燃气冷凝锅炉的热力计算

2022-09-11

随着西气东输工程的实施, 我国的天然气在能源结构中发挥的作用越来越重要, 燃气与燃煤相比, 主要以碳和氢为主要成分, 燃烧后会生成大量的水蒸气, 通常情况下天然气燃烧后排出的烟中的水蒸气主要以气态存在, 冷凝会产生很高的热效率。冷凝式锅炉利用烟气汽化潜热, 将燃气锅炉烟气中的水蒸气冷凝, 由于其节能环保的特点, 随着工业锅炉的发展, 近年来在医院、学校等企事业单位取得广泛应用。目前关于燃气冷凝锅炉的热力计算也十分活跃, 主要集中在烟气冷凝换热与传质的特性研究。

1燃气冷凝式锅炉的特点

燃气冷凝式锅炉最大特点是充分利用了排出烟气中的水蒸气的汽化潜热, 可以将热效率提高至107%~109%。目前燃气冷凝式锅炉主要有两类:一体式冷凝式锅炉和带有冷凝式节能器的锅炉。其中后者的冷凝部分和锅炉是分开的。一体式冷凝式锅炉或带有冷凝式节能器的锅炉的作用原理是指烟气在经过尾部的换热装置以后, 存在于烟气中的水蒸气会发生冷凝现象, 水蒸气冷凝释放出的汽化潜热可以被锅炉回收。

燃气冷凝式锅炉所用的天然气燃烧后的烟气具有以下三个特点:

(1) 燃气冷凝式锅炉中的烟气中烟尘较少;

(2) 燃气冷凝式锅炉所用的天然气中硫成分较少, 燃烧生成的烟气中几乎不含二氧化硫;

(3) 燃气冷凝式锅炉中的烟气中水蒸气含量较高, 大约为18%。

2燃气冷凝锅炉热效率测试方法

在对燃气冷凝锅炉热效率开展测试时, 不同的位置所用测试方法不同。存在两个界面使燃气冷凝式锅炉划分为两部分, 即:第一部分是燃气锅炉的本体到锅炉冷凝段的烟气入口处, 第二部分是燃气锅炉冷凝段从烟气入口处到烟气出口处。第一个界面的测试按照国标GB/T10180或GB/T10184进行;第二个界面内的测试内容主要包括以下六部分:燃气冷凝锅炉测试冷凝段的烟气输入热量;燃气冷凝锅炉测试冷凝段的有效吸收热量;燃气冷凝锅炉测试冷凝段的烟气输出热量;燃气冷凝锅炉冷凝段的烟气冷凝所释放出的汽化潜热量;燃气冷凝锅炉冷凝段产生的冷凝水排出显热量;燃气冷凝锅炉测试冷凝段总的散热损失。

3热效率的影响因素

利用能量守恒方程, 热效率的计算公式 (1) 、式 (2) 。

式中:η为热效率;Q1为燃气的低热值, k J/m3;Ha为1m3干燃气完全燃烧时由空气带入的物理热, k J/m3;Hg为单位体积干燃气物理热, k J/m3;r为水的气化潜热, k J/kg;为水蒸气的温度, ℃。

(1) 燃气成分的影响

利用式 (1) 可计算出燃气在任意排烟温度和空气系数下的热效率。在相同的空气系数下, 热效率随着排烟温度的升高逐渐下降;在相同的排烟温度下, 热效率随着空气系数的增大逐渐降低。不同燃气成分, 热效率变化较大, 主要原因与烟气中的含水量以及理论燃烧温度有关。C2+的理论燃烧温度加大, 故在高温段无烟气冷凝的时候, C2+成分越多的燃气热效率越高, 在有烟气冷凝的时候, 由于甲烷的氢体积分数较大, 冷凝热其主导作用, 甲烷的热效率是最高的。

(2) 空气进气状态

当燃气的含湿量和进气温度相同的时候, 进气温度越高, 热效率越大;保持进气状态和排烟温度恒定的时候, 随着空气系数的增加, 存在一个热效率的最小值, 即:在热效率最小值之前, 热效率随着空气系数的增大逐渐减小, 在热效率最小值之后, 热效率随着空气系数的增大逐渐增大。

(3) 空气预热

利用排烟对空气进行预热, 可以降低排烟温度, 提高系统的热效率。在一般情况下预热空气时, 所用的空气预热器的换热面积不可能很大, 所以在该情况下烟气是不会成为冷凝状态的。

(4) 补燃

在燃气热电冷联供中, 内燃机或者燃气轮机的空气系数处在较高的水平, 因此烟气中的氧气含量较高, 故在烟气中加入燃气可直接燃烧, 提高系统的热效率, 这种补燃等同于降低了空气系数。补燃过程中的热效率可用式 (2) 表示:

式中:η1为在一定排烟温度条件下, 无补燃时系统的热效率;η2为在一定排烟温度条件下, 补燃过程的系统热效率;Qt在一定排烟温度条件下, 无补燃时系统中的热量加量, k J;Qa在一定排烟温度条件下, 补燃过程中系统中的热量加量, k J。

摘要：燃气冷凝锅炉是近年来发展起来的一种新型的燃气锅炉, 燃气冷凝锅炉能够提高能源利用率, 减少污染物的排放, 冷凝式节能器的加入能够有效利用烟气中的汽化潜热。本文在分析燃气冷凝锅炉特点的基础上, 介绍了现行条件下的冷凝锅炉的效率测试计算方法, 最后分析了燃气成分、空气进气状态、空气预热和补燃对冷凝锅炉的热效率的影响。

关键词：燃气冷凝锅炉,节能器,计算方法,热效率,影响因素