燃气装置烟气余热回收分析与设计

1、摘要随着我国的不断发展，能源的消费量逐渐增大，这也带来了严重的环境污染问题，所以我国施行节能减排和能源结构的调整。如今，在我国社会能源环境领域，推行使用天然气等清洁能源、新技术，已经成为重要的研究课题。近几年来，燃气锅炉正逐渐的取缔燃煤锅炉在生活与生产方面。但是，目前燃气锅炉的排烟温度都很高，烟气中的余热得不到回收与利用。因此，如何使锅炉的排烟热损失降低与提高燃气的利用率，已经成为了节能环保工作中的重要的研究课题。普通的燃气锅炉，排烟温度通常为180左右，烟气中存在大量的过热态的水蒸气，其体积分数在10%左右，是烟气热量损失的主要部分。回收利用排烟显热与烟气凝结潜热可极大的提高能源利用率。本文

2、首先对我国的能源利用现状、节能形势、燃气冷凝式锅炉的工作原理、国内外研究现状和天然气的利用进行了概述。其次，分析了天然气燃烧后烟气中的产物，分析了烟气中可以回收的显热量和潜热量的关系，提出了烟气中汽化潜热能否有效回收是确保冷凝式换热器回收效果的关键因素。然后，本文对各种换热器进行了介绍，对冷凝换热器进行设计与分析，冷凝式换热器采用H型鳍片管换热器，鳍片管顺列布置，H型鳍片管的优点是耐磨性能好，积灰少，体积小，空气阻力小，综合性能好。最后对燃气锅炉加装冷凝换热器的经济效益进行了分析。研究表明，常规燃气锅炉加装冷凝换热器后，锅炉排入大气的污染物大大减少，环保效益显著。关键词：燃气冷凝式锅炉、锅炉热

3、效率、热管、余热AbstractKey words： gas condensing boilers, boiler thermal efficiency, heat pipes, waste heat.第一章 绪论1.1 我国能源利用状况及节能环保紧迫性能源利用现状社会进步和经济发展和能源密不可分，也是一个国家综合国力和人民生活水平的重要表现。随着社会经济的不断发展，环境污染与经济发展的协调问题日益严重。能源和环境问题是如今社会最关注的问题。人类有3次能源利用结构的调整 1：(1)18世纪，因为第一次世界能源结构转变：原始的柴薪能源逐渐的被以煤为主的化石能源取代。到1990年，世界的煤炭产量大

4、约为7.45亿吨，比当时的一次能源总量的94%还要高。这次能源结构改变打破了16世纪欧洲文艺复兴文明发展停滞不前的局面，推动了资本主义工业的迅猛发展。(2)20世纪，石油、天然气的生产与使用量迅猛的增长。这推动了内燃机等的发展，所以许多西方国家经济得到快速发展。到了20世纪60年代，石油的消耗量每十年就可提高一倍。石油消耗量的不断增长，使我们进入了现代文明和世界经济的新阶段。(3)环境污染问题和能源危机使人们意识到调整能源结构的紧迫性，通过降低化石能源的消耗来实现经济的可持续发展。我国是世界上拥有能源资源最丰富的国家之一，但也是能源消耗量也很大，能源的一次消耗的总量接近于美国。截止到2014年

5、，我国投入1145亿元在地质勘查上，新发现的大中型矿产地有249处。油气勘查取得了巨大突破，首次探明页岩气的地质储量约为1068亿m3，新探明的石油地质储量10.6亿吨，天然气9438亿m32。这与2011年以来我国实施的勘探矿物突破战略行动的关系重大。我国有非常丰富的再生能源资源，其中，水能资源的可开发量理、论储藏量和经济可开发量都处在世界首位。 煤在我国的能源结构所占的比重很高，其比重高达70%80%，比其它发达国家煤仅占20%30%的水平高得多。从这十年我国能源消耗与生产结构来看，原煤生产与煤炭消费的比重占了极其重要的地位，石油消费与原油生产比重不断下降，天然气和其他能源(水电、核电、风

6、能)的消费与生产比重总体呈现出了上升的趋势。表1-1中列举了我国从19902014年的能源消费总量及构成的数据。从这些数据变化中可以看出，随着我国经济的迅速发展，消费水平不断的提高，我国能源消费量一直在迅猛增长。其中煤占能源消费量的比重是最高的，占比约为70%，从2000年开始我国煤消费量正逐渐的降低，天然气与新能源的消费量一直在迅猛增长，预计到2020年天然气占比将达到10%，而煤的占比可能下降到60%，其它一次电力与新能源的消费占比也会逐渐增高。表1-1 能源消费总量及构成3年份能源消费总量(万吨标准煤)占能源消费量的比重(%)煤炭石油天气一次电力及其它能源19909870376.216.

7、62.15.1199110378976.117.12.04.8199210917075.717.51.94.9199311599374.718.21.95.2199412273775.017.41.95.7199513117674.617.51.86.1199613519273.518.71.86.0199713590971.420.41.86.4199813618470.920.81.86.5199914056970.621.52.05.9200014696468.522.02.27.3200115554768.021.22.48.4200216957768.521.02.38.220031

8、9708370.220.12.37.4200423028170.219.92.37.6200526136972.417.82.47.4200628646772.417.52.77.4200731144272.517.03.07.5200832061171.516.73.48.4200933612671.616.43.58.5201036064869.217.44.09.4201138704370.216.84.68.4201240213868.517.04.89.7201341691367.417.15.310.2201442600066.017.15.711.21.1.2 节能环保的紧迫性“

9、十二五”期间，我国通过调整经济结构、转变发展方式来节省能源的消耗，并且出台了一系列的政策和措施，使国内单位生产总值能耗量累计降低大约19.06%，支持了国民经济年均大约11.2%的增长，能源消耗弹性系数由1.05下降到0.58 在“十一五”期间。然而我国得能源消耗总量却由24.6亿吨标准煤升高到32.5亿吨标准煤，且和西方发达国家相比，能源加工、贮运、转换和终端科用综合效率依然比较低，到2007年时这个效率为33%，而西方发达国家在20世纪90年代初就达到了41%。而能源消耗平均热效率还比较低，在发达国家火电厂的能源利用的效率通常为35%40%，工业锅炉的效率约为80%；而我国依次为30%以下

10、和60%70%，我国燃用石油、煤炭、天然气的平均热效率比发达国家都要低。因此提高能源的利用率和节能减排是当务之急。在我国，最主要的能源消耗领域是工业，工业的能耗量约占能耗总量70%，显然，只有从根本上缓解我国能源消耗量大，资源供应紧张的问题才能解决好工业设备节能的问题4、5。化石能源滥用不仅是带来能源危机，而且还对大气、水体、土壤等生态系统带来很多严重的影响，是环境污染的主要根源6，已经危及自身生存环境。因为化石燃料被大量使用，造成了酸雨、温室效应、臭氧层破坏以及生态环境破坏等严重的环境污染问题，都急需去解决。而节省能源，降低化石能源的消耗量，可以从根本上缓解这些问题。我国的能源结构调整为努力

11、扩大收入来源、降低支出、节约优先、保护环境的方式，建立一个较为稳定，经济，安全和清洁的能源供应体系7。我国的经济发展形式转变由原来以资源消耗、能源为基础的粗放型模式改变为环境友好型和资源节约型。1.2 天然气消费及利用天然气是一种清洁、高品质、高效的燃料，在所有化石能源中碳排放系数是最小的。天然气被普遍的应用在各个领域，在世界能源消耗的结构中所占比重约为24 %。天然气通常指气田气和油田气，此外还有煤系天然气。其主要由烃类，主要是甲烷，还有乙烷、丙烷和丁烷等组成。1.2.1 天然气消费与发达国家的平均水平进行比较，我国天然气的使用率还特别低。主要是因为我国的天然气工业基础还较微弱，从图1-1

12、可以看出近十年我国能源消费结构中天然气的比例正逐渐的增大，但我国天然气在一次能源消耗中的比例仅约为6%，更是比世界平均24%的水平和27%的美国水平低得多，同时比亚洲平均8.8%的水平低。目前世界人均天然气消费量约为403 m3/a，但是我国仅仅为25 m3/a。 但是“西气东输”管道工程的商业运作，表明我国的天然气市场由发育阶段进入发展阶段，并且估计这一阶段可能会持续到2030年8。在这时期中，我国天然气的管网、储气库等基础设施的建设不断地加快，将逐步在全国形成天然气主干管网；天然气产量和产能建设将快速增长，将不断扩展进口天然气的渠道，因此将会形成多元化的供气格局。在这基础之上，天然气消费量

13、在我国能源结构中所占的比例将会不断增长。图1-1 能源消费比例根据大多数城市处理大气污染的经验可知，减少大气污染的主要途径是去改变一次能源的消费结构。天然气燃烧后产物中基本不存在烟尘和S02；氮氧化物的排放量比燃煤降低约47、燃油降低约61；CO2排放量比燃煤的低约53、比燃油的低26左右。天然气再供暖、工厂供热的应用上有显著的节能效益。大、中型燃煤锅炉房，运行时平均的热效率只有76，小型燃煤锅炉运行效率更加低；集中供热热效率约为80.7，火力发电厂的约为35，能源转换总效率约为39；因为燃气锅炉的自动控制水平较高等，其热效率基本上可超过859。为了节省能源、保护环境、实现可持续发展，提高天然

14、气等清洁能源的消费比例，降低煤炭的消费比例，实行能源结构调整极其重要，也是许多城市实行环境保护和节约能源的重要的课题。于用于城市生产生活的供热锅炉，推荐使用燃气锅炉来取缔中小型的燃煤锅炉。在我国的大多数城市，煤炭正逐步被天然气等比较清洁的能源取代10。在推广使用天然气的同时也应该注意节约用气，而研发高效利用天然气的技术是目前当务之急。1.2.2 天然气利用技术我国天然气在化工、油气田开采和发电等地方所占比最大，其占比87%以上，其中化肥领域约占38.5%，而居民用气量在天然气消费结构中占比10%还低 。从2005年开始我国的天然气的产量极大的增长，主要是由于有几个新的大气田被发现。2005年我

15、国天然气的产量累计约为 ，增长了21.9%。2006年天然气需求量达到。我国天然气的使用依然处在起步阶段，因为天然气的产量比较低，天然气利用一般是以产定用。主要利用天然气的地区是天然气产地邻近的城镇及工业区。在世界上天然气主要被用在工业、发电、居民燃料等领域，而我国主要利用在化肥工业中，由于天然气工业的发展和环保的要求，天然气的利用方向应以发展“以气代油”、“以气发电”、“城市气化”为主11。通过能源的利用方式可把天然气分为工业燃料、城市燃气、发电和化工等四类。在工业燃料领域，天然气较多的被用在冶金、玻璃、建材等领域；在城市燃气领域，能分为公工商业、民用生活、小工业企业燃料用气等领域；在发电领

16、域，天然气较多的被用于热电厂；而在化工领域的用气主要包括甲醇、化肥以及制氢等。 在“十五”以前，有50%以上的天然气都被用在化工行业。近几年，天然气的使用不断的增多，利用的方向也是多种多样，随着环保要求的不断提高，消费结构得到了极大的优化，特别是在建设与完善大型基础设施管道的方面，天然气的消费面逐渐变广。除用于化工原料外，天然气己开始大量地用在城市燃气和替代燃煤、燃油等其他的工业燃料。通过逐渐完善我国天然气的消费结构，把原来化工占主导地位的单一结构向工业燃料、城市燃气等多个方面的结构调整。随着社会的不断发展，天然气被越来越多的城镇居民作为燃料，天然气的消耗量迅猛增长。将来在我国城市燃气中天然气

17、将逐渐的成为最重要的燃料。由统计可知，我国2008年使用民用天然气人口约为1.4亿，覆盖两百多个地级市及以上城市；在全国城镇人口6.1亿中，城镇天然气的平均气化率只有大约23 %。估计到2020年，这个比例可能提高到40%50% 8。1.3 燃气冷凝式锅炉若锅炉的排烟温度要比烟气露温度低，烟气中水蒸气的汽化潜热就可以释放出来。当排烟温度比较低时，烟气中水蒸气冷凝的大量汽化潜热被释放，当以燃料的低位发热量Qdr为标准时，锅炉的热效率可能到达l00%以上，这样的锅炉称为冷凝式锅炉(condensing boiler)12、13。在国外，冷凝式锅炉通常是指可以利用烟气中水蒸气的汽化潜热的锅炉。其可将

18、烟气中排烟的温度降得比较低，并且烟气中的显热和汽化潜热得到有效的回收利用，极大提高锅炉热效率的同时，烟气中对环境有害物质浓度极大的降低，减少了大气的污染14。1.3.1 燃气冷凝式锅炉的工作原理1.冷凝式燃气设备节能机理天然气在燃烧后的产物中产生大量的水蒸气与 CO2，如果天然气的过量空气系数与空气的湿度不相同，则烟气中水蒸汽的含量也会不相同，水蒸气体积份额最高可达20%，其燃烧化学方程式为： (1-1)通过化学方程式(1-1)可知，每燃烧一标准立方米的天然气大约能产生2Nm3的水蒸气，水蒸气中所包含的汽化潜热大约为燃气低热值的11%，这表明每当燃烧每1 Nm3燃气时将会提供100 kW显热，

19、同时也产生11kW的潜热。若在保温条件良好时，排烟热损失就是最主要的热损失。通过将排烟温度降到露点温度以下，使烟气中的水蒸气冷凝释放放出来，回收利用排烟中的显热和潜热，就是冷凝式换热器的工作原理15。2.冷凝式锅炉的热效率排烟热损失是燃气装置最主要的热损失，损失的大小取决于排烟量和排烟温度的大小。在燃料一定时，过量空气系数的大小与排烟量的大小密切相关，但是过量空气系数的大小只和燃烧状况有直接联系。在过量空气系数比较小时，如果使排烟温度降低得比较低会极大的减少排烟的热损失。随着过量空气系数的不同烟气中水蒸气的含量也会不同。如图1-2 16 在给定温度下，由烟气中的水蒸气含量以及空气、干烟气和水蒸

20、气的温一焓表，就可以确定烟气携带的热量，从而得出燃气设备的节能潜力。但锅炉效率会随着过量空气系数的提高而降低，余热回收就会变得很困难。最简单有效的方法是确保锅炉运行在最佳的过量空气系数下，这样可以确保在安装烟气余热回收装置前后锅炉都有比较高的热效率。图1-2不同过量空气系数下的烟气水蒸气含量3.燃气设备排烟中的热能回收潜力天然气的高位发热值(HHV) 一般是指 (101.325kPa，20) 1 m3的干气体和空气完全混合燃烧，燃烧产物冷却到刚开始时的放热温度，燃烧后水蒸气冷凝至液体状态时向环境所产生的热量。低位发热值与高位发热值的定义相似，但如果燃烧后生成的水蒸气依然保持气体状态时，水蒸气的

21、汽化潜热将回收不到。普通的换热器燃烧时，燃料高位热值的80%85%传递给了工质，其余的热量直接通过表面的散热和排烟损失释放到环境中去。对于燃用天然气的设备，烟气中水蒸气所携带的热损失占整个排烟热损失的55%75%，具体的数值取决于排烟温度与过量空气系数。对于拥有比天然气更低的碳氢比燃料，例如，某些燃油，这一份额会低一些；而对于拥有比较多含水量的燃料，例如，某些固体燃料，这一份额会高一些；图1-3给出了热回收的一般，图1-4 热效率提高潜力随进口烟温变化状况，通过这个可以天然气燃烧系统的热效率有很大的提高潜力 16。能否将回收的热能利用是需不需要采用冷凝式烟气余热回收装置前提条件。水蒸气的潜热热

22、量能够回收的多少取决于冷凝式烟气余热回收装置利用率和利用温度。若利用温度靠近排烟的露点温度，回收到的热量会很少。利用温度越低，回收的热量就会越多。因此，在低温下预热冷水能得到比较高的回收率，然而在比较高的温度之下时能使可以回收的热量减少。 图1-3 热回收潜力 图1-4 热效率提高潜力随进口烟温的变化影响烟气的物性强迫对流凝结传热无因次准则是由显热交换与潜热交换的相对大小决定。最近的研究表明，烟气对流凝结换热系数与单相对流换热相比，可达1.73倍17，其大小随着烟气的雅格布准则数的增大而增大。所以，排烟热能有个很大的利用潜力，且在相同热能被回收时，冷凝式换热器所需换热面积比普通换热器要小得多。

23、1.3.2 燃气冷凝式锅炉在国内外的发展历史及应用现状在 20世纪70年代末产生一种新的高效节能型热水器，其能把排烟温度降到60以下，与普通热水器相比要节能15%左右。而最具有代表性的是1979年荷兰Gasunie公司研发的样机，这种样机能使离开第一个换热器的烟气温度在100150左右，第二个换热器的出口排烟温约为5060 。这种锅炉的回水温度比较低，到1984年10%的住宅供热锅炉是这种锅炉，其它的建筑达到25%以上16。随着更成加熟的设备产生，冷凝式锅炉被普遍的应用于西方发达国家的许多方面。从20世纪80年代起，法国从只有几千台冷凝式锅炉迅速的发展到只要是能确保有天然气供应条件的新建筑，其

24、供暖设备的系统都已采用冷凝式燃气热水锅炉，且近几年来运行效果极好。1985年，荷兰冷凝式锅炉每年的生产量为2.5万台/年，到1995年止，经过十年的不断发展冷凝式锅炉被普遍地应用在工业建筑、住宅等领域，其中工业建筑供暖的设备数量超过15万台，在工业建筑供热锅炉占比约为25%；住宅供暖设备甚至超过230万台被应用，占住宅供暖锅炉的大约10%，冷凝式锅炉的普遍应用使荷兰每年约节省20亿Nm3天然气。西方许多国家通过不断的实验和模拟分析与研究，都不断的研发出适合自己国家发展需要的冷凝式锅炉。美国冷凝式燃气热水锅炉的供暖系统普遍应用比欧洲稍晚，但随着美国的科技的进步，拥有当前世界上很多形式的冷凝式燃气

25、供热锅炉的先进技术。我国的能源结构一直都是以煤为主，到20世纪90年代初，天然气消耗量才不断增加，用于供热的天然气锅炉的数量也开始增加，才逐渐开展冷凝式锅炉的研发工作。近年来随着我国能源结构的调整与施行节能减排政策，以及天然气使用鼓励政策的推行，国内有一些企业开始研发冷凝换热热回收装置，并应用在实际工程，取得了不错的效果18。最初具有冷凝式锅炉的节能燃气锅炉是由陕西省能源中心的高级工程师吴仰天研发的，其排烟温度可降低到45 65，燃气锅炉的极限热效率可以超过100 % 19。车得福、林宗虎等23研究了回收天然气锅炉烟气余热的可行性和经济性。北京建筑大学王随林等17研究天然气供暖方式与天然气的高

26、效利用，燃气锅炉热效率可以提高5%左右，可去除8.7%左右的氮氧化物，研究表明对流换热系数，有水蒸气凝结时烟气对流换热系数与无凝结时对流换热系数，两者的比最大可到达4。寇广孝等24提出了怎样去提高不同燃料的冷凝式锅炉热效率的方法，并且指出了目前计算方法的缺陷。赵军25通过对供热燃气锅炉在吸收式热泵机组技术、烟气冷凝换热器技术及烟气余热利用和脱硝一体技术在烟气余热回收利用实例的应用研究与分析得出：(1)在排烟烟道上增加与一次热网水换热的余热回收装置，将排烟温度降低到约6070，可使锅炉效率提高约3%。但为了保证锅炉的安全运行，在设计时必须复核其燃烧器对尾部受热面增加的烟气阻力的适应性、考虑到低温

27、腐蚀，排烟温度应高出烟气露点温度510左右。(2)采用了烟气余热深度利用技术，可将锅炉排烟温度降低至30以下或者更低，则锅炉效率提高约 10%以上。(3)采用烟气余热深度利用脱硝一体化技术，可将锅炉排烟温度降到30以下甚至更低，锅炉效率提高约10%；同时还可将烟气中NOx 的浓度大幅度降低，环保效益显著。第二章 燃气锅炉烟气分析及余热潜力计算2.1 燃气锅炉烟气计算以天然气为燃料，排烟温度比烟气露点温度低的锅炉称为冷式燃气锅炉，并且通过回收烟气中的显热和潜热，从而使锅炉的热效率得以提高。烟气成分及热物性参数进行计算，从而可以分析出冷凝式燃气锅炉的余热回收潜力。如果燃烧空气量是理论空气量，燃气完

28、全燃烧的产物即为理论烟气量。理论烟气量主要是SO2、N2、H2O和CO2组成。然而在实际燃烧的过程中，为了确保燃料完全燃烧，空气系数一般比1大，所以实际烟气中还剩有未参加燃烧的氧气。2.1.1 天然气成分分析以西气一线的天然气为例计算实际烟气量和理论烟气量的值。该天然气的成分与各成分的体积分数见表2-1。表2-1天然气的成分及其体积分数27燃气成分CH4C2H6C3H8C4H10C5H12CO2N2体积分数(%)96.231.770.300.140.130.470.96完全燃烧1Nm3该天然气需要的理论空气量： Vk0=1212CH4+3.5C2H6+5C3H8+6.5C4H10+8C5H12

29、 (2-1)由式(2-1)计算得出燃烧该天然气时的理论空气量为Vk0= 9.63 Nm3/ Nm3。该天然气的高位发热量为Qgr=38.20MJNm3，低位发热量为Qdr=34.43MJNm3，两者的差值H为3.77MJ/Nm3，这个值就是水蒸气汽化潜热的值。在一般排烟温度下，水蒸气表现为过热的状态，所以可用公式(2-2)求汽化潜热值占低位发热量的比例。 =Qgr-QdrQdr×100% (2-2)对于西气一线的天然气，通过上式计算得出=10.95%，这说明普通的燃气锅炉每燃烧1Nm3天然气产物中带走的汽化潜热占燃气低热值Qdr的10.95%，就意味着在普通的燃气锅炉中，主要的热损失

30、是由汽化潜热损失造成的。同时，如果有效的利用部分汽化潜热，那么能提高锅炉热效率。通过公式(2-3)计算冷凝式锅炉的极限热效率。 =QgrQdr×100% (2-3)根据式(2-3)计算得出冷凝式燃气锅炉的极限热效率为110.95%，但在实际的燃烧过程中由于有各种热损失，热效率一般不会到极限值。极限热效率是通过冷凝式燃气锅炉回收干烟气的显热与烟气中显热和水蒸气的汽化潜热来定义的，锅炉热效率可以达到的最大值。如果以燃料的低位发热量为标准，极限热效率可能超过100%。2.1.2 天然气燃烧产物计算本文中的烟气是天然气在锅炉内完全燃烧后的产物。理论烟气成分为N2，H2O，CO2和SO2。在分

31、析烟气时，SO2和CO2通常合在一起进行分析，且SO2和CO2有很多相似的地方，因此SO2和CO2统称为三原子气体，用RO2示28。对于燃气锅炉，因为西气一线供应的天然气含硫量很少，所以SO2基本可忽略，所以锅炉排烟的RO2就只有CO2。在实际运行中为了确保燃料充分有效的燃烧，实际空气量与理论空气量的比一般都是大于1的，该比例称为过量空气系数。在燃烧完成后会有剩余的空气，这时烟气中还有剩余的氧气，此时的烟气量称为实际烟气量。如果燃烧不完全，烟气中会含有CO，CH4和H2等未燃尽的可燃成分29。 下面以西气一线的天然气为例，计算天然气燃烧后的理论烟气量、理论空气量及实际烟气量，并且分析了燃烧后的

32、产物。(1)理论空气量由上文可知，燃烧该天然气时的理论空气量为Vk0= 9.63 Nm3/ Nm3。(2)实际空气量为了确保燃料燃烧效率，通常使锅炉实际的送风量比理论空气量大。实际空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数，用表示。依据式(2-4)求得实际空气量： Vk=×Vk0 (2-4)实际运行时，燃气锅炉的过量空气系数通常为1.051.25，则根据式(2-4)，计算得到，天然气燃烧所需要的实际空气量Vk=10.1112.04Nm3。(3)理论烟气量在理论空气量下，天然气完全燃烧后的产物中一般会有氮气水蒸气和三原子气体。三原子气体体积为：VRO2=VCO2+VSO2=0.01CO2

33、+CO+mCmHn+H2S (2-5)式中 VRO2 三原子气体体积(Nm3)；VCO2 、VSO2 二氧化碳和二氧化硫的体积(Nm3)；CO2、CO、CmHn、H2S 燃气中各成分的体积分数(%)。根据公式(2-5)计算可得燃烧该燃气时的理论烟气中三原子气体只有CO2，体积为VRO2=1.02 Nm3。水蒸气的体积为：VH2O0=0.01H2+H2S+n2CmHn+120dq+VK0da (2-6)式中 H2 氢气体积分数(%)；dq 燃气的含湿量( kg/Nm3)，取0. 02kg/Nm3 ；da 空气的含湿量( kg/Nm3)，取0.01 kg/Nm3。根据公式(2-6)计算得到，理论烟

34、气中水蒸气体积为VH2O0=2.00Nm3 / Nm3。氮气体积为：VN20=0.01N2+0.79Vk0 (2-7)式中VN20 氮气的体积(Nm3)。根据公式(2-7)计算得，实际烟气中的氮气体积为VN20= 7.62Nm3。理论烟气量为： Vy0=VRO2+VH2O0+VN20 (2-8)由公式(2-8)计算得到，每1Nm3天然气充分燃烧时产生的理论烟气量为Vy0=10.65 Nm3。(4)实际烟气量因为空气中H2S 、CmHn、CO2、CO的含量较少，可忽略不计，因此在实际的燃烧过程中，烟气中的三原子气体体积，仍然可按公式(2-6)计算。水蒸气的体积为：VH2O=0.01H2+H2S+

35、n2CmHn+120dg+VK0da (2-9)式中 过量空气系数，取1.1。由公式(2-9)计算得到，实际烟气中水蒸气体积为VH2O=2.16 Nm3。氮气体积为：VN2=0.01N2+0.79Vk0 (2-10)根据公式(2-10)计算可得，实际烟气中氮气的体积为VN2= 8.38Nm3。过量氧气的体积为：VO2=0.21-1VK0 (2- 11)式中VO2 实际烟气中过量氧的体积(Nm3)。通过公式(2-11)计算可得，实际烟气中过量氧的体积为VO2=0.20Nm3。实际烟气量为：Vy=VRO2+VH2O+VN2+VO2 (2-12)由式(2-12)计算出，每1Nm3天然气燃烧后产生的实

36、际烟气量为Vy=11.76 Nm3。2.2 燃气锅炉烟气余热计算2.2.1 烟气余热回收潜力计算以南京某高校的燃气锅炉的烟气余热回收为例进行计算与分析，这个燃气锅炉型号为WNS2-1.25-YQ，额定蒸发量为2t/h，额定蒸汽压力为1.25MPa，额定蒸汽温度为194，出口排烟温度为180，额定工况下天然气用量为160Nm3。然后对这个燃气锅炉进行烟气余热的计算。由式(2-1)(2-12)计算这台锅炉额定工况下的烟气成分含量与空气量，结果如下表2-2所示。表2-2每小时所需空气量和生成的烟气量(Nm3)项目空气量N2CO2O2水蒸气烟气总量理论数值1540.841218.80163.760.0

37、0320.721703.28=1.101694.921340.52163.7632.36344.901881.54=1.201849.011462.25163.7664.72346.752037.47表2-3 =1.1 时锅炉烟气成分百分比项目N2CO2O2水蒸气烟气总量容积分数71.25%8.70%1.72%18.33%100.00%摩尔质量28.0144.0132.0018.0227.64质量分数72.20%13.86%1.99%11.95%100.00%根据上面的表2-2和表2-3得知，如果忽略空气含有的水，则烟气中的水蒸气的质量和过量空气系数没关系，而且随着过量空气系数不断提高，水蒸气

38、的体积分数就不断的减小。(1)显热计算若烟气看作理想气体，理想气体的真实摩尔比热和质量比热可根据式(2-13)计算：CP，mi=R×i+iT+iT2+iT3+iT4 (2-13)CPi=Cp，m÷Mi (2-14)式中 i、i、i、i、i 烟气某一组分比热系数； Mi 烟气某一组分的摩尔质量，kg/ mol； Cp，m 烟气某一组分在某一温度下的摩尔比热，kJ/ (molK) ； CPi 烟气某一组分在某一温度下的质量比热，kJ/ (kgK) ； T 烟气的绝对温度，K。由式(2-15)可以求得混合气体烟气各组分真实摩尔比热和其质量分数：CP=Cpiri (2-15)式中r

39、i 烟气各组分的质量分数。南京地区大气压力接近1标准大气压，如果过量空气系数取=1. 1时，烟气中水蒸气的分压力为0. 017319MPa，这时烟气的露点温度为57.60。由烟气露点温度，分别取五个不同的排烟温度，以及冷凝换热器以前的排烟温度180，查询在这些温度下的烟气的比热，由(2-13)(2-15)的公式计算，如表2-4所示。表2-4烟气的定压比热CP定压比热CPkJ/(kg )温度/二氧化碳18060504030200.980.8790.8690.860.850.84水蒸气1.9281.8741.8711.8761.8641.861氧气0.9580.9250.9230.9210.918

40、0.916氮气1.051.041.041.041.041.04烟气1.1351.1071.1051.1031.1021.1由式(2-16)求出烟气的显热：Qxr=CpmT (2-16)回收的显热占燃料低位发热量的比例，即因为回收显热能提高锅炉效率的百分比按式(2-17)计算：xr=QxrQdr×100% (2-17)锅炉每小时天然气消耗量为160Nm3，燃料的低位发热量为34.43MJ/Nm3，每小时天然气完全燃烧放出的低位热量为5.51GJ。由式(2-16)计算得出燃气锅炉在额定工况时，冷凝式换热器在不同的设计排烟温度下所能回收的热量和燃气锅炉效率能提高的值 30、31，如表2-5

41、所示。表2-5各排烟温度下烟气的显热损失值排烟温度/1806050403020显热量/GJ1.1140.8040.7780.7530.7280.703可回收量/GJ0.0000.3100.3350.3610.3860.411锅炉效率提高/%0.0005.6406.1106.5707.0307.490(2) 潜热计算气化潜热是指将lkg饱和水完全变为饱和水蒸气后总共吸收的热量。通过回收烟气的余热中的潜热与显热，从而实现对烟气中的余热进行回收与利用。由上面的计算可知，当过量空气系数=1. 1时，露点为57.60，烟气中水蒸气的容积成分为18.57%。在冷凝式换热器中，如果将烟气排烟温度降到比露点温

42、度还低时，则烟气中的水蒸气就能冷凝，并且释放出汽化潜热，从而可以极大的提高换热器余热回收的量，汽化潜热随着压力的升高而不断减小。当烟气中水蒸气的气化潜热被回收并利用后，锅炉热效率显著提高32。通过式(2-18)能计算出汽化潜热： Qqr=mH2O (2-18)根据式(2-19)计算锅炉热效率的提高：qr=QqrQxr×100% (2-19)为了确定该燃气蒸汽锅炉排烟热能回收的价值，下面计算不同排烟温度下的锅炉热效率的提高百分比，如图2-1所示。通过计算结果曲线可得出，曲线中有两个比较明显的区域，第一在排烟温度在60左右时，锅炉热效率提高百分比的值发生巨大变化，第二在60180范围内变

43、化很平缓，而在2060范围内变化曲率较大。当排烟温度比烟气的露点温度低时，烟气中的水蒸气中汽化潜热将冷凝释放出来，当这部分热量被有效的回收利用时，明显的可以看出锅炉热效率得到提高。同时当烟气被回收时温度比露点温度低时，锅炉热效率比只回收显热时的热效率要低很多，这显示出汽化潜热损失比烟气显热损失大。由曲线的趋势可以发现，随着逐渐降低排烟温度，潜热换热量占总换热量的比例就不断的增大，而当烟气温度降到一定值后逐渐稳定。这时，如果排烟温度继续降低，则烟气的显热换热量相对于总换热量就没有回收优势。图2-1不同排烟温度下的锅炉热效率提高百分比如果从冷凝的方向来看，随着冷凝的进行，烟气中水蒸气占比逐渐降低，

44、烟气的分压力就会减小，则烟气露的点温度也会减小，冷凝也会逐渐的困难。在冷凝换热过程中烟气中的水蒸气，先是通过烟气中不凝性气体，然后达到冷却壁面后开始冷凝，凝结成液态的水珠。凝结换热不断的进行使析出的液体不断增加，凝结水珠就不断形成液膜。在液膜表面附近的烟气中，随着换热的不断进行，水蒸气的含量逐渐降低，然后产生由一层不凝性气体组成的气膜。这时，烟气中的水蒸气穿过气膜和液膜就会产生冷凝现象，增加了烟气凝结换热的阻力。因此，烟气中水蒸气含量越高，与壁面处的水蒸气浓度差越大，则水蒸气凝结的推动力就越大，烟气凝结换热就越强。从图2-2中可知，空气过量系数的不断增大，水蒸气的体积分数也不断减小，凝结换热也

45、不断减弱。同时，空气过量系数减小使烟气量减小，这使得排烟所带走的热损失也相应的减小，而且由于烟气量减少，换热器中烟气的流速也减小，因此与换热壁面接触的时间增加，这将使换热更加充分，回收的余热量也将增加。所以燃气锅炉燃烧时的空气过量系数不应该太高。图2-2烟气中水蒸气体积分数随空气过量系数的变化2.2.2 冷凝式换热器热平衡计算燃气锅炉烟气余热回收比较经济的方式是加热锅炉送风或者预热锅炉给水，为了确保换热器经济与安全性，加热后的水或空气温度不应该过高，在常压下最高可加热到90左右。锅炉给水温度以常温计算，取15。把烟气的温度降到不同的温度时，可加热空气量mg或水量mw可根据式(2-20)和式(2

46、-21)计算：mw=Qxr+QqrCpw×90-15 (2-20)mg=Qxr+QqrCpg×90-15 (2-21)取定压比热值下的定性温度为(90+15 )/2=52. 5，空气的定压比热容Cpg和水的定压比热容Cpw为通过表可知，其值分别为4. 182kJ/ (kg)和1. 202kJ/ (kg)，按照式(2-20)和式(2-21)，计算当烟气被降低到不同的设计温度时，能加热的空气量mg或水量mw，如表2-6所示。表2-6设计排烟温度下可加热给水和空气量排烟温度/6050403020回收热量/GJ0.3100.6940.8250.9140.921可加热水/kg1011

47、.4261627.2912238.0322653.3352936.871与锅炉给水量相比0.5100.8101.1201.3301.470可加热空气/Nm32727.8714388.8936036.0957156.1927920.904与锅炉实际空气量相比1.7002.7403.7704.4704.940通过上表可以看出，不能通过锅炉送风而使烟气温度降低到冷凝温度以下，水蒸气的汽化潜热将不能有效的被回收，因此，仅仅通过送风来作为低温热源不能确保冷凝式换热器的正常工作。若以锅炉给水当作低温热源，如果排烟温度减小到大约42.5时，回收的热量就可将全部锅炉给水热至90，仅依靠锅炉的给水作为低温热源，

48、不能将锅炉烟气温度降得很低；同时由于季节的不断变化，锅炉给水温度也在不断的变化，在夏季温度比较高时，由于锅炉的给水吸热能力降低，这种设计的排烟温度就会升高，回收的汽化潜热量就会减少。所以仅仅使用锅炉给水作为冷凝式换热器的冷源，得不到很好的节能效果，冷凝式换热器的工作情况会受到较大的外界因素的影响。第三章 冷凝式烟气余热回收装置设计与分析3.1 换热器概述在工程当中，热交换器是指将一种流体的热量以特定的传热方式传递给另外一种流体的设备。在这种设备中，有不少于两种温度不同的流体共同传热。其中一种温度比较高的流体释放出热量；而另外一种温度低一些的流体，吸收热量。换热器是主要以传热为主要目标的设备，其

49、普遍应用在工业生产中，比如锅炉设备的空气预热器、省煤器、过热器等，应用在电厂热力系统中的除氧器、冷却塔、给水加热器等都是换热器实际的应用。在各种生产与应用中，合理设置热交换过程并且利用与回收余热，可以更大的发掘能源利用的潜力，这个和换热器设计与使用息息相关。随着科学技术与工业水平的迅速发展，要求不同的换热器类型和结构都要与其工艺相适合，流体的种类和运动、设备的温度与压力、耐磨损等都要满足生产制造过程的需求。近年来科学技术不断发展，促进了能够适应低温低压与高温高压等恶劣条件紧凑式换热器的进步。虽然有各种各样的换热器，但是换热器还可按照其一些相同特征进行区别33。 (1)由热交换器制造材料分为，金

50、属换热器、塑料换热器等，其中以钢作为换热器的材料的应用最普遍。(2)根据用途分类，换热器可以分为冷凝器、预热器、冷却器等。蒸发器与冷凝器是具有相变的换热过程，其换热系数比较大。(3)由温度状况分为：温度工况不稳定的换热器，传热面上的热流与温度都随时间而变化；热流温度的大小与其在一定的热交换区内不随时间而变，称为温度状况稳定的换热器。(4)按照冷热流体和热流体的流动的方向不同，可以分为：顺流式：两种流体相互平行的向同一个方向流动，如图3-1 (a)所示；逆流式：两种流体同样是平行的流动，但是它们流动的方向是相反的，如图3-1 (b)所示；错流式：两种流体的流动的方向是互相垂直交叉的，如图3-1(

51、c)所示。当交叉次数在四次以上时，可依据两种流体流向的总趋势可将其看成顺流式或逆流式，如图3-1(d)及(e)；混流式：两种流体在流动过程中既有顺流，也有逆流，如图3-1 (f)及(g)所示。图 3-1 流体的流动方式(5)根据热量传递的方式，换热器可分为蓄热式、间壁式、混合式三类，这是换热器最主要的一种分类方法。蓄热式换热器：这种换热器具有固体壁面，两种流体轮流的和壁面传热。当热流体通过固体壁面时，热量传给固体壁面，壁面温度变高，当冷流体流过时，热量从固体壁面传给冷流体，从而壁面温度变低，就这样反复进行换热。混合式换热器：在这种换热器内通过冷热流体直接接触换热，混合式的换热器没有接触热阻，换

52、热系较大，应用在冷热两种流体可互相接触的地方。由于这种换热器中的冷热介质互相接触，所以在工业上应用受到限制。间壁式换热器：有一个固体壁面在热流体和冷流体之间，一种流体总是在壁面的一侧流动，而另一种流体在壁的另一侧流动，这两种流体不直接接触，通过壁面进行热量的传递。因为间壁式换热器的冷热流体不会直接接触，两者的流动状态相互独立，因此使用范围广泛、是使用量最多的一类换热器。间壁式换热器可根据传热壁面的形状为板式换热器、管式换热器、夹套式换热器以及各种各样异型传热面组成的特定的换热器。燃气锅炉用水作为冷却介质时加装的冷凝式换热器，有些采取直接接触式的冷凝换热器，这种换热器具有冷凝效果好，不存在管壁热

53、阻与污垢热阻，所以换热系数较大，热能回收成效好，与此同时烟气经过水洗之后，烟气中NOx、烟尘等污染物大多数溶解在水中，环保效果显著，对于对水的品质没有太高要求的地方节能效果显著，并且烟气中冷凝出来的水也可被利用。然而直接接触式冷凝换热器的水会被烟气污染，对水质要求较高的地方无法直接利用冷凝水，需要增加二次回路，增大了管理与投资难度。为确保水质，减少运行和管理的成本，本文在研究时，选择热管式和翅片管式等换热器作为研究对象。3.2 热管式换热器热管工作原理1、工作原理热管是一种具有很高的导热性的传热器件，其应用已经从用于宇航的热控制，扩广到最近的化学工程、余热回收、石油化工等行业，且效果显著。热管换热器的最基本元件是热管，其一般是一根有翅片或没有翅片的一般圆管，其最重要的结构在管内。图3-2 表示一种典型的吸夜芯热管。它由管芯、管壳和蒸汽通道所构成。从传热工况方面看，热管可分为蒸发段、绝热段和冷凝段三个部分。热管工作的过程中，工作液体受热蒸发，并且向冷凝段流，达到冷凝段后由于又受到冷却使蒸汽凝结成液体，液体通过多孔材料毛细力的作用流回到蒸发段。就这样不断循环，就可以把热量从热管的一端传递到另一端。由于汽化潜热较大，所以就算温差很小也能把大量的热量从热管的蒸发段传递到冷凝段。热管热量传递可以分为如下几个过程：(1)热量通过热传