《燃气锅炉排烟余热分析》由会员分享,可在线阅读,更多相关《燃气锅炉排烟余热分析(5页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、以煤炭作为主要燃料的工业锅炉仍占据着主导地位。随着天然气 工业的迅速发展,以此种清洁能源为燃料的锅炉将会逐渐增多。与燃 煤相比,燃烧天然气虽然排放的二氧化硫及氮氧化物的含量很少,减 轻了对环境的压力,但燃烧后产生的大量水蒸气随高温烟气排放到环 境中,造成了能量的严重浪费。而采用冷凝式锅炉将高温烟气中的显 热和潜热予以回收,可以达到充分利用能源降低运行成本的效果。引言冷凝式换热器就是增设在天然气锅炉尾部的余热回收装置,当烟 气在通道内通过传热面,温度降至露点温度以下,从而使排烟中的水 蒸气凝结释放潜热传递给回收工质,可以将排烟中大量的能量加以回 收利用,从而达到节能环保的效果。随着制造工业的不断
2、发展,各种 新型高效的冷凝换热装置层出不穷,不论从结构还是实际余热回收效 果来看都有了非常大的改进。1烟气的特性分析天然气成分绝大部分为烃,燃气锅炉排烟中水蒸气的含量较高, 分析表明,排烟中可利用的热能中,水蒸气的汽化潜热所占的份额相 当大。每1m3天然气燃烧后可以产生1. 55 kg水蒸气,具有可观的 汽化潜热,大约为3 700 kJ/Nm3,占天然气的低位发热量的10%以上。 传统锅炉中,排烟温度一般在160250C,烟气中的水蒸气仍处于 过热状态,不可能凝结成液态的水而放出汽化潜热。因此传统的天然 气锅炉理论热效率一般只能达到95%左右,利用冷凝式换热器只要把 烟气温度降到烟气露点温度以
3、下,就可回收烟气中的显热和水蒸气的 凝结潜热,按低位发热量为基准计算,天然气锅炉热效率可达到和超 过110%。本文以纯天然气为例对烟气的露点温度以及锅炉理论热效 率进行计算分析,表1为纯天然气的成分。1.1露点计算在水蒸气分压力不变的情况下,使空气冷却至饱和湿蒸汽状态 时,将有水滴析出,此时的温度即为露点温度。天然气燃烧特性分析 (以1 m3天然气计算)烟气中水蒸气的体积分数达17 . 4%,若燃烧在 大气压力下进行,当空气过量系数a为1.1时(本文中的计算均以此 作为计算依据),其相应的烟气露点温度是57C。露点温度随过量空 气系数的变化曲线见图1。通过观察可知,烟气露点温度随过量空气系数的
4、变化而变化。因 为根据道尔顿分压定律,露点温度的高低与烟道中水蒸气的分压量 (即水蒸气的含量)成正比,随着过量空气系数的增加,烟道中水蒸气 的相对体积减小,水蒸气的容积份额会有所下降,其露点温度也随之 降低。实际上,虽然各地方天然气中成分含量有所不同,但由于其主 要成分均为甲烷且占绝大部分,其他成分影响很小,经计算的露点温 度误差不超过0.3%(符合实际要求的范围),并且由于实际燃烧的影 响因素较多,也使得计算不可能达到很精确,通常是在理论值附近的 一个范围内波动,在实际应用中还需根据不同情况进行修正分析。烟气中的热量以显热和潜热2种形式存在,因此锅炉的热损失也 由烟气的显热损失和潜热损失组成
5、。而显热损失取决于烟气的温度和 烟气组分的热容量;潜热损失则取决于烟气中以水蒸气形态存在的水 量的多少。当水蒸气冷凝时,烟气中存在复杂的现象:由于水蒸气分 压力较低,并且在冷凝液膜附近主要是不凝气体,如N2、CO2、O2等, 烟气中水蒸气需要穿过不凝气体层才能达到液膜表面发生冷凝。烟气 中水蒸气冷凝率等于由单位体积天然气燃烧生成烟气所产生的凝结 水量与燃烧所生产的水蒸气量的比值,其中,燃烧所产生的水蒸气包 括天然气燃烧生成的水蒸气及空气和燃气所带入的水蒸气。仅烟气中的潜热就对锅炉的热效率影响如此巨大,倘若能将排烟 温度降低到露点以下对潜热加以回收利用,对以低位发热量为基准进 行计算的热效率至少
6、可提高到10%以上。并且随着排烟温度的降低, 烟气的显热损失也会相对减小,那么热效率的提高将更为明显,进一 步证明降低排烟温度对锅炉效率提高的重要意义。进一步计算可以得出在不同排烟温度下锅炉实际热效率的变化 趋势。锅炉效率随着排烟温度的变化分为2个比较明显的区域:在 60180C变化缓慢,而在2060C变化较大。这主要是因为排烟损 失中水蒸气潜热损失占的比例大于烟气显热的结果。当锅炉排烟温度 降到20C时,锅炉效率理论上可达107.4%。排烟中的水蒸气潜热在57C以下才能得以回收,能够回收的热量 依赖于所要求的利用温度和利用率。如果利用温度接近排烟的露点温度,仅能回收较少的热量。利用温度越低,
7、回收的热量越多。因此, 低温下余热冷水可获得高的回收率,而在较高的温度下输出热能会降 至可以回收的能量数量。2余热回收其它影响因素2.1余热回收器受热面的磨损问题将余热回收器管排设计成膜式管排(或H型管排),这种结构迫 使烟气流动趋于层流,管排间没有烟气扰动,在同样烟速下,与螺旋 肋片式和光管式相比较是最不易磨损的受热面布置形式。而且由于每 个烟道的边界管排与烟气的磨擦,而形成中间流速高,两边流速低的 分布方式。因此,管壁附近烟气流速低于平均值,烟气扰动比较弱, 缓解了飞灰对省煤器的磨损。另外,烟气流速对受热面的磨损影响最 大,布置受热面时烟气流速不宜过大,设计时通过调整管排横向截距, 来改变
8、受热面的烟速,可有效避免余热回收器管排的磨损问题。2.2烟道阻力问题锅炉整个烟道阻力主要由引风机和烟囱自拔力来克服,其中引风 机是主要因素。安装余热回收器后锅炉整体烟气阻力必然增加。以某 电厂3号炉热力计算结果为例,烟道阻力增加约70 Pa左右。在加 装余热回收器的同时是否对引风机进行改造,进一步提高出力,确保 安装余热回收器后锅炉本体的正常运行,视现场情况确定。2.3余热回收器管内壁结垢问题受热面管内壁结垢主要发生在蒸发段,因为蒸汽的溶盐能力与水 比较相差很大。而在余热回收系统中最高点温度也不会超过120 C, 整个系统仍处于液相,管内壁结垢问题较小。3结束语(1) 与煤和石油相比,天然气是一种非常理想的清洁能源,排放 烟气对环境压力小,并且非常适合将其改造为冷凝式余热回收锅炉, 提高锅炉利用效率。(2) 天然气锅炉排放的烟气中含有一定量的水蒸气,若将排烟温 度降低到露点温度以下回收水蒸气释放的气化潜热,可将锅炉效率提 高10%以上。(3) 合理设置关键技术参数,可实现余热回收系统长期稳定运行, 国内一些电厂成功设计安装了余热回收利用系统,为电厂带来了良好 的经济效益。