱硫除尘后净烟气中含有较多的水蒸气, 在除尘器尾部加装冷凝换热装置, 可以回收烟气中的水蒸气, 对回收水进行循环利用, 达到节水的目的。
根据表1的烟气参数, 115万Nm3/h的烟气总含水量m为:
水蒸气的体积分压为:
查饱和水蒸气表得烟气冷凝前水露点温度为56℃, 考虑烟气中酸性气体及过量空气系数的影响, 烟气冷凝前水露点取58℃。
要求冷凝水量为40t, 则冷凝后烟气含水蒸气质量m2为:
冷凝后烟气中水蒸气质量分数H2:
根据清华大学“半干法烟气脱硫工艺中喷水量的控制系统及其控制方法”中的水蒸气质量分数计算公式反推冷凝后烟气温度, 并假设冷凝后烟气为饱和烟气, 即冷凝后烟气的相对湿度为1, 则冷凝后温度t2与含湿量的关系式为:
考虑冷凝换热器的阻力为1000Pa, 则P2=85560Pa, 经计算得t2=48℃。即原烟气冷凝节水40t后温度降至48℃。
根据计算得出, 降烟气温度降至48℃, 可冷凝节水40t, 在水资源匮乏的西部地区, 水的价格为10元/t, 冷凝换热器按每年6000h的运行时间计, 则每年节水产生的经济效益为240万元。
5 结论
通过烟气冷凝传热与传质分析可知, 烟气冷凝不同于纯的蒸汽冷凝, 也不同于含少量不凝性气体的蒸汽冷凝, 烟气冷凝是属于含有大量的不凝性气体的混合气体的凝结。
烟气冷凝的传热效率及传质效果受大量不凝性气体的影响, 另外, 烟气冷凝还受烟气的露点温度、烟气温度以及烟气中水蒸气的分压力的影响。
烟气冷凝器 篇4
根据GB 20665—2006《燃气热水器能效等级》可知, 常规机型测试一般采暖热效率只能达到88%~90%.国内一些大品牌和国外的一些进口机型, 热效率可以达到欧洲三星能效, 最高也只能达到93%左右;卫浴的热效率按照能效等级要求, 一级能效需要达到96%以上, 在常规机型的基础上改善, 很难满足一级能效的要求。为了解决上述问题, 进一步提高热效率, 达到节能降耗的目的, 便出现了烟气余热回收技术。
烟气余热回收主要是通过某种换热方式将烟气携带的热量转换成可以利用的热量, 是一项重要的节能方法。通常一次排烟温度有130~150℃, 烟气余热回收技术将这部分余热作为回水的预热, 可有效提高热效率。这样既可以降低运行成本, 增加经济效益, 还可以减少对环境造成的污染。
1 烟气余热回收技术
排烟热损失占全部热损失的60%~80%, 是各项热损失中最大的一项, 是影响燃气采暖热水炉热效率的重要因素之一。如何降低排烟温度, 减少排烟热损失, 提高热效率, 是设计和改造中一项极为重要的工作, 是实现低碳排放、节能降耗的有力体现。
烟气余热回收技术的原理是把烟气中的余热和相变潜热通过烟气余热回收器, 将热量传递到锅炉回水端, 提高回水温度, 从而大大提高采暖热水炉的热效率。烟气在一级换热器中主要放出显热, 一次排烟温度在130~150℃后进入烟气余热回收器, 烟气进一步冷却, 并在换热器表面低于烟气中水的露点温度下, 烟气中的水蒸气冷凝, 放出潜热, 烟气出口温度可降至50℃左右。冷凝液通过下部的冷凝液收集器排出器外, 经过处理后排出。
以天然气为例, 其主要成分为CH4.燃烧化学反应式为:
在理想状态下, 式 (1) 中n应等于O, 即空燃比系数等于l, 即每燃烧1 m3的CH4, 可以得到2 m3的水蒸气, 同时释放一定热量△H.CH4的高热值Hs=37.78 MJ/m3, 低热值Hl=34.02MJ/m3, 水蒸气凝结放出潜热为37.78-34.02=3.76 MJ/m3。汽化潜热与低热值的百分比计算值为 (3.76/34.02) MJ/m3×100%=11%.也就是说, 当该燃气完全燃烧提供100 k W的显热时, 同时也提供了11 k W的潜热。所以, 不管是冷凝式燃气采暖热水炉, 还是冷凝换热燃气采暖热水炉, 都要将排烟温度尽量降低来提高热效率, 基于理论状态以低热值计算最高的热效率可以达到111%.
经实验验证, 使用烟气余热回收技术的壁挂炉的实际热效率与排烟温度成正比关系, 对应关系如图1所示。
烟气余热回收技术除了可以大幅度节约能源外, 由于冷凝的作用, 排入大气的有害物质也会大幅度减少。因此, 利用烟气余热回收技术除了节能外, 排出的烟雾指标也更加符合环保要求。
2 二次换热的结构
对烟气余热回收进行二次换热。目前, 烟气余热回收器有两种形式:一种是内置式, 与燃气采暖热水炉整机一体化;一种是外置式, 独立于燃气采暖热水炉外部。
2.1 内置式烟气余热回收器
一般采用内置式烟气余热回收器的燃气采暖热水炉, 它需要的横向面积比较大, 而且在一般情况下, 由于体积的限制, 换热器就要做得比较小, 就会出现换热器里面流道小的现象, 从而增大燃气采暖热水炉中的水阻, 并且容易结垢堵塞。
强排机型一般都是同轴烟道结构, 空气进风口一般都在顶部。采用内置式烟气余热回收器的燃气采暖热水炉, 由于烟气余热回收器的位置通常都在排烟罩的上部, 这样就会出现空气往阻力小的方向流动, 阻力大的方向空气量不足, 最终出现黄焰火和燃烧不充分、烟气偏高等现象。通常出现此类情况, 都会使用扰流板来解决空气分配的问题, 使空气分配均匀。
采用内置式烟气余热回收器的燃气采暖热水炉的优点是一体性强、结构比较简单、成本比外置式的低;缺点是内置式的冷凝燃气采暖热水炉, 其空间会比较紧凑, 日后维修、保养比较困难。
2.2 外置式烟气余热回收器
现在冷凝换热的燃气采暖热水炉也采用外置式的。把烟气余热回收器作为一个独立的单元, 将其外置于燃气采暖热水炉的外部, 通过烟管把2台机器连接在一起。烟气在烟气余热回收器中进行换热后, 通过同轴烟道排出外界。
外置式的烟气余热回收器不受原来燃气采暖热水炉的空间限制, 而且外置的燃气采暖热水炉可塑空间很大, 它可以根据机型功率的不同, 随意调整烟气余热回收器的大小。经过外置式烟气余热回收器换热后, 一般排烟温度可以达到67℃, 而且在采暖时, 其能效可以达到95%, 洗浴时可以达到97%, 效率最高时可以达到103%.
采用外置式烟气余热回收器的燃气采暖热水炉的优点是外置式可以在原有的产品基础上作延伸, 通用于不同功率的机型, 日常保养、维护方便;缺点是成本较内置式的要高。
3 烟气余热回收器材料分析
冷凝式烟气余热回收器因常在凝露点以下温度工作, 工作时容易出现腐蚀穿孔或腐蚀产物堵塞通道的现象, 影响了换热效率和使用寿命;同时还会出现堵塞后排烟不畅的现象, 导致整机风压差报故障或烟气超标等。
冷凝水组分分析:SO4为2~120 mg/L, NO3为1~140 mg/L, CL为1~56 mg/L, CO3为2~106 mg/L, p H值为3.0.
根据国际铜业协会报告指出, 当水中含盐酸根≥200 mg/L, 硫酸根≥100 mg/L或硝酸根≥100 mg/L时, 水便具有腐蚀性。这就要求烟气余热回收器在材料上要能够防止水蒸气冷凝液的腐蚀作用。
烟气余热回收器材料的选用主要受热传导系数、防腐性能和加工难易程度等方面的影响。通常情况下, 常用的烟气余热回收器的材料有铜、不锈钢、铝三种。
我们来了解一下金属的热传导系数。热传导系数的定义为:单位长度, 绝对温度可以传送多少瓦的能量, 单位为W/m K。其中“W”指热功率单位, “m”代表长度单位, m, 而“K”为绝对温度单位。该数值越大, 说明导热性能越好。几种常见金属的热传导系数详见表1.
3.1 铜制烟气余热回收器
由于铜制烟气余热回收器传热性能最好、加工容易, 目前已被业界广泛使用, 特别是在热水器上应用较为普遍。但由于防腐性能未获得突破, 在燃气采暖热水炉上应用, 只有北京建筑工程学院研制出镀镍的铜烟气余热回收器防腐性能较为优异, 但成本大幅上升, 较难推广、普及。
铜的导热系数是401 W/m K。采用铜烟气余热回收器的优点是铜的导热系数高, 加工容易, 换热器体积可以做得很小, 所以, 燃气采暖热水炉的体积可以做得相对较小。
由于铜的防腐蚀能力差, 所以采用铜烟气余热回收器的缺点就是长时间在低温段工作, 烟气余热回收器上很容易出现腐蚀, 腐蚀物黏附在肋片表面上, 阻塞烟道。蓝绿色的腐蚀产物主要是硫酸铜, 堵塞后会出现排烟不畅的现象, 影响正常工作, 更严重的是换热器会被腐蚀, 出现漏水现象。
3.2 不锈钢盘管烟气余热回收器
由于不锈钢的防腐蚀性能佳, 在燃气采暖热水炉上应用已有成功案例, 不锈钢盘管的冷凝炉在欧洲已开始有相应的产品面世。采用不锈钢盘管烟气余热回收器, 其综合性能好, 可耐多种介质腐蚀, 具有很强的抗腐蚀性, 可以有效避免冷凝水对换热器的腐蚀, 而且不锈钢盘管加工容易, 可以按照各种不同的技术要求缠绕出不同的结构, 给设计人员留下很大的设计空间。
由于不锈钢的导热系数为15~18 W/m K, 导热系数低, 采用不锈钢盘管烟气余热回收器在等同换热效率的情况下, 不锈钢制换热面积是铜制换热面积的22倍。因此, 不锈钢盘管烟气余热回收器体积会做得比较大, 整机的外形尺寸也会随之变大。
3.3 铝制烟气余热回收器
铝制烟气余热回收器 (图2) 是目前国内最先进的换热设备之一。它具有体积小、重量轻、换热效率高、坚固耐用、适应性强等优点。铝的导热系数是237 W/m K, 所以, 使用铝制的烟气余热回收器的换热面积只需要铜制换热器的1.69倍, 而且铝制品氧化后表面会形成一层保护膜, 具有很强的抗腐蚀能力。
这种回收器的缺点就是对加工工艺的要求高。目前, 可以通过铸造或真空钎焊工艺进行加工。
由于不同类型的烟气余热回收器在燃气采暖热水炉上的应用都存在很多局限性, 所以在余热回收技术方面还有很大的发展空间。
4 结论
外置式烟气余热回收器是在原有产品上进行延伸。它日常保养、维护方便, 有利于减少售后服务工作量。内置式烟气余热回收器成本低, 有利于降低生产成本。
通过对比铜、不锈钢、铝三种不同材料的烟气余热回收器的优缺点不难发现, 铝材料是三者之中最合适的材料, 因为它具有体积小、重量轻、换热效率高、坚固耐用、适应性强等特点, 且铝材料防腐性能优异;不锈钢材料成本低、加工方便、防腐性能佳, 但由于体积大, 仅适用于外置式的烟气回收烟气余热回收器;铜材料在防腐技术方面还有待进一步研究。
烟气回收的燃气采暖热水炉是大气式燃烧, 对燃气的依赖程度不高, 适应性强, 可以很好地解决全预混燃烧冷凝采暖热水炉对气体稳定性要求高的问题。在中国燃气区域性、差异性大的环境下, 烟气余热回收器无论采用内置式还是外置式, 它都将是未来的重点发展方向。
摘要：通过对烟气余热回收技术进行分析, 并对不同类型的烟气余热回收器的结构、材料进行分析、对比。结合在燃气采暖热水炉上的应用条件, 为烟气余热回收器在冷凝式燃气采暖热水炉上的应用提供参考依据。
关键词：烟气余热回收,换热,二次换热器,冷凝
参考文献
[1]郭全.燃气壁挂锅炉及其应用技术[M].北京:中国建筑工业出版社, 2008.
[2]中国市政工程华北设计研究院, 香港中华煤气有限公司, 广东万家乐燃气具有限公司, 等.GB/T 13611—2006城镇燃气分类和基本特性[S].北京:中国标准出版社, 2007.