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冷凝器节能原理 1Nm3天然气燃烧后会放出9450Kcal的热量，其中显热为8500Kcal,水蒸气含有的热量(潜热)为950Kcal。对于传统燃气锅炉可利用的热能就是8500Kcal的显热，供热行业中常规计算天然气热值一般以8500Kcal/Nm3为基础计算。这样，天然气的实际总发热量9450Kcal与天然气的显热8500Kcal比例关系以百分数表示就为：111%，其中显热部分占100%，潜热部分占11%，所以对于传统燃气锅炉来说还是有很多热量白白浪费掉。对设备的作用 普通燃天然锅炉的排烟温度一般在120-250，这些烟气含有8%-15%的显热和11%的水蒸气潜热。加装烟气冷凝器的主要目的就是通过冷凝器把烟气中的水蒸气变成凝结水，最大限度地回收烟气中含有的潜热和显热，使回收热量后排烟温度可降至40-80左右，同时烟气冷却后产生的凝结水得到及时有效地排出（1 Nm3天然气完全燃烧后，可产生1.66kg水），并且大大减少了CO2、CO、NOx等有害物质向大气的排放，起到了明显的节能、降耗、减排及保护锅炉设备的作用。从而达到节能增效的目的。冷凝式燃气采暖热水炉的节能效果不宜盲目夸大从理论上分析，冷凝式燃气采暖热水炉（简称“冷凝炉”）的热效率可以达到106%。但事实上，冷凝炉要达到这种热效率离不开良好的使用条件。否则，冷凝率的高效率将无从谈起。根据热力学第二定律分析，要想让被加热的物体达到与热源相同的温度，理论上需要无限长的时间。按照使用水流式热值仪的经验分析，当本生灯（用煤气作为燃料的一种加热器具）的热负荷大于1.163千瓦时，排烟温度会比进水温度高出0.2摄氏度。而燃气采暖热水炉的热负荷都在18千瓦以上，所以，排烟温度至少比进入炉子的回水温度高出1摄氏度。即：冷凝炉在与地暖系统配套时，排烟温度要大于31摄氏度，在与散热器采暖系统配套时，排烟温度要大于46摄氏度。在标准状态下，1立方米天然气（假设为纯甲烷，下同）完全燃烧，需要2立方米氧气，会产生1立方米二氧化碳和2立方米水蒸气。由于干空气中的氧气含量为20.9%，因此，可以算出，在标准状态下，1立方米天然气完全燃烧的过程需要9.56立方米的干空气。燃气在全预混燃烧时，按照最小的空气系数=1.05计算，每立方米天然气在完全燃烧期间实际需要的干空气量为：Va=1.059.56=10.04立方米。烟气在冷凝之前的总含水量等于空气中的含水量加上燃烧产物的含水量之和。以北京为例，该地区冬季气候比较干燥，平均气温大概在零下2摄氏度左右。由此可以计算，上述10.04立方米的空气中仅含有0.0225立方米水蒸气。加上燃气燃烧后产生2立方米的水蒸气，烟气在冷凝之前的总含水量为2.0225立方米。根据相应的公式可以计算得出，包含湿空气的烟气量为11.06立方米。这样的话，水蒸气占全部烟气的体积比例为18.291%，水蒸气的分压为18.53千帕。当空气温度达到58摄氏度时，空气的饱和蒸汽压为18.159千帕。当空气温度达到59摄氏度时，空气饱和蒸汽压为19.028千帕。烟气中因含有大量的三原子气体（如二氧化碳），故其露点温度稍高于空气的露点温度。试验证明，含水量为18.667%的烟气的露点温度为59摄氏度。也就是说，烟气被冷却到59摄氏度时就开始有冷凝水产生，直至冷却至31摄氏度被排放出去之前，都一直在生成冷凝水。实际燃烧1立方米的天然气所产生的烟气，其冷凝后产生的水蒸气体积为1.531立方米，质量约1.275千克。这些冷凝水在由气态冷凝成液态的过程中，释放出的热量约3051.01千焦。这就是被冷凝炉回收利用的冷凝潜热。除了回收利用冷凝潜热以外，烟气温度在下降的过程中也可以为冷凝炉节约部分热量从而使冷凝炉的热效率提高，这就是由于烟气温度降低而被利用的显热。1立方米的天然气完全燃烧生成的烟气产物，在温度升高或降低1摄氏度时，所吸收或放出的热量总计为14.764千焦。非冷凝炉的排烟温度一般大于110摄氏度，假设冷凝炉排烟温度可以降低到30摄氏度，则显热得到的热量为1181.12千焦，潜热和显热共同作用的结果是多利用了4232.13千焦的热量。锅炉效率的定义公式是：=Q1/BQDWy100%。即，效率=锅炉有效利用热输入锅炉的热量的百分数。这里输入锅炉的热量就是燃料的低位发热量，在标准温度为0时，天然气的低热值为35888kJ/m3，那么,=4232.13kJ/35888kJ=11.79%，即全预混冷凝炉比非全预混冷凝炉的热效率提高了11.79%。以上计算结果是在空气系数为1.05、排烟温度为31摄氏度以下的条件下得出的。而目前的全预混燃烧采暖炉空气系数在1.11.3之间，大多数冷凝炉并没有做到真正的全预混燃烧，即使冷凝炉在额定热负荷状态是全预混燃烧，它在非额定热负荷状态也不是全预混燃烧。再者，冷凝炉整个采暖季的实际运行情况是：大多数时间室外温度不低于0摄氏度。如果冷凝炉不采用全预混燃烧方式，它的热效率会更低。而且，冷凝炉的热效率还在很大程度上受到空气系数的影响。例如，当空气系数=1.75时，1立方米天然气完全燃烧实际所需干空气量为16.73立方米。水蒸气占全部烟气的百分比为11.5%，水蒸气的分压为11.62千帕。当空气温度达到49摄氏度时，空气的饱和蒸汽压为11.745千帕。即烟气露点温度为49摄氏度。而如上所述，当空气系数=1.05时，烟气露点温度为59摄氏度。由此可知，空气系数加大，烟气的露点温度会下降；当空气系数大于1.75、排烟温度大于49摄氏度时，就不能产生冷凝水了。再加上进入炉内的空气量大，烟气排出时带走的热量多，冷凝炉的热效率会更低。可见，只有在空气系数较小的条件下，冷凝炉才能有很高的热效率，随着空气系数的加大，冷凝炉的热效率会降低。实验证明，全预混燃烧的冷凝炉与地暖系统配套时，如果设定的出水温度低于50摄氏度，就能够发挥出很好的节能效果，如果不是全预混燃烧的冷凝炉则没有实际节能效果。冷凝炉在与散热器采暖系统配套时，因为回水温度较高，排烟温度不可能很低，基本上不会产生冷凝水，也就没有可利用的冷凝潜热，因此没有节能效果。而要大面积推广普及冷凝炉，必须开发能对冷凝炉中的燃气在燃烧期间所用的空气进行预热的烟气冷凝器。目前欧洲在这方面没有成功的先例，这可能是因为这种烟气冷凝器的制造成本较高以及排烟出口结冰等设计方面的技术难题一直没有被攻克等原因所致。总之，冷凝炉只有在良好的使用条件下，其热效率才能达到很高的数值。我们要正确评价冷凝炉的实际热效率，盲目夸大宣传冷凝炉的节能效果，对推广普及冷凝炉并不能起到积极的作用。某造纸企业污泥干燥焚烧系统(二）五、系统方案说明1、由于用户的具体要求、现场情况没有提供，本方案只作为生化污泥干燥、焚烧的的初步方案，其中具体工艺设备可以根据废弃物特性的变化和用户要求作相应的改动。2、方案中水冷凝器、喷雾塔用水采用污水处理厂的处理水，以降低设备投资和运行成本，方案中没有考虑处理水的输送问题。3、本系统产生的污水进入现有的污水处理厂，整套系统中不包括系统内污水最终处理设备。4、污泥具体特性未知，工艺中没有考虑污泥烘干过程中产生的特殊有害物质(比如在以上不能分解燃烧的有机物)；5、系统没有考虑固体废弃物的运输、储存和最初的上料问题(如何运送到烘干机的皮带上料机)，以及含重金属灰渣的储运和最终处置问题；6、尾气处理方案中只考虑焚烧废弃物中、元素含量不太高的情况，如果含量较高影响整套焚烧系统的尾气处理工艺；7、方案中没有考虑焚烧的废弃物中含有过多的含氮有机物，如果废弃物的含氮量的提高会造成排放尾气中的氮氧化物含量增加，要保证排烟达标必须另外增加尾气处理设备；8、用户没有提出余热利用的具体方式，方案中没有过多考虑余热利用问题；9、系统中所有参数只是初步估算的结果(多种条件未知)；10、以下有关设备和描述以上述说明为基础。六、主要系统功能及控制简介整套干燥焚烧系统由下列几部分组成(1)进出料系统、(2)助燃系统、(3)干燥系统、(4)焚烧系统、(5)余热冷却系统、(6)烟气处理排放系统、(7)电气控制系统。1、进料系统污泥进料设备包括干燥机上料机、进料机和回转窑上料机(干燥机出灰机)、进料机(根据污泥的具体情况该设备并不是必须的)等设备。干燥机上料机采用自动输送机，将湿污泥送到干燥机的进料斗内，然后由进料斗底部的推料机推入干燥机进行烘干。干燥机的出料设备即是回转窑的进料设备，回转窑进料机将烘干后的物料输送到回转窑的进料斗内，然后由螺旋机将物料推入回转窑进行焚烧。系统中污泥的进料和焚烧连续进行。注：如果焚烧废物除污泥外还有其他固体废物可以在窑头增设人工投料门或其他上料机构。2、助燃系统助燃系统是在系统起炉和不能维持焚烧或干燥温度时辅助提高炉膛温度的手段。根据焚烧的废弃物热值决定是否采用辅助燃料助燃。助燃系统主要设备有油罐、油泵和燃烧器。燃烧器具有自动点火、灭火保护、故障报警等功能和火焰强度大、燃烧稳定、安全性好、功率调整范围较大等特点。可根据燃烧功率要求开启小火或大火供风阀自动调节，同时也可通过调整供油压力调节燃油量的大小。3、干燥系统干燥系统是整个系统的关键，干燥系统的好坏直接影响焚烧炉的正常运行。干燥系统是否稳定直接影响整个系统运行工况。本系统主要包括回转筒干燥机、除尘器、水冷凝器和烟气再热系统等。(1)回转筒干燥机及其安全、环保控制回转式干燥机利用循环使用的高温烟气作为烘干污泥的热源，通过对污泥的加热烘烤，烘去污泥中的水分。主体是一卧式可旋转的圆柱形筒体，筒体的轴线同水平面稍有夹角，被烘干的物料由高端进入烘干机，随着筒体转动，物料在筒体内部不断的翻动，同热烟气充分接触，物料被不断的加热、烘干。我们认为，污泥处理必须是环境安全的，不能产生二次污染，所以很重视尾气处理和臭味控制。早期的直接加热系统，引入外部空气经加热后通入干燥器，蒸发污泥中的水分并运送污泥。离开干燥器后热风与干污泥颗粒分离，然后经过除尘、热氧化除臭后排放。由于热风的量很大，使得尾气处理成本非常高。本直接加热工艺采用了气体循环回用的设计，富水烟气风经过除尘、冷凝、加热后，80%以上返回干燥机(并补充新的焚烧烟气)，其余部分经过焚烧炉焚烧处理后排放。这减少了尾气处理的负担，更重要的是大大减少了外部空气的引入量，将转鼓内氧气的含量维持在很低的水平，从而很大程度上提高了系统的安全性能。老式以热空气作为烘干热源的干燥器里，在烘干污泥的过程中容易引起起火或爆燃现象，令污泥干燥设备的安全性能倍受置疑。与爆炸有关的三个主要因素是氧气、粉尘和颗粒的温度。不同的工艺报道或许会有些差异，但总的来说必须控制的安全要素是：氧气含量12%；粉尘浓度60 g/m3；颗粒温度110 。本工艺采用循环使用的烟气作为热载体，充分利用烟气中氧含量低的特点将系统氧含量控制6%，另外系统内设置了氧气超标保护，当氧含量大于8%时系统自动报警，一旦氧气含量超过10%，系统会自动停机。颗粒温度的控制关键在于控制污泥在干燥器内的停留时间，必须保持干泥中适量的水分，以避免污泥过热而燃烧，根据晨鸣造纸厂污泥情况，当污泥达到一定的干度(3040%)就需离开干燥器，这也解决了污泥在设备内的粘结和粉尘问题。(2)循环烟气冷却及再热回转式干燥机原理是利用烟气不同温度下的相对湿度不同达到干燥的目的。干燥污泥后排出的含水蒸气的低温烟气()，相对湿度，经过除尘系统去除携带的颗粒后，进入水冷凝器进行除湿，冷却水来自造纸厂的污水厂出水，烟气中的水蒸气被冷凝以液态水排出系统，送入污水处理厂处理。除湿后的气体一小部分送入焚烧炉进行焚烧处理，大部分被焚烧炉烟气间接加热达到，相对湿度10以下，并补充一定量的高温烟气后，再导入回转筒干燥机。整个过程不断循环，达到最终干燥目的。(3)除尘器由于干燥机对物料搅拌和翻动，物料中的细小颗粒可能会被热烟气带走形成烟尘，该部分烟尘虽然量不大，但是这部分粉尘随着烟气循环时间延长会逐渐积累，影响系统的正常运行。所以干燥系统中在冷凝器以前设有除尘设备，用于去除烘干气体中的污泥颗粒，防止对系统设备造成磨损。4、焚烧系统回转窑窑体是一卧式并可旋转的圆柱型筒体，外壳用钢板卷制而成，内衬耐火材料；筒体的轴线与水平面保持一定的倾角，烘干后的污泥由高的一端窑头部进入窑内，随着筒体的转动缓慢的向窑尾部移动，窑体的转动使物料在燃烧的过程中与助燃空气充分接触，完成干燥、燃烧、燃烬的全过程，最后由尾部将燃烬的灰渣排出；旋转窑可根据窑内物料的运动方向和烟气的流向分为逆流和顺流两种形式。为保证窑体在微负压下运行和减小设备漏风对系统的影响，在旋转的窑体和固定的头、尾罩相连接的地方设有密封装置。回转窑所用的耐火材料是我所与中国建筑材料科学研究院共同开发的一种耐腐蚀、耐高温、高强度的耐火材料。该种材料经受了焚烧多种有毒有害废弃物的考验其中包括销毁化学武器。5、余热利用系统为了充分利用污泥焚烧产生的余热，降低整套系统的运行成本，余热利用系统由干燥气体换热器、空气预热器和风机等设备组成。回转窑焚烧炉排放的烟气经过沉降室降尘后首先进入干燥气体换热器，经过冷凝后的干燥用气体进入换热器，通过热交换干燥用气被加热到；然后焚烧产生的烟气进入空气换热器，预热后的空气被送到回转窑作为助燃空气，降低了系统的燃料消耗和系统的运行成本。根据贵方提供的有关数据，当预热空气温度时，如果污泥烘干到含水率小于38%，整套系统就不需要添加辅助燃料即可维持整套系统稳定的运行，使得整套系统的运行成本降到最低，同时投资规模达到最佳。6、尾气处理系统尾气处理系统主要包括高温沉降室、喷雾吸收塔、布袋除尘器、引风机、烟囱和部分配套设备。由于污泥本身颗粒较细，所以在焚烧的过程中容易产生粉尘，为了避免烟气中粉尘堵塞换热系统和对换热器的磨损，在烟气从回转窑排出后设置了高温沉降室，用于去除烟气中的一部分粉尘，同时增加了烟气在高温段的停留时间，保证烟气中的有机成分彻底燃尽。污泥在燃烧的过程中不可避免的产生、等酸性气体，影响尾气的达标排放。所以为了保证烟气最后的排放达标，系统中设计了喷雾吸收塔用来吸收烟气中的酸性气体。烟气经过空气预热器后温度下降到左右，进入喷雾塔，与由塔顶雾化喷入的碱性液滴充分接触混合，进行热能交换，对烟气进行降温；同时，烟气中的酸性气体同喷入的碱性物质进行反应，从而使得烟气得到净化。烟气经过喷雾吸收塔后，温度从降低到左右，然后进入布袋除尘器，通过袋式除尘器去除烟气中残余粉尘。最后由引风机通过烟囱达标排放。7、电气控制设备为了保证系统的正常运行和降低操作工人的劳动强度，本系统设计采用集中控制。我们采用可编程序控制器()作为下位机对整套系统的重要参数如炉温、炉内负压、排烟温度进行实时采集监测，并通过监测值对整套系统实现全(半)自动控制。并选用专用的工业控制计算机作为上位机，在工控机上采用国内畅销的组态王软件开发本系统的人机界面来集中显示：系统工艺流程、现场各设备运行状态、各主要控制参数值、报警记录、趋势曲线、在线帮助等。焚烧系统运行全过程的演示及全(半)自动控制，大大减轻了操作人员的劳动强度，提高了生产效率，克服人为因素对数据指标的影响。工作人员在中控室直接对设备控制，根据工艺要求及系统实际情况的需要，部分设备在现场设置本地控制设备，方便维护及现场操作。为了更好地实现污泥的处理，保证无害排放，本控制系统由以下构成：(1) 数据采集处理控制系统数据采集系统完成现场的压力、温度、流量、氧含量、液位及其他辅助设备的相关测点和设备运行状态的实时采集、预处理、报警、存储、计算等功能。具体控制环节如下：焚烧系统负压自动控制：整套系统在微负压下运行，在回转窑焚烧炉设有负压测点，以监测系统运行时负压值，并将数值显示在操作柜上，通过反馈信号变频调节引风机的频率，或由人工调整引风机入口调风门的大小来调整引风量，以保证系统在微负压下运行，防止烟气外泄造成二次污染；烘干系统负压自动控制：为了防止烘干过程中臭气外溢，系统保证回转烘干机在微负压下运行，通过烘干机出口负压测点，以监测烘干机运行时负压值，并通过反馈信号变频调节循环风机的频率，保证烘干机在微负压下运行；炉膛温度自动控制：回转窑焚烧的焚烧温度是通过控制燃烧器耗油量大小来实现的，可使燃烧室的温度保持在预先设定的上下限范围内；烘干机温度自动控制；为了保证烘干效果和烘干的安全，烘干机的温度自动控制是通过控制烟气量的大小来实现的；袋式除尘器前温度自动控制和保护：为了保护布袋和系统的正常运行，在实现温度自动控制的同时，还设置了自动旁路系统，当烟气温度到达危险值时自动打开旁路系统，该温度点的自动控制是通过控制喷雾吸收塔的喷水量来实现的；循环风机、引风机变频调速：为了保证烘干机和焚烧炉炉膛负压和防止有害气体外溢，循环风机和引风机的转速随着系统运行的具体工况随时自动调整，以满足系统正常运行的要求； 回转窑、烘干机变频调速：回转窑和烘干机的转速在一定范围内连续可调，以适应不同的焚烧和烘干工况，保证污泥的燃烧效率和烘干效果；(2) 计算机实时监控管理系统对所属的装置(单元)的工艺参数、设备运行状态和相关数据进行采集、集中显示、记录、报警；可以直观的显示现场的状态，一定级别的的工程人员可以根据设备实际的运行情况，通过此系统对整体运行进行调整。 软件的报警支持高、低液位报警、液位变化率报警，报警发出时的画面自动转换，报警连锁操作以及报警历史记录，报警摘要显示等。 软件能显示各种静态图形和随过程状态的动态图形，并能一定程度的显示动画画面。 软件的历史趋势显示和分析部分应能提取指定的历史数据文件，显示趋势曲线。 图形：整套系统流程图(包括实时数据)。 曲线：包括各种主要监测信号实时曲线压力、流量、温度曲线。 报表：报警及事件显示、打印，运行报表打印；注：整套系统的控制水平可以根据用户的要求设计制造。七、安全、环保、节能措施本项目在认真解决污泥污染的同时，在防止二次污染产生、节能降耗和消除危害人身、设备隐患方面制定了极其有效的措施：采用烟气循环干燥可以解决回转窑焚烧炉系统尾气处理的投资巨大、设备庞大的缺点；可以解决烟气污泥干燥的能源消耗问题，降低运行成本。采用烟气密闭循环干燥，不向环境排放干燥后的尾气，防止恶臭类气体的排放，防止二次污染的产生。在污泥干燥的过程中，不可避免使污泥中的有机物随水分蒸发进入干燥的烟气中，如果直接排放虽然可以降低设备的投资，但会造成二次污染，采用干燥烟气的密闭循环可以杜绝污染气体的直接排放，保护环境，保护工人和周围居民的身体健康。采用烟气的密闭循环，及时补充低氧量的高温烟气、排放含恶臭类及有机类物质进入焚烧炉焚烧，可以保证系统在低氧量下安全稳定运行，有效防止富氧时粉尘燃烧爆炸的危险性。在干燥过程中粉尘浓度、干燥温度、氧含量是控制的难点和重点，当三个条件(氧气含量；粉尘浓度；颗粒温度)都达到时，爆炸将有可能发生。采用烟气(烟气氧含量小于)作为干燥气源并及时补充和排放，可以保证干燥系统在稳定的低氧条件运行，同时保证干燥气中有机物含量较低。采用补充低氧量的高温烟气可以提高干燥气体的温度，缩小烟气换热器的体积，降低烟气换热器的材质要求，降低总体投资。采用先烘干后焚烧，可以合理利用焚烧过程产生的余热，简化尾气余热的冷却系统，减少总体设备投资，降低单台设备的制造、安装难度和强度。同时可以节约直接焚烧必须加入的辅助燃料。采用先烘干后焚烧可以将工艺操作控制在比较合理的范围内，使各单元工艺操作简单易于控制。整个系统的设计充分利用污水厂的优势，采用污水厂处理出水作为冷却水、冷凝水和喷淋水，实现以废治废、清洁生产的目的，本系统的污水又返回污水处理厂再处理，实现本系统的水利用的闭路循环，具有较好的经济效益和社会效益。八、系统达到的排放指标九、系统主要设备清单 序号 设备名称 设备主要参数 数量 备注 (一)干燥系统 干燥机上料机 进料量大于 套 回转筒干燥机 处理量 套 干燥机进料机 进料量大于 套 干燥机出料机 输送量大于 套 测氧仪 测量范围 套 串连使用 温度控制器 套 除尘器 停留时间大于 套 烟气冷凝器 处理烟气量 套 冷凝器水泵 流量： 台 一备一用 鼓风机 风量 台 干燥机燃烧器 耗油量： 台 起炉使用 (二)焚烧系统 回转窑 温度 套 进料机系统 输送量大于