015 增设烟气冷凝余热器的燃气真空热水锅炉热效率研究.doc

增设烟气冷凝余热器的燃气真空热水锅炉热效率研究河北建筑工程学院 张志红 于远廷 陈忠海 崔明辉 李丹摘要：以增设烟气冷凝余热器的真空热水锅炉为研究对象，对供热量为69.78kW的真空热水锅炉进行节能减排分析计算，增设烟气冷凝余热器后，可使锅炉热效率提高6.6%，减少CO2排放量0.34 m3/h。由于燃气经过脱硫处理，对烟道没有腐蚀，对大气环境没有污染，因此具有很大的经济效益和社会效益。关键词：燃气真空热水锅炉；烟气冷凝余热器；热效率；CO2排放量0 引言燃气真空热水锅炉负压运行，安全可靠；锅炉热效率高，节能环保。本文以供热量为69.78kW的真空热水锅炉为研究对象，在其烟道尾部加设了烟气冷凝余热器，使排烟温度降至烟气露点温度以下，利用烟气中水蒸气的潜热来提高锅炉热效率，可提高锅炉热效率6.6%，对锅炉节能具有很重要的意义。以下是增加烟气冷凝余热器的节能机理及分析计算：1 烟气冷凝热回收机理目前锅炉热效率均以低位发热值计算，尽管名义热效率较高，但由于天然气的高位发热量比低位发热量高10%左右，因而，大约10%的热量由水蒸气带走。排烟温度较高时，实际热能利用率存在一定问题。为充分利用天然气，降低排烟温度，增设烟气冷凝余热器，烟气通过该装置时，当壁面温度低于烟气的露点温度时，烟气中的水蒸气将冷凝，释放汽化潜热，明显提高锅炉热效率。天然气的主要可燃成分为甲烷（CH4），为简化计算，认为天然气成分均为甲烷。反应方程式为：(1)式中：过量空气系数；水蒸气冷凝率；式中：烟气压力； Pa水蒸气饱和压力。Pa水蒸气的冷凝压力随过量空气系数变化。表1给出了不同过量空气系数下烟气中水蒸气的容积成份和质量成份。表1 天然气锅炉烟气中水蒸气的成份质量成分12.1311.6011.1010.5810.18容积成分18.4217.8917.1516.4715.84质量成分9.809.318.537.947.55容积成分15.2614.7113.7412.8012.122 烟气冷凝热回收节能计算 本文以供热量为69.78kW的真空热水锅炉为例进行计算。燃料采用的是天然气。增加烟气冷凝余热器后，出口烟气温度按40计算，表2为已知参数。表2 已知参数锅炉供热量（kW）过量空气系数燃气耗量（Nm3/h）低位热值（MJ/Nm3）排烟温度（）烟气量（m3/h）69.781.25.223517390.63根据表1和表2，可得烟气中水蒸气含量为 m3/h，则干烟气量为 m3/h。2.1 显热回收效率计算2.1.1每Nm3燃气产生的烟气显热回收量为： （2）式中：排烟的干烟气体积，Nm3/ Nm3；干烟气的平均定压比热容kJ/m3； 燃烧产物中水蒸汽的实际体积；Nm3/ Nm3；水蒸汽的平均定压比热容，kJ/m3；过量空气系数；燃气燃烧所需理论空气量，Nm3/ Nm3；空气的平均定压比热容，kJ/m3；排烟温度差，。烟气的露点温度按110计算，烟气的温差为173-40=133，各项比热取该温差下的平均值，将有关数据代入（2）式得：kJ/Nm3。 2.1.2显热回收效率计算：烟气回收的显热值为：kJ/h，则锅炉可提高的显热效率为：。 （3）2.2 潜热回收效率计算：2.2.1潜热回收热量每标N m3的无硫天然气完全燃烧时产生的水蒸气按1.6kg计算，则理论的潜热回收量为：kJ/h，锅炉可提高的潜热效率为：。但实际冷凝的水蒸汽量低于理论值，当烟气冷却到40时，只有50%的水蒸汽析出。因此实际的潜热回收量为：kJ/h，锅炉实际可提高的潜热效率为： 。 （4）2.3 总回收效率计算回收总热量为： kJ/h锅炉可提高的总效率为： （5）3 增设烟气冷凝余热器后的“减排”计算已计算出节约的热量为12058.23 kJ/h，所回收的热量经过折算相当于节省了天然气的体积为m3/h。对照前文的天然气燃烧反应方程式，相应的，可减少CO2的排放量为0.34 m3/h。4 烟气冷凝余热器投资回收期计算资料表明，烟气冷凝余热器的成本每蒸吨（0.7MW）平均在22500元。本锅炉的供热量为69.78kW，约为0.1蒸吨。增加的设备投资估算值为：元。已知天津市的民用天然气价格为2.20元/立方米。根据规范规定，学校食堂的生活热水每天供应11小时。则每年节省的天然气经费为元。根据偿还年限法，附加投资偿还年限的计算公式为： （6） 式中： 附加投资额，元； 年节约费用，元； 附加投资偿还年限，年。根据该公式，计算出增加烟气冷凝余热器后的附加投资偿还年限为年，即回收期约为9个月。5 增设烟气冷凝余热器的锅炉热效率试验测定地点为天津大学学生第一食堂。应用正平衡法和反平衡法分别计算出锅炉热效率，两者的差值在5以内即为符合要求。热效率测定分两次进行，第一次是不使用热回收余热器的热效率测定，测试结果见表3、4、5，第二次是使用热回收余热器的热效率测定。测试结果见表6、7、8。表3 第一次测试参数进口水温（）出口水温（）水流量（m3/h）燃气耗量（m3/h）低位热值（MJ/m3）排烟温度（）锅炉外壁温度（）环境温度（）3951.43.25.22351734515表4 第一次测试正平衡法计算锅炉热效率进口水温（）出口水温（）水流量（m3/h）燃气耗量（m3/h）低位热值（MJ/m3）热效率（）3951.43.25.223590.9 注：C=4.1868kJ/kg表5 第一次测试反平衡法计算锅炉热效率排烟热损失（）散热损失（）气体不完全燃烧热损失（）锅炉热效率（）6.781.40.591.3表6 第二次测试参数进口水温（）出口水温（）水流量（m3/h）燃气耗量（m3/h）低位热值（MJ/m3）排烟温度（）锅炉外壁温度（）环境温度（）4456.53.25.035404515表7 第二次测试正平衡法计算锅炉热效率进口水温（）出口水温（）水流量（m3/h）燃气耗量（m3/h）低位热值（MJ/m3）热效率（）4456.53.25.03596.5 注：C=4.1868kJ/kg表8 第二次测试反平衡法计算锅炉热效率排烟热损失（）散热损失（）气体不完全燃烧热损失（）锅炉热效率（）3.281.40.594.8由表4和表5可以看出，第一次正平衡法和反平衡法测得锅炉的热效率平均值为91.1%；从表7和表8可以看出，第二次正平衡法和反平衡法测得的热效率平均值为95.7%，因此安装热回收余热器后锅炉热效率实测值提高幅度为：95.7%-91.1%=4.6%，试验结果小于理论计算值。6 结论6.1 燃气真空热水锅炉烟道尾部加设了烟气冷凝余热器后，可使供热量为69.78kW的真空热水锅炉热效率提高6.6%，减少CO2排放量0.34 m3/h，对节能减排具有很重要的意义。6.2 增设烟气冷凝热回收设备的理论分析计算表明，该装置的投入少，热效率高，回收期短，具有可观的经济效益和社会效益。参考文献1 赵钦新，惠世恩，燃油燃气锅炉，西安：西安交通大学出版社，1999.60-2982 章熙民，任泽霈等，传热学，第三版，北京：中国建筑工业出版社，1993.178-184,169-17