论冷凝式燃气相变锅炉的开发与研制

摘 要 冷凝式燃气相变锅炉是一种具有“锅内相变和锅外相变”特征的新型燃气锅炉，也称双相变锅炉。大量应用实践表明，冷凝式锅炉燃料消耗大大减少，节约能源效果显著。这种锅炉由于明显减少了能源消耗，因此也将明显降低烟气排放量。以节能10%计算，温室气体以及气体有害物质的排放均可减少10%左右，也具有明显的环境保护优点。这种锅炉不仅具有燃气相变锅炉的不爆炸、不结垢、不腐蚀、不发生裂纹、鼓包、爆管、运行安全、可靠、平稳等诸多优点外，还具有冷凝式锅炉的高效、节能、环保等特点。按锅炉热力计算中采用低位发热量作为计算基础，锅炉热效率可达到或超过100%，节能效果尤为显著[1]。

关键词 冷凝式燃气相变锅炉；耦合式系统；分离式系统；高效；节能；环保

1 引言

我国目前在用以及生产的各种工业及民用锅炉，热效率一般都在75～90%以下，一些产品的设计热效率最高达到92%左右。锅炉排烟温度一般都在160～250℃，烟气中含有大量处于过热状态的水蒸气。

若能有效降低排烟温度，可回收烟气中的显热。同时，如果使烟气中的蒸汽凝结成水，还能释放出大量的汽化潜热，回收利用这部分显热和汽化潜热，就可有效提高锅炉热效率，降低1锅炉燃料消耗量。

大量应用实践表明，冷凝式锅炉燃料消耗大大减少，节约能源效果显著。当以天然气为燃料时，锅炉热效率可提高10%，甚至更高，按燃料低位发热值计算，锅炉热效率可以达到或超过100%，燃料节约率达到10%甚至更高。这种锅炉由于明显减少了能源消耗，因此也将明显降低烟气排放量。以节能10%计算，温室气体以及气体有害物质的排放均可减少10%左右，也具有明显的环境保护优点[2]。

2 冷凝式燃气相变锅炉工作原理及结构特点

冷凝式燃气相变锅炉是以燃气相变锅炉为主机， 烟蒸汽冷凝器为配套辅机的冷凝式燃气相变锅炉。通过锅内相变和锅外相变的合理匹配，高效回收烟气的显热和烟气中水蒸气冷凝热并加以合理利用，提高燃气相变锅炉热效率。

其基本工作原理是：在真空、微压或压力状态下，锅内介质以相变方式将热量不断传递给工质，锅外烟气冷凝换热器以常压相变方式吸收烟气中水蒸气的冷凝热。它的主要构成是：燃气相变锅炉+烟蒸汽冷凝器=冷凝式燃气相变锅炉。

3 冷凝式燃气相变锅炉的研究技术难点

排烟温度是锅炉的基本设计参数之一。最为关键的一点是，只有把烟气温度降低到露点温度以下，才能使烟气中的水蒸气冷凝释放潜热，才能成为“冷凝式锅炉”。

由于烟气中水蒸气冷凝以前的温度是高于露点（即烟气中水蒸气的凝结温度）的，所以冷凝式锅炉的冷凝换热器首先回收的是烟气的显热（烟气温度降低到露点以前的热量），其次才回收的是水蒸气的潜热。即：烟气必须冷凝到一定的“深度”，达不到露点温度以下，烟气中的水蒸气是不会凝结放出潜热的，否则回收的只是烟气的显热而不是潜热，即水蒸气不会发生冷凝，也就不能称之为“冷凝式锅炉”，而只能称之为“余热回收锅炉”或“超低排烟温度锅炉”了。

因此，回收了烟气中热量的锅炉不一定都是“冷凝式锅炉”，只有将烟气中水蒸气的冷凝热回收才属于“冷凝式锅炉”。根据计算，当燃料中基本不含硫等元素时，燃油燃气锅炉烟气的露点基本上都在55～60℃以上，燃煤锅炉烟气的露点在40～50℃左右，因此，即使是燃油燃气冷凝式锅炉排烟温度也必须低于50℃左右，而对于燃煤冷凝式锅炉（到目前为止国内外尚未发明成功）的排烟温度则要更低。

冷凝式燃气相变锅炉以及普通冷凝式锅炉最适合用于：

回水温度不超过50℃的低温辐射采暖。这时，采暖回水可直接作为烟冷器进水，且采暖系统循环水量大于烟冷器需要的进水量，回收的热量可完全被利用；

系统大量取用热水的开式供热系统。这时，供热系统的补水可由烟冷器提供，烟冷器的进水为10℃左右的常温水，只要系统热水用量足够大（如大量使用洗澡水），回收的热量可完全被利用；

排烟温度较低（不超过180℃左右）的蒸汽锅炉。这时可将烟冷器的出水温度尽设法提高的65℃左右甚至更高，以10℃的常温水进入烟冷器，在烟冷器排烟温度约50℃～55℃时，烟冷器出水量大致与锅炉给水量相当，回收的热量基本可被全部利用。

4 冷凝式燃气相变锅炉系统

冷凝式燃气相变锅炉系统分为耦合式系统和分离式系统两种。

耦合式系统系统主要特点是以系统回水的一部分作为冷却水，进入烟蒸汽冷凝器并将排烟温度降至烟气露点以下，回收显热与潜热，使系统回水温度升高，以达到节约燃料的目的。此系统不用换热站，直供50℃～60℃的出水，适用于使用非金属散热器的低温供暖系统和地板采暖系统等供热系统。

分离式系统主要特点是一台冷凝式燃气相变锅炉同时具有高温供热系统和低温供热系统。分离式系统特别适用于在给普通散热器采暖供热的同时，还给带有60℃以下地板采暖，或（和）空调供热，或（和）供应生活热水的场合，而最重要的是，供应上述60℃以下低温供热系统的热量可全部來自烟气回收的余热，不增加任何燃料成本。可实现散热器、地暖、空调、热水四联供。

5 冷凝式燃气相变锅炉的经济性分析

主机采用相变锅炉，锅内介质为一次性充入，运行过程中基本不需要在补充，且锅内介质处于饱和状态，主机不结垢、不发生氧腐蚀问题，这就保证了此种锅炉在长期运行中热效率的稳定性，可明显降低一次性设备投资、节约运行成本，且循环系统的水质硬度指标，比常规锅炉明显降低，大大节约水处理的成本。

主机采用超低排烟温度设计，热效率要比JB/T 10094规定的常规锅炉热效率高出2%～3%，节能效果明显。

引入冷凝式锅炉理念，尾部采用烟蒸汽冷凝器，将烟气温度降低到水蒸气的露点温度以下，回收了烟气中的冷凝热，由于挽回了潜热损失，热效率可提高11%～15%，比JB/T 10094规定的常规锅炉热效率高出8%～12%，节能效果十分显著。随着燃料消耗的降低及在冷凝烟气中水蒸气的同时，除去了烟气中的许多有害物质，使排入大气的NOx等有害物质大为减少，更有利于环保[4]。

6 结束语

通过理论研究及实践证明，冷凝式燃气相变锅炉及系统，有效回收了烟气的显热和烟气中水蒸气的汽化潜热，将烟气温度降低到烟气中水蒸气的露点温度以下，较大提高了燃气锅炉系统的燃料利用效率，使锅炉的热效率显著增加，按锅炉热力计算中采用低位发热量作为计算基础，燃气双相变锅炉热效率超过了100%，节能效果和经济效果显著。烟气中的水蒸气冷凝放热后，产生的冷凝水能起到洗涤烟气的作用，减少排烟中NOx等有害气体的排放，更有利于环保。随着我国各大气田的开发利用和强制环保措施的推行，燃气锅炉越来越多的使用，冷凝式燃气相变锅炉必将得到迅速的推广和应用。

参考文献

[1] 车得福.冷凝式锅炉及其系统[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]赵新欣，惠世恩.燃油燃气锅炉[M].西安：西安交通大学出版社，2000：335-360.

[3]李慧君，王树众，张斌，林宗虎.冷凝式燃气锅炉烟气余热回收可行性经济分析[J].工业锅炉，2003，（2）：1-4.

[4]张文胜，张树林，蒙剑琼，惠世恩..中小型燃气锅炉热效率估算[J].特种设备安全技术，2005，（2）：1-2.

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