冷凝余热回收炉技术

冷凝余热回收炉技术

1、概述

一般来说，热效率100%以上 的锅炉在常识上虽然难以理解，但如果将烟气中 的水蒸汽凝结潜热利用起来，并且排烟温度降低得足够低，排烟损失很低 的情况下，锅炉 的热效率会提高到100%，甚至超过100%。

在热能工程领域中计算锅炉 的热效率都是利用燃料 的低位发热量来进行计算 的，国外也是如此，如果按锅炉 的高位发位量来计算锅炉 的热效率，则100% 的热效率是不可能达到 的(能量守恒)。

利用高效 的冷凝换热器和空气预热器来吸收锅炉尾部排烟中 的显热和水蒸汽凝结所释放 的潜热，从而达到提高锅炉热效率 的目 的。这种锅炉就是冷凝余热回收锅炉。

冷凝式锅炉发轫于欧洲。德国、荷兰、英国、奥地利等国家于上世纪70年代，开发家用冷凝式锅炉，到80年代末期90年代初期，韩国率先将冷凝式锅炉应用在大中型工业锅炉上，冷凝式锅炉除了具有传统锅炉 的共性之外，更是制热机理 的大胆革命与突破。在一些能源利用率较高 的欧美国家，燃气冷凝式余热回收 的热水锅炉其热效率高达103%以上，此外在烟气中 的CO2和NOX等有害成份也大大降低，这对环保来说是非常有利 的。在欧美等国，由于政府鼓励使用冷凝锅炉，所以需求量不断增加，冷凝锅炉 的使用率瑞士60%，荷兰50%，德国20%，奥地利(20%)，英国(15%)。

冷凝式换热器是一种低温热交换器，传热面积大，并使用了价格昂贵 的耐腐蚀 的不锈钢材料，虽然价格较高，但这只是一次性投资，其投资回收期只需几个月，节约 的燃料

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费很快就将投资回收。

冷凝式锅炉可以回收排烟中 的水蒸汽凝结潜热，还可以降低烟气中 的有害气体，所以它很快确立了其在暖通领域中 的地位，欧洲国家对冷凝锅炉 的认知普及及政策 的倾斜，使得冷凝锅炉 的应用极为广泛。而在中国，冷凝锅炉还是空白，人们对冷凝锅炉 的认识不足是一重要原因，另一原因就是生产厂家对冷凝锅炉 的推广和研发不力。

斯大锅炉这一中韩合资 的锅炉制造企业自始就至力于将韩国 的锅炉技术与中国 的锅炉现状相结合，先后研发出冷凝无压热水锅炉、冷凝余热回收锅炉、冷凝常压热水锅炉、冷凝承压热水锅炉，并将韩国 的能源利用理念引入中国，特别在冷凝锅炉 的推广上做了大量 的工作。

2、冷凝余热回收锅炉热效率分析

燃料中含有大量氢元素，燃烧产生大量水蒸汽。每1NM3天然气燃烧后可以产生1.55KG水蒸汽，具有可观 的汽化潜热，大约为3700KJ，占天然气 的低位发热量 的10%左右。在排烟温度较高时，水蒸汽不能冷凝放出热量，随烟气排放，热量被浪费。同时，高温烟气也带走大量显热，一起形成较大 的排烟损失。

烟气冷凝余热回收装置，利用温度较低 的水或空气冷却烟气，实现烟气温度降低，靠近换热面区域，烟气中水蒸汽冷凝，同时实现烟气显热释放和水蒸汽凝结潜热释放，而换热器内 的水或空气吸热而被加热，实现热能回收，提高锅炉热效率。

锅炉热效率提高：1NM3天燃气燃烧生产理论烟气量约10.3NM3(大约12.5KG)。以过量空气系数1.3为例，产生烟气14NM3(大约16.6KG)。取烟气温度200℃降低至70℃，

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放出物理显热约1600KJ，水蒸汽冷凝率取50%，放出汽化潜热约1850KJ，总计放热3450KJ，约是天然气低位发热量 的10%。若取80%烟气进入热能回收装置，可以提高热能利用率8%以上，节省天然气燃料近10%。

传统锅炉中，排烟温度一般在160～250℃，烟气中 的水蒸汽仍处于过热状态，不可能凝结成液态 的水而放出汽化潜热。众所周知，锅炉热效率是以燃料低位发热值计算所得，未考虑燃料高位发热值中汽化潜热量 的热损失。因此传统锅炉热效率一般只能达到87%～91%。而冷凝式余热回收锅炉，它把排烟温度降低到50～70℃，充分回收了烟气中 的显热和水蒸汽 的凝结潜热。

以天然气为燃料 的冷凝余热回收锅炉烟气中水蒸汽容积成分一般为15%~19%，燃油锅炉烟气中水蒸汽含量为10%~12%，远高于燃煤锅炉产生 的烟气中6%以下 的水蒸汽含量。目前锅炉热效率均以低位发热量计算，尽管名义上热效率较高，但由于天然气高、低位发热量值相差10%左右，实际能源利用率尚待提高。为了充分利用能源，降低排烟温度，回收烟气 的物理热能，当换热器壁面温度低于烟气 的露点温度时，烟气中 的水蒸汽将被冷凝，释放潜热，10% 的高低位发热量差就能被有效利用。

3、冷凝式锅炉 的设计思想及原理：

排烟温度是锅炉 的基本设计参数之一。设计锅炉时首先要对该参数进行选定。

锅炉排烟温度直接影响到锅炉机组 的经济性和尾部受热面工作 的安全性。选择较低 的排烟温度可以降低锅炉 的排烟热损失，有利于提高锅炉 的热效率，节约能源及降低锅炉 的运行费用。因此，如何有效地降低锅炉 的排烟温度并使之合理利用，是一个重大 的技术性课题，斯大公司引进韩国技术研发 的冷凝式余热回收锅炉，其降低排烟温度是通过

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以下方法来实现：

(1)通过增加锅炉本体 的对流受热面 的换热面积或采用提高对流换热系数 的方法，降低排烟温度；

(2)在尾部烟道增设高效 的鳍片式冷凝换热器和热管式空气预热器。

上述方法在实际应用中有效地回收排烟中显热与汽化潜热。

4、冷凝式锅炉 的显形优势：

(1)使用了热管式空气预热器、鳍片式冷凝换热器，有效地降低了排烟温度。

(2)使用了分体式燃烧机，对燃料燃烧所需 的空气进行预热，使燃料充分燃烧及提高炉膛温度。

(3)冷凝节能装置为了防止排烟凝结水 的酸性腐蚀，使用进口不锈钢材质制作 的螺纹管，它与直管相比，导热性能比直管高2倍以上。

(4)烟气 的有害气体得到有效 的控制，并随冷凝液流入中和池。

综上所述，冷凝式锅炉，是传热 学、物理 学、燃烧 学、材料等科 学 的结晶。它以绝对 的经济性傲视传统锅炉。冷凝式锅炉 的推广，是一场思维 的闪耀与观念 的变革，同时，必将会推动热工领域 的发展。

(一)冷凝余热回收锅炉原理

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1、天然气(LNG)以及其它 的燃气燃料主要是碳(C)和氢(H)两元素结合而成 的化合物，能保持完全燃烧，因其不含硫磺成份，所以不产

生在低温条件下腐蚀金属 的硫酸(H2SO4)和亚硫酸(H2SO3)，是一种清洁 的燃料。

天然气 的主要成份：

CH4+C2H6+C3H8+C4H10+N2

甲烷+乙烷+丙烷+丁烷+氮

(%)90+6.8+2.5+1+0.3=100

2、含在燃气中 的氢(H)在锅炉内部燃烧时与氧结合成水。生成 的水从燃烧时产生 的热量(高位发热量)中吸收约10% 的气化热而变成水蒸汽，与排出 的烟气一道排出。(冬季水蒸汽与冷空气相遇而凝结，从烟囱观察到冒白烟应是这个原因。)

燃气 的高位发热量-汽化热(潜热)=低位发热量

9450Kcal/NM3-950Kcal/NM3=8500Kcal/NM3

3、水在高温烟气中，吸热蒸发为水蒸汽，水蒸汽遇到通过冷空气或冷水 的传热面，重新凝结成水而释放潜热(汽化热539Kcal/kg)。冷凝余热回收锅炉就是在燃气锅炉 的排烟通道上设置通过冷水 的热交换器和加热空气 的空气预热器，烟气在通过热交换器 的传热面时水蒸汽重新凝结为水，将其汽化热(潜热)释放出来，并加热交换器内 的介质(冷水或空气)。

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4、锅炉热效率 的计算：

锅炉 的正平衡效率：

η=(锅炉出力×饱和蒸汽焓－给水量×给水焓)÷(燃料消耗量×燃料 的低位发热量)

5、将余热回收炉 的原理公式化、图表化如(图-1)，蒸汽/温水锅炉，炉水 的饱和温度比低温水锅炉相对 的高，排烟温度也相对要高。显热和潜热均由温水回收 的话，则能加热 的温水量过大无法处理，故而设置空气预热器。用来加热燃料燃烧所需 的空气，极大 的改善燃烧状态，并提高了炉胆火焰温度，加强炉胆内 的辐射传热。

(二)冷凝余热回收锅炉和环境保护

燃气与燃重油或轻油相比对环境污染相对小一些，它是一种清洁燃料。但燃烧时生成 的CO2、CO、NOx对环境产生了影响。在先进国家也为了减少这个量，开发和使用低NOx燃烧器，低NOx锅炉等。但CO2依然被排出，而NOx控制在60PPM以下排出。

一般情况下，天然气燃烧排烟中含CO2含量约为10-12%；NOx含量约为60-80PPM，这些有害气体促成酸雨产生或温室效应，诱发大气臭氧层 的破环或影响臭氧生成。使用冷凝余热回收锅炉时，对这一环境污染有极大 的缓解。

CO2+H2O→H2CO3

NOx+H2O→HNO2+HNO3

在上式中可以看出：CO2和NOx在冷凝余热回收锅炉 的尾部烟道中与冷凝结露 的

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H2O结合生成对应 的酸，并随着凝结水从排放管排出。而烟气中 的有害成份CO2和NOx含量大大咸少,CO2约减少40%，含量由原来 的12%下降至6-7%;NOx约减少至20PPM以下。

酸性 的冷凝水排出时需进行中和处理：

H2CO3+Ca2++OH-→CaCO3+H2O

H2NO3+Ca2++OH-→CaNO3+H2O

可以设置一中和池，将冷凝水排放到中和池中，定斯检查中和池 的PH值。

(三)冷凝余热回收锅炉结构和外观

(四)热管式空气预热器 的构造和原理

热管是往真空状态 的密封管内封入蒸馏水，管表面附有铝制放射状散热片叶 的高性能热传导管。

如图所示，在锅炉前上部，以80倾斜角设置 的热管内蒸馏水，吸收排烟热量，快速蒸发顺着斜面上升到凝结部(热管内部是真空 的，内装蒸馏水，蒸馏水实行相变传热)，传热给由送风机送至 的供燃烧用 的空气后凝结成水(液相)顺管流下继续吸热蒸发，热管内 的蒸馏水形成相变循环。烟气 的显热和部分潜热被吸收，烟温下降。

燃烧用空气被加热，对燃料 的充分燃烧作用极大；另一方面热风吹进炉膛时有效地提高了炉膛 的火焰温度，加强了炉膛 的辐射传热(辐射传热跟火焰温度 的四次方成正比)。

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(五)热管式空气预热器 的特点

1、热管比铜铝管 的热传导性能高出500-1000倍，用热管制成 的空气预热器比传统 的管壳式空气预热器尺寸、重量都小2/3，可在锅炉 的正面组装设置，占用 的空间很少。

2、管表面附着有热传导性极好 的放射状铝片，在小体积 的状况下获得较大 的传热面积。

3、热管 的蒸发部和凝结部温度均匀，热胀冷缩量很小，可以说它是一种长寿命装置。

(六)冷凝余热回收节能装置 的特长

1、本节能装置为了防止排烟结露 的酸性腐蚀和供应无锈清洁热水，用不锈钢螺旋鳍片管来制成。

2、与直管相比，使用了传热性能高出2倍以上 的螺旋鳍片管，大小与重量减少到1/2。耐腐蚀 的不锈钢材质延长了其使用寿命。

3、本装置可组装在锅炉上部，缩小占有空间，生成在传热面上 的凝结水亦可自然排出。

(七)冷凝余热回收节能装置原理图

在排烟通路中，设置冷凝余热回收热交换器，烟气在通路内通过传热面，温度降至露点温度以下，含在排烟中 的水蒸汽凝结潜热将冷水或温水加热，这就叫余热回收节能装置(又称冷凝换热器)。

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在流程中看到 的冷凝节能装置在尾部烟道中串联布置(前后布置)，将烟气中 的水蒸汽冷凝下来，结露后吸收烟气中 的部分CO2和

NOx，洁净了烟气，起到环保作用。

冷凝水经引导管排放到中和池中，与中和池中 的碱性石灰水中和。

(八)冷凝余热回收蒸汽锅炉与水箱连结方式

冷凝余热回收锅炉与水箱相连用循环泵辅助加热，适合在采暖和使用大量生活热水 的集中供热楼房，综合医院、宾馆、健康中心、桑拿洗浴等使用；也可以与软水箱相连，加热锅炉给水，提高锅炉 的给水温度。

(九)冷凝式余热回收热水锅炉与热水箱连接方法

利用配置在热水锅炉上 的冷凝换热器来加热生活热水或取暖用热水，当对热水需求量减少时，热水温度上升，故在热水箱上需设置膨胀水箱和安全泄压阀，确保安全无误。

(十)余热回收装置用在锅炉 的给水系统

在蒸汽用户无回收系统中不回收蒸汽凝结水时，采用密闭型或开放型流程。

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