燃气装置烟气余热回收分析与设计

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1.1.1 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，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占能源消费量的比重(%)年份 能源消费总量(万吨标准煤)煤炭 石油 天气 一次电力及其它能源1990 98703 76.2 16.6 2.1 5.11991 103789 76.1 17.1 2.0 4.81992 109170 75.7 17.5 1.9 4.91993 115993 74.7 18.2 1.9 5.21994 122737 75.0 17.4 1.9 5.71995 131176 74.6 17.5 1.8 6.11996 135192 73.5 18.7 1.8 6.01997 135909 71.4 20.4 1.8 6.41998 136184 70.9 20.8 1.8 6.51999 140569 70.6 21.5 2.0 5.92000 146964 68.5 22.0 2.2 7.32001 155547 68.0 21.2 2.4 8.42002 169577 68.5 21.0 2.3 8.22003 197083 70.2 20.1 2.3 7.42004 230281 70.2 19.9 2.3 7.62005 261369 72.4 17.8 2.4 7.42006 286467 72.4 17.5 2.7 7.42007 311442 72.5 17.0 3.0 7.52008 320611 71.5 16.7 3.4 8.42009 336126 71.6 16.4 3.5 8.52010 360648 69.2 17.4 4.0 9.42011 387043 70.2 16.8 4.6 8.42012 402138 68.5 17.0 4.8 9.72013 416913 67.4 17.1 5.3 10.22014 426000 66.0 17.1 5.7 11.21.1.2 节能环保的紧迫性“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 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；CO 2 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 85 9。为了节省能源、保护环境、实现可持续发展，提高天然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 年我国天然气的产量累计约为 ，增长了38m1049.521.9%。 2006 年天然气需求量达到 。我国天然气的使用依然处在起步38m106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 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)+Q OC=2H+C24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，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。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，其供暖设备的系统都已采用冷凝式燃气热水锅炉，