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超低排烟温度的高效燃气热水锅炉

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  超低排烟温度的高效燃气热水锅炉亢艳滨,车得福,刘银河刘卫东2,方胜2(1.西安交通大学锅炉研究所,西安710049;2.三北拉法克锅炉有限公司,河北张家口075000)燃气热水锅炉的热效率。对超低排烟温度燃气热水锅炉进行了技术和经济两方面的可行性分析,结果表明,超低排烟温度锅炉在技术上可以实现锅炉的安全稳走运行,在经济上可带来可观的经济效益;对于出水温度为95!的燃气热水锅炉,还给出了相应的经济排烟温度,可选在105~115!左右。
  1前言随着北京申成功,坏境污染治理的新一轮高潮将在全国掀起。作为坏境污染大户的工业锅炉,必将在这一轮高潮中得到进一步治理,在大中城市,分布广、能耗高、污染重的燃煤锅炉将逐步被效率高、污染小的燃油燃气锅炉所取代。目前,国家已放宽了城市中小型工业锅炉和生活锅炉燃油品的限制并提倡使用天然气,全国的一些大中城市为适应长期发展的要求,逐步制走法规限制燃煤锅炉的使用。
  例如,西安市规走,从1997年7月1曰后,新建锅炉全部采用天然气。燃气尤其是天然气是一种优质、高效、清洁的燃料,锅炉使用天然气,不但能够减少对坏境的污染,而且在技术和经济上是可行的。我国的天然气资源分布广泛,储量丰富,燃气锅炉的使用前景十分光明。
  但是,目前燃气特是天然气的价格比较昂责,锅炉燃气的使用还不如燃煤经济,因此,为适应市场需求,进一步提高燃气锅炉效率,降低燃气的单位能耗等问题迫切需要解决。鉴于此,本文在对燃气锅炉热损失分析的基础上,对进一步降低锅炉排烟温度进行了技术上和经济上的可行性分析,并针对特走的燃气热水锅炉提出经济排烟温度。
  2燃气锅炉热损失的分析要提高锅炉热效率,就要减少各种热损失。对于燃气锅炉,由于气体燃料燃烧后几乎没有灰分,更没有固体、液体燃料的机械不芫全燃烧现象,即机械未芫全燃烧热损失6 4、灰渣物理热损失6均为零;在锅炉正常运行的情况下,化学未芫全燃烧热损失63接近于零;散热损失65和锅炉的炉型及维护结构有关,对于燃气锅炉,一般都是小型的快装炉,外表面积较小,并采用了高热阻及封闭的外罩作为保温层,6 5也不大,并且随锅炉容量的增大而减少718,如2.8丽热水锅炉的6 5约为2;。因此,燃气锅炉的最为主要的热损失是排烟热损失62.所谓的排烟热损失是指烟气离开末级受热面带表IWNS1.4-0.7/95/70-QT锅炉的热损失随排烟温度变化的情况参数符号单位数值排烟腧平均过量空气系数排烟热损失化学不完全燃烧损失机械不完全燃烧损失散热热损失灰渣热损失锅炉热效率锅炉热效率增加量厶7走的热量,它决走于排烟温度和排烟量。对于一走的燃料,排烟量决走于过剩空气系数的大小,而过剩空气系数又和燃烧状况直接相关。降低排烟温度和减小过剩空气系数,尤其是在保证较小的过剩空气系数情况下,降低排烟温度可显著地减少排烟热损失+2.如本文所举实例,燃气热水锅炉WNS1.4-0.7/95/70-QT热效率随排烟温度降低的变化情况,数据如表1.另外,燃气中含有大量的氢,如天然气中氢重量约占208!258,燃烧后产生大量的水蒸气,在烟气中水蒸气的汽化潜热约为4000k/N;3,而现在的燃气锅炉的排烟温度一般在1=!250"之间,这意味着,每燃烧1N;3的燃气,水蒸气将带走4000k左右的热量,这部分热量随烟气进入大气后成为废热。降低排烟温度可减少这部分热量的损失,并可实现对这部分热量的部分回收2.目前,西安交通大学锅炉研究所正致力于冷凝式高效燃气锅炉的研究和开发工作。研究表明,根据现阶段燃气热水锅炉排烟温度偏高的实际情况,即使不回收烟气中水蒸气的汽化潜热,仅通过降低排烟温度来充分地利用显热,也会取得较好的经济效益。因此,降低锅炉的排烟温度是必要的。
  3降低排烟温度的方法对于小型燃气快装锅炉,降低排烟温度,相应地各受热面的吸热量增加,也就是要增加受热面的面积或提高受热面的换热效率。具体实施有两种情况:(1)通过增加锅炉本体对流受热面的换热面积或采用提高对流换热系数的方法,降低排烟温度。
  对于锅式燃气锅炉,增加受热面面积主要是增加烟管的根数、长度,这种方法简便易行,但过多的烟管根数会使管束内的烟气流速变得很小,不利于换热,甚至发生传热恶化,并且使锅炉体积明显增大,增加制造成本;提高对流换热系数,一般采用变截面管、内插扰流子、管外加肋片的强化传热管等制造对流受热面,管子类型有螺纹管、横纹管、凹窝管、内插麻花带、内插螺旋弹簧丝、内制翅片管、螺旋肋片管等,其中最常用的是螺纹管。使用强化管可明显提高受热面的对流换热系数,增强换热效果,在吸收相同热量的情况下可使锅炉结构更紧凑,但增加了锅炉的制造成本。
  (2)增加尾部受热面,降低排烟温度。
  在烟气从对流管束出来进入大气之前,增加一类似于锅炉省煤器的尾部受热面,吸收烟气的部分热量,同时可使烟气中的水蒸气凝结放热,受热面将所吸收热量送回锅炉,在降低排烟温度的同时,提高了锅炉的热效率。由于是单独布置的受热面,因此不会影响到对流管束,冷凝水不会凝结在对流管束上,从而使对流管束避免受到氧腐蚀的影响,也避免了对流管束尾部受热面的传热恶化。同时,由于受热面采用铸铁管或一般的碳钢管,综合尾部受热面的费用,降低了锅炉成本。
  4低排烟温度的可行性分析排烟温度的选择是受安全性和技术经济性制约的3.安全性主要是指锅炉运行的稳走性和使用寿命问题,较低的排烟温度可引起对流受热面的低温腐蚀,而对流受热面的低温腐蚀对锅炉的安全运行构成了严重威胁。技术经济性主要是指设计方案的技术先进性和经济合理性。燃气热水锅炉排烟温度的选择应把二者综合起来加以考虑。
  4.1安全性分析低温腐蚀的根本原因是锅炉燃料中含有硫分,硫在燃烧过程中反应生成S2,高温下产物少量转化为SO3,S3与烟气中的水蒸气反应生成硫酸蒸汽,当烟气温度降至其露点温度以下时,硫酸蒸汽在锅炉受热面上凝结成硫酸溶液,造成低温腐蚀,威胁锅炉的安全运行。
  表2常用锅炉燃气组分(体积百分比序燃料种类成分体5 ER数陕北天然气液化石油气油田伴生气对于锅炉所用燃气尤其是天然气,从表2可以看出,气体燃料中硫的含量是极少量的,有的甚至不含有硫分,而且燃气在输送到用户之前都经过净化处理,因此燃气可视为洁净燃料,燃烧产物中的S2和SO%可以略去。所以燃气锅炉的低温腐蚀得到了极大改善,并且,烟气中基本不含灰分,受热面污染小,传热效果好,所以燃气锅炉可以采用较低的排烟温度。
  4.2技术经济性分析目前,国内生产的燃气热水锅炉的出水温度一般为95!130",排烟温度一般在180"左右,所以降低排烟温度有很大的空间。现在燃气特是天然气的价格还比较责,如陕北天然气约为145元/Nm3,因此对于燃气锅炉用户来讲,迫切希望减少燃气的单位能耗,节约运行费用。
  通过前面的分析可以看到,降低锅炉的排烟温度可明显提高锅炉热效率,减少燃料单位时间内的消耗,节约运行费用。但运行费用的节约只是一个方面,还应综合初投资来考虑。选择低排烟温度必然增加锅炉的制造成本,所增加的这部分初投资主要来自锅炉本体制造成本注要是钢材成本)的增加,而锅炉其他部件包括燃烧器、辅机、控制系统及其他部件)基本不变,相应的成本也就不发生变化。这样,经济性分析要考虑的就是通过增加锅炉本体制造成本来减少燃气的单位时间耗量是否能够带来一走的经济效益。
  4.3技术经济性分析举例例,说明降低排烟温度带来的经济效果。锅炉的设计参数如表3.表3锅炉设计参数参数符号单位数值额定供热量工作压力额定出水温度广给水温度冷空气温度燃气种类陕北天然气(见表2)钢材价格(按现行价格ft嗔)设计时锅炉采用德国威索G7燃烧器、传统三回程湿背式顺流燃烧、波形炉胆底部对称布置。选取1<0"为锅炉的传统排烟温度,设计时二、三回程采103"为降低后的排烟温度,设计时通过提高锅炉本体对流受热面的换热系数并适当增加受热面的面积(即二、三回程采用螺纹管并适量增加管束根数)以满足各排烟温度下的锅炉设计要求。通过对锅炉结构设计、热力计算、阻力计算、受压元件强度计算、经济性分析数据计算得到了锅炉五个合理的设计方案4,5,结果如表4.由表4及可以看出,降低排烟温度可带来可观的经济效益,并且二者呈正向关系,即经济效益随着排烟温度的降低而增大。当锅炉运行一走时间后,钢材所增成本便可由节省的燃料费用予以回收,表4 WNS1.4-0.7/95/70-QT锅炉各方案计算数据参数符号单位汝值排烟温度锅炉本体钢材成本元钢材所增成本元w增加百分比燃料单位时间耗量义降低百分比燃料单位时间节约费用元钢材所增投资回收时间锅炉运行小时数注:非烟温度为180"的设计方案为比较基准若参照的排烟温度大于180",将会有更好的经济效益。
  进而随着锅炉运行时间的增加,经济效益逐渐增大。
  在设计所选的几个排烟温度中,以103!和110!的设计方案经济效果较佳,如果锅炉总运行2万小时,则比一般排烟温度的锅炉节约资金15~20万元。值得指出的是,燃料、钢材的价格是变化的,因此以上数据也是变化的。
  由此可见,燃气热水锅炉选择超低排烟温度经济效益显著。
  相10崧5 Q -一排烟温度为124的锅炉设计方案4一排烟温度为110的锅炉设计方案一排烟温度为103的锅炉设计方案各方案节能所获经济效益排烟温度进行了分析,结果如表5.表5出水温度为95C的锅炉经济fit烟温度锅炉型号理论分析所得最低经济排烟5实用经济排烟温度的选择通过以上分析可以得出这样一个结论,降低排烟温度确实可带来可观的经济效益。但排烟温度不能够无限制的降低,笔者通过大量的分析和计算后认为,燃气热水锅炉排烟温度的选择在技术性上主要受三方面制约:(1)锅炉出水温度;(2)二、三回程管束内的烟气流速;(3)增大对流受热面积或提高换热系数的有效性。首先,锅炉的排烟温度应比出水温度高,以保证传热所需的足够温差;其次,必须保证烟管内的烟气流速,以保证烟管稳走传热和锅炉安全运行,根据推程10,烟管内的烟气流速值不应小于8m/S;第三,即使管内烟气流速可以降至足够低,但对流受热面积增加到一走程度之后,所起作用不再明显。例如对所设计的WNS1.4-0.7/95/70-QT燃气热水锅炉,二、三回程均采用螺纹管,有如下设计结果:表6两种方案的数据比较方案排烟温度re)第二回程烟管根数第三回程烟管根数RM1,万茱B弟二凹桂多瑙卯的抿烟苜胚小到明显的作用。因此,若进一步降低排烟温度,则必须采用换热系数更高的强化管,这方面工作还有待深入的研究和探讨。
  基于上述原则,出水温度为95!的燃气热水锅炉的经济排烟温度可选在比锅炉出水温度高10"20!
  左右,锅炉即可满足设计和运行要求,同时可带来较好的经济效益。
  6结论综上所述,可以得出以下两个结论:从技术和经济两个方面,燃气热水锅炉采用低排烟温度是可行的。超低排烟温度锅炉在技术上可以实现锅炉的安全稳走运行,在经济上可带来可观的经济效益;对于出水温度为95!的燃气热水锅炉,经济排烟温度可选在105~115!左右,比通常认为的经济排烟温度降低70"80!,为大幅度提高燃气热水锅炉提供了理论依据。

 

 

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