供暖系統(tǒng)（五）冷凝壁掛爐與常規(guī)壁掛爐的區(qū)別及應(yīng)用 （下）

申國強

常規(guī)壁掛爐比起冷凝爐主要的劣勢在于效率低，但冷凝爐比起常規(guī)爐來說有成本高、技術(shù)難度高、維護麻煩、售后成本高等一系列問題，有沒有一種方式能夠?qū)烧叩膬?yōu)點結(jié)合起來呢？

如果在常規(guī)爐的結(jié)構(gòu)上結(jié)合冷凝爐的煙氣熱量回收結(jié)構(gòu)，提高一些效率，其他部分基本保持不變，能否既提高效率，又不會帶來其他麻煩呢？

上期說過導(dǎo)致壁掛爐效率只能做到92%左右的主要原因是排煙溫度較高，高溫?zé)煔鉄釗p失加上排煙中水蒸氣帶走的熱量降低了壁掛爐的熱效率，如果能夠?qū)⑴艧煖囟戎苯永鋮s到露點溫度以下，讓煙氣中的水蒸氣凝結(jié)放熱，則不但排煙損失更小，而且高溫?zé)煔庵械乃魵鉂摕岜换厥?，?yīng)該可以提高壁掛爐效率吧?；谶@種思路構(gòu)建的產(chǎn)品叫做煙氣回收冷凝爐，也是在“真假冷凝”之戰(zhàn)中被稱為假冷凝的一方。其實這種冷凝方式并非中國人獨創(chuàng)，在上世紀80年代后期和90年代初期最早在歐洲開發(fā)出來，后來隨著全預(yù)混冷凝技術(shù)的普及，這種結(jié)構(gòu)現(xiàn)在歐洲已基本淘汰。

從圖1中看出，大氣式煙氣回收冷凝爐就是在常規(guī)爐基礎(chǔ)上增加了一個煙氣回收換熱器，通過低溫水換熱的方式將煙氣溫度降低，使之里面的蒸汽產(chǎn)生凝結(jié)，回水汽化潛熱，同時降低排煙溫度，提高熱效率。

對比一下全預(yù)混冷凝爐的結(jié)構(gòu)，兩者還是有很大不同的。全預(yù)混冷凝過程是在換熱器中將煙氣冷卻到冷凝溫度以下，排出的就是低溫?zé)煔?，無需進行二次煙氣冷卻;而大氣式冷凝在燃燒室和主換熱器部分和常規(guī)爐一樣，但是在排煙管道中設(shè)置煙氣回收冷凝器，通過二次降溫實現(xiàn)冷凝的。

從上面可以看出，兩種方式都有冷凝產(chǎn)生，既然如此，憑什么你叫得冷凝爐我就叫不得？不叫冷凝爐讓我叫什么？

實際上兩種冷凝爐的核心差別倒不是是否“冷凝”上，而是冷凝方式和燃燒方式上的差異，冷凝方式前面已經(jīng)分析過，那么燃燒方式的差別是什么呢？

1.大氣式燃燒

是指燃氣在燃燒前預(yù)先混合一部分空氣，但達不到燃燒時所需要的氧氣，一般預(yù)混量控制在所需氧量的50%-60%，然后再燃燒管口與周圍的氧氣再次混合并發(fā)生燃燒。

其特點是：火焰溫度較高、長度中等。有明顯的外焰，熱效率比沒有預(yù)混的擴散式高，燃燒比較充分，設(shè)備簡單。缺點是：空氣過剩系數(shù)過大，熱量浪費較大。

2.全預(yù)混式燃燒

是指燃氣燃燒反應(yīng)發(fā)生前將燃氣和燃燒所需要的全部氧氣按燃燒的最佳值一次性混合均勻，在到達燃燒區(qū)后能瞬間完全燃燒。

其特點是：呈紅外線燃燒狀態(tài)，火焰短或看不到火焰、溫度高、燃燒充分、有害氣體化合物少、熱效率高，但控制設(shè)備及程序復(fù)雜。

對于這兩種冷凝爐性能方面的不同，有人做了一個對比圖，基本還是比較客觀的。

除了上述差異之外，補充一些對用戶使用影響較大的知識點：

1.兩種爐子冷凝溫度的不同

由于大氣式冷凝爐空氣過剩系數(shù)較大，改變了煙氣中的水蒸氣分壓比，導(dǎo)致大氣式排煙溫度的冷凝點要低于全預(yù)混，比如在空氣系數(shù)1.8時煙氣要冷卻到49℃才能產(chǎn)生冷凝，而全預(yù)混冷凝爐的冷凝溫度在58℃，這就意味著大氣式冷凝爐要想產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象回水溫度必須更低，保持幾度溫差的話意味著回水溫度要低于45℃才可以，而全預(yù)混在回水溫度55℃就可以產(chǎn)生冷凝了。

上面這個特點決定了全預(yù)混冷凝爐即使在暖氣片采暖中也可以有效冷凝，而大氣式冷凝只有在地暖中才可能產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象，使用范圍受到限制。

從這個角度來說，全預(yù)混適應(yīng)性好于大氣式冷凝爐，加上熱功率輸出的差異，全預(yù)混具有更好的適用性。

2.熱交換器的低溫腐蝕問題

常規(guī)壁掛爐是將天然氣和空氣混合經(jīng)燃燒排出約170℃的高溫?zé)煔?。煙氣中含有水蒸氣、CO2，同時天然氣中還含有硫化物，經(jīng)燃燒后生成SO2，繼續(xù)燃燒氧化后產(chǎn)生約占SO2的5%左右的SO3，SO2與水結(jié)合生成亞硫酸，SO3與水結(jié)合生成硫酸，其酸露點溫度約在140℃到160℃（根據(jù)SO3的含量提升），當常規(guī)壁掛爐的排煙溫度在170℃時，氣態(tài)的酸蒸汽對主熱交換器的腐蝕是非常輕微的。當對煙氣進行潛熱回收排煙溫度降為50℃，酸蒸氣相變?yōu)樗嵝砸后w，將會對熱交換器產(chǎn)生極強的低溫腐蝕。低溫腐蝕嚴重時可以達到1mm/年的腐蝕能力，造成接觸面穿孔，就目前的科學(xué)技術(shù)尚無法完全腐蝕，只能盡量減輕程度。

全預(yù)混壁掛爐的低溫腐蝕出現(xiàn)在主熱交換器中，為了降低這種腐蝕的影響，目前全預(yù)混壁掛爐的主換熱器一般采用特種不銹鋼或者硅鑄鋁材質(zhì)，抗腐蝕性比較好，而大氣式冷凝爐主要是低溫腐蝕產(chǎn)生在煙氣換熱器，通常材質(zhì)受到成本限制，耐腐蝕性沒有那么好，使用壽命較低，同時過多的過剩空氣會增大氮氧化物和酸性物質(zhì)的產(chǎn)生，導(dǎo)致大氣式冷凝爐使用壽命降低。

3.冷凝壁掛爐的灰塵堆積問題

空氣中含有灰塵等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)在燃燒室內(nèi)可能生成絮狀的灰塵堆積，如果在換熱器表面出現(xiàn)冷凝水則很容易讓這些灰塵生成粘稠的污垢附著在換熱器表面影響換熱效果，這些現(xiàn)象會在全預(yù)混冷凝爐的主換熱器和大氣式冷凝爐的二次換熱器中出現(xiàn)，因此兩種冷凝爐都會比常規(guī)爐更需要定期維護，否則容易降低壽命。

全預(yù)混冷凝爐的自適應(yīng)問題：

上面講到的優(yōu)缺點都是“理論上”的對比，特別是冷凝爐的效率和低氮排放方面，與其空氣過量系數(shù)具有密切的關(guān)系，上述結(jié)論是建立在冷凝爐空氣過剩系數(shù)在理想值的前提下，但是實際工作中有可能不是這種情況。

為什么這樣說呢？全預(yù)混壁掛爐在出廠前，空燃比已由生產(chǎn)廠家預(yù)先設(shè)置好，在設(shè)置時是根據(jù)預(yù)設(shè)的標準工況和標準燃氣校正的，如果燃氣組成發(fā)生變化，導(dǎo)致燃氣熱值、密度、燃燒特性等超出設(shè)計范圍，則此氣種對應(yīng)的最合理空燃比也發(fā)生變化。在歐洲天然氣的品質(zhì)比較穩(wěn)定，也就是一定量的天然氣配比多少空氣是比較容易確定的，而中國各地氣源復(fù)雜，不同地方燃氣成分各不相同，供氣壓力不同、海拔不同導(dǎo)致的大氣壓力不同等等問題，導(dǎo)致實際運行燃氣需要的空氣量其實不同，同時由于實際安裝工人技術(shù)水平和操作流程的問題，很多時候需要先行根據(jù)具體燃氣情況調(diào)節(jié)的工作沒有真正落實，導(dǎo)致全預(yù)混壁掛爐不能達到最佳燃燒工況，甚至出現(xiàn)熱效率降低、點火噪聲大、燃燒噪聲大、CO排放量升高等異常現(xiàn)象。

如何解決這個問題呢？如果壁掛爐能根據(jù)不同的燃氣自動調(diào)整空氣過剩系數(shù)，以適應(yīng)不同地區(qū)不同氣源下的最佳空燃比，這就是所謂的燃氣自適應(yīng)技術(shù)。

聽起來不錯，但是如何實現(xiàn)上述目的呢？能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)的技術(shù)方案有兩種：一種是離子電流檢測法，一種是二氧化碳檢測法。后者由于檢測元件成本較高，并且在高溫環(huán)境下使用壽命有限，后期需要經(jīng)常更換，因此壁掛爐上幾乎沒有使用的，主流的自適應(yīng)技術(shù)是離子電流檢測法。

研究表明碳氫化合物在燃燒時會產(chǎn)生熱電離子，使燃燒火焰具有電導(dǎo)性。由于氣體的導(dǎo)電能力有限，需要在燃氣火焰與火孔之間附加一個直流電場，用于驅(qū)動火焰中的帶電粒子，使帶電粒子沿電場方向移動，這樣就形成了離子電流。通過離子電流探測器檢測燃氣燃燒時產(chǎn)生的離子電流，來反饋火焰燃燒信號，判定燃燒是否異常。

燃氣燃燒時產(chǎn)生的離子電流大小，與離子的濃度有關(guān)，離子濃度越大，產(chǎn)生的離子電流就越大;離子濃度越小，產(chǎn)生的離子電流就越小。離子濃度又與火焰溫度有關(guān)，火焰溫度越高，產(chǎn)生的活化能就越大，氣體原子被激活的數(shù)量就越多，產(chǎn)生的離子就越多，離子濃度就越大。全預(yù)混燃燒空燃比過大或者過小都會對燃燒造成不利影響?？杖急冗^大時，多余空氣會帶走熱量，火焰溫度降低，多余的空氣會稀釋離子，離子電流降低;空燃比過小時，燃燒不充分，火焰溫度及熱效率亦降低，由于未能充分反應(yīng)，燃燒過程未能產(chǎn)生足夠多的離子，離子電流也會降低，因此通過檢測離子電流的變化可以間接地檢測出空燃比是否合理。

火焰溫度與過?？諝庀禂?shù)的關(guān)系見圖4。由圖4可知，當空燃比最佳時，火焰溫度達到峰值，火焰離子電流也達到峰值。這是離子電流檢測法用于判斷全預(yù)混燃燒空燃比的理論依據(jù)。

根據(jù)上述原理，通過控制方式的改進可以解決全預(yù)混壁掛爐自適應(yīng)的問題，讓全預(yù)混壁掛爐的安裝調(diào)試及運行效率都有很好的改進，是一種非常重要的核心技術(shù)，可以說在中國結(jié)合了燃氣自適應(yīng)技術(shù)的全預(yù)混冷凝爐才是適合中國國情的冷凝爐。

（作者單位：鄭州博容節(jié)能設(shè)備有限公司）

【文獻標識碼】C

【文章編號】1671-3362（2020）07-0092-03