傳統(tǒng)燃氣鍋爐節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀
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摘要：本文針對傳統(tǒng)燃氣鍋爐能耗浪費及氮氧化物排放的問題，通過分析國內(nèi)外燃氣鍋爐的發(fā)展現(xiàn)狀及國內(nèi)目前常用的鍋爐煙氣余熱回收技術(shù)，并著重介紹了鍋爐煙氣余熱回收的兩種技術(shù)，直接接觸冷凝式及間接接觸冷凝式，為進一步研究傳統(tǒng)燃氣鍋爐的節(jié)能換熱技術(shù)，奠定了重要的理論基礎。
關(guān)鍵詞：燃氣鍋爐；節(jié)能；余熱回收
1國內(nèi)傳統(tǒng)燃氣鍋爐發(fā)展現(xiàn)狀
我國傳統(tǒng)燃氣鍋爐中排煙溫度一般在180℃以上，排出的煙氣仍然具有很高的熱能，這部分余熱熱能得不到利用而直接排出，導致了環(huán)境的污染，同時也造成了嚴重的能源浪費。排出的煙氣攜帶著余熱，余熱資源利用率較低，特別是在煙氣露點溫度以下的部分。另外，我國近年來空氣污染問題愈發(fā)嚴重，其中危害最大的霧霾現(xiàn)象的成因之一就是水蒸氣因素，傳統(tǒng)煙氣直接排入大氣中會致使大量的水蒸氣排入大氣，轉(zhuǎn)變?yōu)榫坝^污染，加劇霧霾現(xiàn)象。天然氣的燃燒產(chǎn)物還含有氮氧化物，其不僅會危害自然環(huán)境，而且在光照的催化下會形成化學反應，產(chǎn)生的反應產(chǎn)物還會直接引發(fā)人們身體各部位器官的癌變。綜上所述，傳統(tǒng)大型燃氣鍋爐的進行節(jié)能減排優(yōu)化設計研究，既提高了天然氣利用率，又達到減少環(huán)境污染物排放的目的，體現(xiàn)了國家對資源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，能夠推動我國節(jié)能工作的順利開展，也將獲得更大的經(jīng)濟效益。
2國外傳統(tǒng)燃氣鍋爐發(fā)展現(xiàn)狀
國外燃氣鍋爐研發(fā)早，技術(shù)較為成熟，目前冷凝鍋爐標準熱效率普遍能達到（即平均熱效率）94.5%。但是氮氧化物的排放問題提及較少，并且國外目前仍在大量投入研發(fā)燃氣鍋爐熱節(jié)能改造，致力于鍋爐的熱效率、環(huán)保等方面的進一步完善改造，國外擁有眾多前沿燃氣鍋爐改造技術(shù)理論，但是較為雜亂且多數(shù)將節(jié)能與降氮理論分開研究。美國自2012年以來，要求氣體加熱水鍋爐的效率最小達到82%，而油加熱水的鍋爐效率則要求達到84%。決策者為了提高鍋爐的熱效率，實施安裝冷凝式鍋爐，這些冷凝式鍋爐可改變最大熱效能，典型不銹鋼或鋁質(zhì)可以達到90%以上的燃料操作效率。提高熱效率的原理在于冷凝鍋爐利用了水蒸汽冷凝變?yōu)橐簯B(tài)水時所排放的氣體額外的熱量，由此可知，通過適當條件下的運作，利用水蒸氣的潛在熱獲得額外的一些廢熱，是冷凝式鍋爐熱效率比傳統(tǒng)鍋爐提升超過10%以上的原因所在。為了提高傳統(tǒng)燃氣鍋爐的熱效率，一些國外的鍋爐制造商嘗試增加鍋爐的熱交換器或改進鍋爐的同流熱交換器。傳統(tǒng)燃氣鍋爐提高熱效率的最優(yōu)化關(guān)鍵點在于最小化二氧化碳的排放量、節(jié)省鍋爐燃料資源以及降低設備的操作成本等。
3燃氣鍋爐節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀
3.1冷凝換熱技術(shù)
目前，大多數(shù)國內(nèi)的燃煤電廠和部分大型燃氣鍋爐設備均采用濕法脫硫技術(shù)進行煙氣處理，煙氣經(jīng)過會含有大量的水蒸氣，水蒸氣遇冷凝結(jié)，再排入大氣環(huán)境，造成了空氣污染現(xiàn)象的惡化，另外排出的水蒸氣一般溫度過高，這部分熱量沒有被利用直接排入大氣造成直接的熱量浪費。此外，經(jīng)過濕法脫硫技術(shù)中的電除塵，大部分的顆粒物會被去除，但是仍然無法完全去除微細顆粒物。濕式煙氣換熱原理。燃氣鍋爐的煙氣經(jīng)過濕法脫硫設備后，其排煙中含有大量水蒸氣，呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，溫度達到50℃左右。處理之后的煙氣在經(jīng)過冷凝換熱后，因為與較低溫度的換熱管壁接觸，產(chǎn)生凝結(jié)，會在管壁表面形成一層冷凝液膜。另外設備內(nèi)部還會由于存在不凝結(jié)的氣體，而在煙氣和冷凝液膜間形成不凝結(jié)的氣體邊界層。冷卻水與煙氣將在管壁、不凝結(jié)的氣體邊界層和冷凝的液膜之間不斷進行換熱。濕式煙氣換熱技術(shù)中放熱量計算公式如下：煙氣冷凝放熱量：dQc=hf(Tg-Ti)dA(1)冷凝的液膜與煙氣潛熱放熱量：dQconv=KGrlnPg-P/(Pg-PvdA)(2)冷卻水與冷凝液膜間換熱量：dQ=hc(Ti-Tw)dA(3)利用脫硫設備處理后的煙氣，雖然氣質(zhì)得到了改善，但是仍然無法避免水蒸氣排出的能量和水資源浪費問題。這個問題，冷凝換熱技術(shù)可以完全解決，利用該技術(shù)可以將高溫水蒸氣凝結(jié)繼而回收這部分水資源，回收的這部分水資源量可以通過煙氣含水量的入口和煙氣含水量出入口差值來表示為：N=V1ρ1-V2ρ2(4)式中：V1表示煙氣入口體積流量，m3/h；ρ1表示入口處水蒸氣的密度，kg/m3；V2表示煙氣出口的體積流量，m3/h；ρ2表示水蒸氣入口的密度，kg/m3。譚厚章等人通過對傳統(tǒng)燃氣鍋爐的研究改造發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)燃氣鍋爐節(jié)能優(yōu)化改造主要在于提高煙氣潛熱回收率、增設水蒸氣循環(huán)利用裝置以及氣體除塵裝置，他們對煤粉鍋爐的系統(tǒng)性能進行的深入研究，之后通過系列高功率機組進行了鍋爐潛熱、節(jié)水和除塵的試驗工程，最后研發(fā)出了集熱量回收、水蒸氣回收循環(huán)和煙氣除塵效果于一體的濕式相變凝聚系統(tǒng)，經(jīng)過系列試驗表明，該系統(tǒng)在任何正常運行的工況下都能達到很好的目標效果，系統(tǒng)在最優(yōu)的運行工況下，除塵效率最高達到了71.11%，相較于同等運行工況下的傳統(tǒng)鍋爐，系統(tǒng)排煙溫度降幅達最大達到了2.87℃，煙氣熱量的回收最大達到了3.49MW和3.59MW，回收的排煙中攜帶水量達到4.32t/h。和傳統(tǒng)鍋爐相比較，冷凝式鍋爐不僅爐體相對較高，而且排出的煙氣溫度可以得到大幅度降低。不僅能夠高效的節(jié)約燃料氣，而且減少了不必要的熱能浪費，還可以一定程度的凈化煙氣，去除有害物質(zhì)。
3.2直接接觸冷凝式與間接接觸式換熱技術(shù)
（1）直接接觸冷凝式。冷凝換熱的基本原理是排煙和水直接接觸進行換熱，換熱的過程中，低溫的水經(jīng)過煙氣加熱霧化噴淋，與煙氣接觸進而換熱，在此過程中煙氣溫度降低，直至露點溫度以下，水蒸氣因凝結(jié)放熱，這樣既回收了煙氣余熱又利用了水分。燃氣鍋爐對于煙氣余熱的回收利用中，水蒸汽和煙氣接觸，因此對于熱網(wǎng)水和煙氣直接進行換熱并不適用，一般情況下，吸收式熱泵往往結(jié)合直接接觸式換熱器進行應用，排出的煙氣和吸收式熱泵產(chǎn)出的低溫水經(jīng)過換熱器后排出，低溫水被加熱升溫后再次進入吸收式熱泵，降溫后再次進入換熱器，另外設備的腐蝕問題依靠在換熱器內(nèi)增設自動加藥裝置，并對低溫水及設備的關(guān)鍵部分進行相應的防腐處理。法國人R．Guilletde在傳統(tǒng)的鍋爐的改造方面提出了接觸式噴淋填料塔裝置，該裝置現(xiàn)在也被經(jīng)常用于電廠中。該方法主要是在傳統(tǒng)的鍋爐當中增設首填料塔，鍋爐內(nèi)排出的高溫水蒸汽不再直接排入大氣，而是用于鍋爐自用燃料-鍋爐進風時的預熱，預熱后的水蒸氣再次通過填料塔進行噴淋降溫，鍋爐排出的這部分高溫蒸汽相當于進行了兩次降溫處理，煙氣溫度的降幅最高可以達到120℃。高宏偉等人在進行燃氣鍋爐煙氣余熱換熱實驗研究時，研發(fā)了DCC-HRS能源回收技術(shù)。研究表明，在該種換熱結(jié)構(gòu)中，絕大部分鍋爐排放的煙氣余熱能被循環(huán)水吸收，同時煙氣在洗滌過程中還溶解了SO2、NOx、TSP，既充分回收了煙氣熱量又達到了凈化氣體污染物的效果。DCC-HRS系統(tǒng)加熱冷水，可以使冷水溫度達到60℃左右，熱量不足的部分可以采用原加熱系統(tǒng)來加熱，這種方式既做到了小工作量、設備小巧便捷，同時改善了水蒸氣冷凝后產(chǎn)生白煙現(xiàn)象。綜上可知，直接接觸換熱技術(shù)的優(yōu)勢在于可以較好的進行鍋爐排煙熱量的回收，效果顯著，并且能高效的進行水蒸氣的循環(huán)利用，但該技術(shù)同樣存在問題，當排煙溫度低于其露點時，會形成凝結(jié)水，因為凝結(jié)水中含有腐蝕性物質(zhì)，則會因為生成了高腐蝕性冷凝液，而對設備使用壽命造成影響，形成了該技術(shù)在實際應用中的一大難題。（2）間接接觸式換熱技術(shù)。間接接觸式換熱技術(shù)主要分為列管式換熱器和板式換熱器。管式換熱器的工作原理為：采用由“管、殼”典型列管換熱器，煙氣熱量通過管子的內(nèi)外壁進行接觸、換熱進而實現(xiàn)熱量的傳遞。板式換熱器的工作原理：非對稱式板式換熱器由一系列不銹鋼板片組成，水蒸氣通過換熱器的內(nèi)部流動時充分接觸換熱器的內(nèi)部水，從而進行了煙氣熱量的傳遞和吸收。該方式的技術(shù)特點為：①換熱效率高，熱損失小；②結(jié)構(gòu)緊湊，面積小，重量輕；③在相同損失壓力下，換熱系數(shù)高于比列管式3~5倍，熱回收率高達90%以上。這種板式換熱器的優(yōu)勢在于傳熱換熱效率高，但是不能大型化。李東等人進行鍋爐傳熱研究時發(fā)現(xiàn)，將毛細泵環(huán)（CPL）應用于傳統(tǒng)燃氣鍋爐的傳熱器改造中，在傳熱器的蒸發(fā)器內(nèi)增設該設備，能夠直接影響鍋爐排煙余熱的回收效果。CPL由于自身特有的屬性，其在溫差極為接近的情況下仍然可以產(chǎn)生較好的傳熱功能，此研究結(jié)果對于燃氣鍋爐傳熱器的改造方面具有推動型的作用。畢喜柱等人在燃氣鍋爐的節(jié)能研究中發(fā)現(xiàn)，為了最大程度節(jié)能優(yōu)化燃氣鍋爐，可以同時改進燃氣鍋爐的換熱裝置和熱管換熱器的組合形式。在其實驗中，燃氣鍋爐的換熱裝置采用了渦街技術(shù)，將換熱器改進為高效的渦街換熱器，并且加倍提高排煙氣兩側(cè)的對流換熱系數(shù)；對于熱管換熱器的改造方面，改變了之前傳統(tǒng)鍋爐采用的單一加熱方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r加熱空氣和熱水的組合形式。改造之后的燃氣鍋爐，在同等工況下，鍋爐的排煙溫降最高時可以達到155℃，鍋爐的效率最優(yōu)條件下提高了6%以上。綜上所述，間接接觸和直接接觸換熱技術(shù)的不同點在于，間接接觸式其換熱效率較高，運行更為平穩(wěn)可靠，傳熱系數(shù)較高，相較于傳統(tǒng)燃氣鍋爐，傳熱的能力得到了大大的提升；另一方面，直接接觸式換熱器的優(yōu)勢在于，對于煙氣的回收率較高，煙氣中的有害雜質(zhì)物能較好地吸收，而且更節(jié)能，更環(huán)保，該種方式的換熱器，在煙氣余熱回收方面更為有效，但是對于換熱器的改造我們應該清楚，任何一種改造方式都存在利弊。例如，直接接觸式的換熱器因為回收的水質(zhì)為酸性，無法進行再循環(huán)利用，導致水資源的浪費。因此對于燃氣鍋爐的改造我們要根據(jù)工程實際正確的選擇兩種換熱器，盡量降低設備冷凝造成的熱量損失以及最大化的提高燃氣鍋爐的供熱效率。
4結(jié)論
通過以上分析，可得出如下結(jié)論：（1）對于鍋爐煙氣余熱回收技術(shù)中的介質(zhì)換熱過程，其核心技術(shù)問題仍是高效傳熱技術(shù)。（2）間接接觸式其換熱效率較高，運行更為平穩(wěn)可靠，傳熱系數(shù)較高，相較于傳統(tǒng)燃氣鍋爐，傳熱的能力得到了大大的提升。（3）相較于直接式接觸換熱技術(shù)，間接接觸技術(shù)當前發(fā)展較為成熟，但是對于煙氣潛熱回收效果有限。（4）直接接觸換熱技術(shù)的優(yōu)勢在于可以較好的進行鍋爐排煙熱量的回收，效果顯著，并且能高效的進行水蒸氣的循環(huán)利用，但因為回收的水質(zhì)為酸性，無法進行再循環(huán)利用，導致了水資源的浪費。
作者:李美瑩 申思 張媛 單位:西安思源學院
