回水溫度對燃?xì)鉄崴仩t煙氣冷凝的影響及解決措施

崔 琦 鄭桂紅 袁棨正 許崇濤 李冬屹

(天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 天津 300192)

回水溫度對燃?xì)鉄崴仩t煙氣冷凝的影響及解決措施

崔 琦 鄭桂紅 袁棨正 許崇濤 李冬屹

(天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 天津 300192)

本文闡述了燃?xì)饫淠綗崴仩t的冷凝水對鍋爐本體的危害，并探討了解決此問題的方法。通過對煙氣露點(diǎn)溫度的計(jì)算，推算煙氣冷凝時(shí)的鍋爐回水溫度。當(dāng)回水溫度低于煙氣冷凝時(shí)所對應(yīng)的回水溫度時(shí)，煙氣中的水蒸氣將會在鍋爐本體凝結(jié)。本文提出四種提高鍋爐回水溫度的措施，以降低煙氣在鍋爐本體冷凝的概率，減少冷凝水對鍋爐本體的損害。

燃?xì)忮仩t 冷凝水 露點(diǎn)溫度 回水溫度

隨著國家對環(huán)境保護(hù)工作及鍋爐節(jié)能降耗的重視與發(fā)展,傳統(tǒng)燃煤熱水鍋爐由于其存在熱效率低、污染嚴(yán)重等問題被逐步淘汰,天然氣作為清潔能源現(xiàn)已得到了廣泛的應(yīng)用。各地區(qū)相繼改用燃?xì)忮仩t,為了能更好地利用能源,提高鍋爐的效率,冷凝式燃?xì)鉄崴仩t在近幾年得到了大力的推廣。例如天津,市內(nèi)六區(qū)已完成“煤改燃”工程,供熱已全部采用燃?xì)忮仩t,其中80%以上均為冷凝式燃?xì)忮仩t。

近幾年由于城市集中供熱的需求,14MW以上的大型冷凝式燃?xì)鉄崴仩t的需求量大大增加。但原燃?xì)鉄崴仩t多為7MW以下,我國大型冷凝式燃?xì)鉄崴仩t的研究還處于起步階段,從設(shè)計(jì)、制造到使用都沒有太多的經(jīng)驗(yàn),因此在運(yùn)行過程中會存在一些問題,其中比較突出的是冷凝水對鍋爐本體的損害。

冷凝式燃?xì)鉄崴仩t的煙氣冷凝一般被設(shè)計(jì)在鍋爐節(jié)能器位置,這是由于鍋爐本體材質(zhì)與節(jié)能器材質(zhì)不同,節(jié)能器在設(shè)計(jì)時(shí)多采用09CrCuSb,材質(zhì)有很強(qiáng)的抗腐蝕能力,而鍋爐本體設(shè)計(jì)時(shí)未考慮冷凝水對本體的影響,材質(zhì)多為20G,抗腐蝕能力較差,長期與冷凝水接觸易產(chǎn)生腐蝕,因此在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)盡量避免煙氣中水分在鍋爐本體內(nèi)凝結(jié)。

1 煙氣露點(diǎn)溫度

1.1 煙氣的組成成分

煙氣露點(diǎn)指煙氣中水蒸氣開始凝結(jié)時(shí)的溫度,當(dāng)水蒸氣在低于露點(diǎn)溫度時(shí)即冷凝成水。天然氣燃燒后產(chǎn)生的產(chǎn)物主要為CO2和H2O,基本不含有SO2等酸性氣體,因此在計(jì)算煙氣露點(diǎn)溫度時(shí)可以不考慮酸性氣體的影響［1］。

表1 是天津天然氣成分及含量,從表1中可以看出CH4含量占到了95%以上,為簡化計(jì)算過程,假定天然氣成分全部為CH4,燃燒所用的空氣為干空氣,燃燒方程式:

由式(1)可知,天然氣燃燒后成分為CO2和H2O。因此,燃?xì)鉄崴仩t燃燒完成后的煙氣主要成分為CO2、H2O、O2和N2(其中O2和N2來源于過量空氣)。

表1 天然氣成分及含量

1.2 煙氣露點(diǎn)溫度的計(jì)算

煙氣的露點(diǎn)溫度是由煙氣中水蒸氣的分壓決定的,而煙氣各組分的分壓由各組分的濃度大小決定,因此不同過量空氣系數(shù)下的露點(diǎn)溫度是不同的。根據(jù)《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》規(guī)定,正壓燃?xì)忮仩t設(shè)計(jì)時(shí)過量空氣系數(shù)不大于1.15,在實(shí)際使用過程中由于鍋爐負(fù)荷低、設(shè)備老化、管理不到位等原因,鍋爐的過量空氣系數(shù)在1.0～1.5范圍內(nèi)。

分別取過量空氣系數(shù)α=1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5,計(jì)算1m3天然氣完全燃燒后的煙氣各成分含量,結(jié)果見表2。

表2 1m3天然氣完全燃燒后的煙氣各成分含量

濕煙氣的含濕量:

式中:

d —— 濕煙氣的含濕量,g(水蒸氣)/kg(干煙氣);

nv—— 水蒸氣的摩爾數(shù);

ngy—— 干煙氣的摩爾數(shù);

Vv—— 水蒸氣的體積;

Vgy—— 干煙氣的體積;

Mv—— 水蒸氣的摩爾質(zhì)量,Mv=18.016g/mol;

Mgy—— 干煙氣的摩爾質(zhì)量。

干煙氣的摩爾質(zhì)量:

式中:

xi、Mi和Vi—— 干煙氣中某氣體的摩爾分?jǐn)?shù)、摩爾質(zhì)量和體積。

由表2中的數(shù)據(jù),可計(jì)算出不同過量空氣系數(shù)下濕煙氣的含濕量,進(jìn)而通過焓濕圖查得露點(diǎn)溫度td,結(jié)果匯總于表3。

表3 不同過量空氣系數(shù)對應(yīng)的露點(diǎn)溫度

2 煙氣冷凝時(shí)回水溫度的確定

2.1 冷凝水的形成過程

冷凝水的形成不只取決于露點(diǎn)溫度,還與燃?xì)鈿饬鹘孛娴臏囟确植加嘘P(guān)。以最常見的三回程臥式內(nèi)燃鍋爐為例,鍋爐本體內(nèi)煙氣溫度最低位置位于煙氣三回程煙管內(nèi),煙氣流經(jīng)煙管,煙氣的芯流溫度最高,壁面溫度最低,當(dāng)壁面溫度高于露點(diǎn)時(shí),無冷凝水產(chǎn)生,當(dāng)壁面溫度低于露點(diǎn)而芯流溫度高于露點(diǎn)時(shí),部分水蒸氣冷凝,當(dāng)芯流溫度低于露點(diǎn)時(shí),氣流截面均出現(xiàn)冷凝［2］。影響煙管壁面溫度的主要因素有鍋爐進(jìn)水溫度、進(jìn)水流量、鍋爐結(jié)構(gòu)、煙氣溫度、煙氣流速等。而在實(shí)際運(yùn)行中,只有鍋爐的回水溫度可通過簡單調(diào)整進(jìn)行改變,其他因素則需要鍋爐制造廠家或燃燒器廠家通過改造等才可進(jìn)行調(diào)整,改造周期長費(fèi)用高,且影響鍋爐的正常使用。因此,現(xiàn)只研究鍋爐回水溫度對鍋爐本體冷凝水產(chǎn)生的影響。

2.2 回水溫度的計(jì)算示例

以一臺型號為WNS14-1.25/115/70-Q的燃?xì)鉄崴仩t為例,根據(jù)《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定,取出口煙溫170℃,過量空氣系數(shù)α=1.15。

煙管外徑do=71mm,內(nèi)徑di=68mm

煙管導(dǎo)熱系數(shù)λ=60W/(m·K)

煙管內(nèi)對流傳熱系數(shù)hi=61.22W/(m2·K)

傳熱系數(shù)k =55.10W/(m2·K)

取三回程煙管出口處一小段長為l的煙管進(jìn)行分析,假定傳熱過程穩(wěn)態(tài),忽略煙管內(nèi)外側(cè)由于結(jié)垢和積灰產(chǎn)生的污垢熱阻,由串聯(lián)熱阻疊加原則得:

式(4)左側(cè)為傳熱過程的總熱阻,右側(cè)分別為管內(nèi)、管壁和管外三個(gè)傳熱環(huán)節(jié)的熱阻。由Ao=πdol,Ai=πdil,上式可改寫為:

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(5)得到:

α=1.15時(shí),ho=918W/(m2·K)

當(dāng)煙管內(nèi)壁溫度twi＜td時(shí),冷凝水開始在煙管內(nèi)析出,取twi=td,由穩(wěn)態(tài)傳熱過程中各處的熱流密度相同可得:

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)得到:

α=1.15時(shí),t=46.1℃。

通過計(jì)算,當(dāng)回水溫度大于46.1℃時(shí),煙溫最低位置三回程處煙管的煙氣側(cè)壁溫高于此條件下的露點(diǎn)溫度,煙管內(nèi)不易形成冷凝水,而鍋爐本體內(nèi)其他位置煙溫均高于此處,基本不會產(chǎn)生冷凝水。

通過對其他爐型燃?xì)忮仩t的換熱計(jì)算,筆者總結(jié)出當(dāng)鍋爐正常運(yùn)行時(shí),煙氣開始冷凝時(shí)的回水溫度t在40～48℃之間,當(dāng)回水溫度高于55℃時(shí),大部分爐型本體內(nèi)均不會產(chǎn)生冷凝水。

3 實(shí)際工況下的討論

通過對多家供暖單位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,2016年天津供暖期間的燃?xì)鉄崴仩t月平均供回水溫度與環(huán)境溫度見表4。

表4 供熱熱水鍋爐相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)

當(dāng)鍋爐在啟、停爐及低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),鍋爐的排煙溫度低于正常運(yùn)行時(shí)的排煙溫度。隨著排煙溫度的降低,煙氣物性發(fā)生變化,導(dǎo)致ho逐漸增大。由式(6)可知,當(dāng)ho增大后,t也會隨之提高。即如果使鍋爐內(nèi)不產(chǎn)生煙氣的冷凝,啟、停爐及低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的回水溫度要高于正常運(yùn)行時(shí)回水溫度。

由表4可以看出,大部分燃?xì)忮仩t在正常運(yùn)行過程中的回水溫度基本高于冷凝水凝結(jié)時(shí)的回水溫度。但在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行及啟停爐期間,實(shí)際回水溫度均低于鍋爐正常運(yùn)行時(shí)冷凝水凝結(jié)對應(yīng)的回水溫度,使冷凝水在鍋爐內(nèi)大量凝結(jié),對鍋爐本體造成巨大損害(見圖1)。而大部分鍋爐使用單位由于經(jīng)濟(jì)原因及供熱面積等因素,鍋爐長期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),由此產(chǎn)生的冷凝水造成鍋爐受熱面的腐蝕、煙氣流通截面積減小、爐膛溫度降低、損害燃燒器、破壞保溫密封材料、熱量損失、浪費(fèi)水資源等問題［3］。

圖1 某鍋爐冷凝水溢出實(shí)例

綜上所述,鍋爐高負(fù)荷正常運(yùn)行時(shí),冷凝水一般不會在鍋爐內(nèi)凝結(jié),如要解決鍋爐冷凝水在鍋爐內(nèi)凝結(jié),最簡單、直接的方法是解決鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行和啟停爐時(shí)回水溫度過低的問題。

4 解決措施

4.1 在供回水管路間加裝混水調(diào)節(jié)管路

在供回水管路中加裝帶電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的管路,根據(jù)鍋爐回水溫度來控制電動(dòng)閥的開度。［4］當(dāng)鍋爐實(shí)際回水溫度高于冷凝水凝結(jié)時(shí)回水溫度時(shí),電動(dòng)閥關(guān)閉;當(dāng)實(shí)際回水溫度低于冷凝水凝結(jié)時(shí)回水溫度時(shí),電動(dòng)閥根據(jù)回水溫度調(diào)節(jié)開度,通過高溫供水與低溫回水一定比例混合來提升鍋爐回水溫度,使鍋爐回水溫度高于冷凝水凝結(jié)時(shí)的回水溫度。

4.2 在回水管路引入外部加熱裝置

可將鍋爐回水與地源熱泵、溴化鋰直燃機(jī)等外部熱源設(shè)備進(jìn)行換熱,來達(dá)到提高回水溫度的目的。需要注意的是,此種改造應(yīng)在回水進(jìn)入循環(huán)泵之前完成,并應(yīng)采用板式換熱器來進(jìn)行換熱,目的是為了不影響鍋爐原有回水的水質(zhì)及鍋爐的回水壓力及流量。

4.3 提高鍋爐循環(huán)流量減小供回水溫差

在使用二次網(wǎng)供熱的系統(tǒng)中,可以加大一次網(wǎng)(鍋爐系統(tǒng))的循環(huán)流量,使在相同的熱量交換情況下,一次網(wǎng)供回水溫度的溫差減小,在供水溫度不變的情況下來達(dá)到提高回水溫度的目的。

4.4 提高鍋爐負(fù)荷

在供暖單位中,常見多臺鍋爐低負(fù)荷并聯(lián)運(yùn)行。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,合理調(diào)整鍋爐運(yùn)行臺數(shù),使鍋爐盡量在設(shè)計(jì)負(fù)荷的80%～90%下運(yùn)行,這樣既能達(dá)到節(jié)能降耗的目的也可以提高鍋爐回水溫度從而避免冷凝水在鍋爐本體內(nèi)凝結(jié)。

5 結(jié)束語

隨著節(jié)能減排工作的深入,帶有冷凝器的燃?xì)鉄崴仩t的應(yīng)用會越來越廣泛,冷凝水對鍋爐本體的危害不容忽視,如何解決和利用冷凝水的問題已經(jīng)被廣泛地關(guān)注和研究,本文僅提出幾點(diǎn)意見和建議。需要注意的是在通過改造等方法解決冷凝水問題的同時(shí),不能忽略鍋爐安全運(yùn)行及相應(yīng)法律法規(guī)的要求,應(yīng)采取合理、合規(guī)、安全、有效的方式來解決冷凝水所帶來的問題。

［1］ 葉勇軍．冷凝式燃?xì)忮仩t的節(jié)能與環(huán)保特性研究［D］．衡陽：南華大學(xué)，2 005．

［2］ 梁耀東，李之光，劉峰，等．冷凝燃?xì)忮仩t評價(jià)與熱效率計(jì)算 ［J］．工業(yè)鍋爐，2015，（04）：36-41．

［3］ 崔琦，許崇濤，闞柏平，等．燃?xì)夤I(yè)鍋爐冷凝水的生成、危害及防治措施［J］．工業(yè)鍋爐，2015，（05）：51-54．

［4］ 何多強(qiáng)，代龍，辛穎慧．燃?xì)鉄崴仩t低溫腐蝕的防治與節(jié)能改造技術(shù)探討［J］．工業(yè)鍋爐，2008，（05）：43-46．

The Effect and Solving Measures of Return Water Temperature on Flue Gas Condensation of Gas- fi red Hot Water Boiler

Cui Qi Zheng Guihong Yuan Qizheng Xu Chongtao Li Dongyi
(Tianjin Special Equipment Inspection Institute Tianjin 300192)

This paper expounds the harm of fl ue gas condensate of the gas- fi red hot water boiler to the boiler body, and discusses the method to solve this problem. Through the calculation of dew point temperature of fl ue gas, the temperature of the return water can be calculated. When the actual return water temperature is lower, the water vapour in fl ue gas will condense. This paper puts forward four measures to increase the temperature of return water, reduce the probability of fl ue-gas condensation in the boiler, and reduce the damage to the boiler body.

Gas- fi red boiler Condensate Dew point temperature Return water temperature

X933.2

：B

1673-257X(2017)07-0038-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.07.009

崔琦（1984～)，男，碩士，鍋爐檢驗(yàn)師，從事鍋爐檢驗(yàn)、節(jié)能減排等工作。

崔琦，E-mail： cqdlut@126．com。

2017-04-17）