1、摘要 随着我国的不断发展，能源的消费量逐渐增大，这也带来了严重的环境污染问题，所以我国施行节能减排和能源结构的调整。如今，在我国社会能源环境领域，推行使用天然气等清洁能源、新技术，已经成为重要的研究课题。 近几年来，燃气锅炉正逐渐的取缔燃煤锅炉在生活与生产方面。但是，目前燃气锅炉的排烟温度都很高，烟气中的余热得不到回收与利用。因此，如何使锅炉的排烟热损失降低与提高燃气的利用率，已经成为了节能环保工作中的重要的研究课题。普通的燃气锅炉，排烟温度通常为 180 左右，烟气中存在大量的过热态的水蒸气，其体积分数在 10%左右，是烟气热量损失的主要部分。回收利用排烟显热与烟气凝结潜热可极大的提高能源利
2、用率。 本文 首先对 我国的能源利用现状、节能形势 、 燃气冷凝式锅炉的工作原理 、 国内外研究现状 和 天然气 的 利用进行 了概述 。其次，分 析 了 天然气燃烧后烟气 中 的 产物 ，分析了烟气 中可以 回收 的 显热 量 和潜热 量 的关系，提出 了 烟气中汽化潜热 能否 有效回收是 确保 冷凝式换热器 回收 效果的关键因素。然后，本文对各种换热器进行了介绍，对冷凝换热器进行设计与分析， 冷凝式换热器采用 H 型鳍片管换热器，鳍片管顺列布置， H 型鳍片管的优点是耐磨性能好，积灰少，体积小，空气阻力小，综合性能好 。最后 对 燃气锅炉加装冷凝换热器的经济效益 进行了 分析。研究表明，常
3、规燃气锅炉加装冷凝换热器后，锅炉排入大气的污染物大大减少，环保效益显著。 关键词 ：燃气冷凝式锅炉、锅炉热效率、热管、余热 Abstract Key words： gas condensing boilers, boiler thermal efficiency, heat pipes, waste heat. 第一章绪论 1.1 我国能源利用状况及节能环保紧迫性 1.1.1能源利用现状 社会进步和经济发展和能源密不可分，也是一个国家综合国力和人民生活水平的重要表现。随着社会经济的不断发展，环境污染与经济发展的协调问题日益严重。能源和环境问题是如今社会最关注的问题。人类有 3 次能源利用结构的
4、调整 1： (1)18 世纪，因为第一次世界能源结构转变：原始的柴薪能源逐渐 的被以 煤为主的化石能源 取代 。到 1990 年，世界的煤炭产量 大 约 为 7.45 亿吨， 比 当时的一次能源总量的 94%还要高 。这次能源结构改变打破了 16 世纪欧洲文艺复兴文明发展停滞不前的局面，推动了资本主义工业的迅猛发展。 (2)20 世纪，石油、天然气的生产与使用量迅猛的增长。 这推动了 内燃机等的发展， 所以 许多西方国家经济 得到 快速发展。到了 20 世纪 60 年代，石油的消耗量每 十 年就可提高 一 倍。石油消 耗 量的 不断 增长， 使我们进入了 现代文明和世界经济的新阶段。 (3)环
5、境污染问题和能源危机使人们 意识到调整 能源结构的紧迫性，通过降低化石能源的消耗来实现 经济的 可持续发展。 我国是世界上拥有能源资源最丰富的国家之一，但也是能源消耗量也很大，能源的一次消耗的总量接近于美国。截止到 2014 年，我国投入 1145 亿元 在 地质勘查 上 ，新发现的大中型矿产地有 249 处。 油气勘查取得 了 巨大突破，首次探明页岩气的地质储量约为 1068 亿 m3，新探明的石油地质储量 10.6 亿 吨 ，天然气9438 亿 m32。这与 2011 年以来我国实施的勘探矿物突破战略行动的关系重大。我国有非常丰富的再生能源资源，其中，水能资源的可开发量理、论储藏量和经济可
6、开发量都处在世界首位。煤在我国的能源结构所占的比重很高，其比重高达70%80%，比其它发达国家煤仅占 20%30%的水平高得多。从这十年我国能源消 耗 与生产结构来看，原煤生产与煤炭消费的比重占了极其重要的地位，石油消费与原油生产比重不断下降，天然气 和其他能源 (水电、核电、风能 )的消费与生产比重总体呈现出了上升的趋势。 表 1-1 中列举了我国从 19902014 年的能源消费总量及构成的数据。从这些数据变化中可以看出，随着我国经济的迅速发展，消费水平不断的提高，我国能源消费量一直在迅猛增长。其中煤占能源消费量的比重是最高的，占比约为 70%，从 2000 年开始我国煤消费量正逐渐的降低
7、，天然气与新能源的消费量一直在迅猛增长，预计到 2020 年天然气占比将达到 10%，而煤的占比可能下降到 60%，其它一次电力与新能源的消费占比也会逐渐增高。 表 1-1 能源消费总量及构成 3 年份 能源消费总量 (万吨标准煤 ) 占能源消费量的比重 (%) 煤炭 石油 天气 一次电力及其它能源 1990 98703 76.2 16.6 2.1 5.1 1991 103789 76.1 17.1 2.0 4.8 1992 109170 75.7 17.5 1.9 4.9 1993 115993 74.7 18.2 1.9 5.2 1994 122737 75.0 17.4 1.9 5.7
8、1995 131176 74.6 17.5 1.8 6.1 1996 135192 73.5 18.7 1.8 6.0 1997 135909 71.4 20.4 1.8 6.4 1998 136184 70.9 20.8 1.8 6.5 1999 140569 70.6 21.5 2.0 5.9 2000 146964 68.5 22.0 2.2 7.3 2001 155547 68.0 21.2 2.4 8.4 2002 169577 68.5 21.0 2.3 8.2 2003 197083 70.2 20.1 2.3 7.4 2004 230281 70.2 19.9 2.3 7.6
9、2005 261369 72.4 17.8 2.4 7.4 2006 286467 72.4 17.5 2.7 7.4 2007 311442 72.5 17.0 3.0 7.5 2008 320611 71.5 16.7 3.4 8.4 2009 336126 71.6 16.4 3.5 8.5 2010 360648 69.2 17.4 4.0 9.4 2011 387043 70.2 16.8 4.6 8.4 2012 402138 68.5 17.0 4.8 9.7 2013 416913 67.4 17.1 5.3 10.2 2014 426000 66.0 17.1 5.7 11.
10、2 1.1.2 节能环保的紧迫性 “ 十 二 五 ” 期间 ，我国 通过 调整经济结构、转变发展方式 来节省能源的消耗 ，并且出台了一系列的 政策 和 措施，使国内单位生产总值能耗 量 累计 降低大约19.06%， 支持了国民经济年均 大约 11.2%的 增长 ，能源消 耗 弹性系数由 1.05 下降到 0.58 在 “ 十 一 五 ” 期间 。然而我国 得 能源消耗总量 却 由 24.6 亿吨标准煤 升高到 32.5 亿吨标准煤，且 和西方 发达国家相比，能源加工、贮运、转换和终端科用综合效率 依然比 较低，到 2007 年时 这个 效率为 33%，而西方发达国家在 20世纪 90 年代初
11、就达到了 41%。 而 能源消耗平均热效率还 比较低 ， 在 发达国家火电厂 的 能源利用 的 效率 通常 为 35%40%，工业锅炉 的效率约 为 80%； 而 我国依次为 30%以下和 60%70%，我国燃用石油、煤炭、天然气的平均热效率比发达国家 都要 低。 因此 提高 能源的 利用率 和 节能减排 是当务之急 。在我国，最 主要 的能源消耗领域是工业，工业 的 能耗量约占能耗总量 70%，显然，只有从根本上缓解我国能源 消 耗量大，资源供应紧张的问题才能解决好工业设备节能的问题 4、 5。 化石能源 滥用 不仅 是 带来能源危机， 而且 还对大气、水体、土壤等生态 系统带来 很多严重的
12、 影响，是环境污染的主要根源 6，已 经 危及自身生存环境。 因为化石燃料 被大量使用 ， 造成了 酸雨 、 温室效应、臭氧层破坏以及生态环境破坏等严重 的环境 污染问题 ，都 急需去 解决 。 而节 省 能源， 降低 化石能源的 消耗量 ，可以从根本上缓解 这些 问题。 我国 的 能源 结构 调整为 努力扩大收入来源、降低支出、节约优先、保护环境的方式，建立一个较为稳定，经济，安全和清洁的能源供应体系 7。我国的 经济发展 形式 转变 由原来 以资源消耗、能源为基础的粗放型模式 改变为 环境友好型和资源节约型。 1.2 天然气消费及利用 天然气是一种清洁、 高品质 、高效的燃料，在所有化石能
13、源中碳排放系数 是最 小的 。天然气被 普遍的 应用 在 各个领域，在世界能源消 耗的 结构中所占比重约为 24 %。天然气 通常指气田气和油田气 ，此外还有煤系天然气。 其主要由烃类，主要是甲烷，还有乙烷、丙烷和丁烷等 组成 。 1.2.1 天然气消费 与 发达国家的 平均水平 进行 比 较 ，我国天然气 的使用率 还 特别低 。 主要是因为我国的 天然气工业基础 还 较 微弱 ， 从 图 1-1 可以看出近十年我国能源消费结构中 天然气 的比例正逐渐的增大，但我国天然气在一次能源消 耗 中的比例仅约为6%， 更是比 世界平均 24%的水平和 27%的美国水平 低得多 ， 同时比 亚洲平均
14、8.8%的 水平低。目前世界人均天然气消费 量约为 403 m3/a， 但是我 国仅 仅为 25 m3/a。但是 “ 西气东输 ” 管道工程 的 商业运作， 表明 我国 的 天然气市场 由 发育阶段 进入发展 阶段 ， 并且估计 这一阶段 可能会持续 到 2030 年 8。在这 时期中 ，我国天然气的管网、储气库等基础设施的建设 不断地加快 ，将逐 步在 全国形成天然气主干管网；天然气产量和产能建设将 快速 增长，将不断 扩展 进口天然气的渠道， 因此将会 形成多元化的供气格局。在 这 基础 之 上，天然气消费量 在 我国能源结构中所占 的 比例将 会不断 增长。 图 1-1 能源消费比例 根
15、据大多数 城市 处理 大气污染的经验 可知 ， 减少 大气污染的 主要 途径 是去改变 一次能源 的 消费结构。天然气燃烧 后产物中基本不存在 烟尘和 S02；氮氧化物的 排放量 比 燃煤降低 约 47、燃油降低 约 61； CO2 排放量比燃煤的 低约 53、比燃油的 低 26 左右 。天然气 再 供暖、工厂供热的应用上 有显著的 节能效益。大、中型燃煤锅炉房，运行时平均 的 热效率 只有 76，小型燃煤锅炉运行效率更加低 ；集中供热 热效率 约为 80.7 ， 火力发电厂 的 约为 35，能源转换总效率约为 39； 因为 燃气锅炉 的 自动控制水平 较 高等，其热效率 基本上 可 超过 8
16、59。 为了 节 省 能 源 、保护环境、实现可持续发展，提高天然气等清洁能源的 消费比例， 降低 煤炭的 消费 比例，实行能源结构调整 极其重要 ，也是 许多 城市 实行 环境保护和节约能源的 重要 的课题。于 用于 城市生产生活 的供 热锅炉 ，推荐 使用燃气锅炉 来取缔 中小型 的 燃煤锅炉 。 在我国的 大多数 城市，煤炭正逐步被天然气等比较 清洁的能源 取 代 10。 在推广使用天然气 的同 时也 应该注意 节约用气，而研 发 高效利用天然气的技术是目 前 当务之急。 1.2.2 天然气利用技术 我国 天然气 在 化工、油气田开采和发电等 地方所占比最大 ， 其 占比 87%以上，其
17、中化肥 领域约占 38.5%，而 居民用气 量 在天然气消费结构中占比 10%还低 。 从2005 年开始 我国 的 天然气 的 产量 极大的 增长，主要是 由于有 几个 新的 大气田 被发现。 2005 年 我国 天然气 的 产量累计 约 为 38m10449.5 ，增长 了 21.9%。 2006 年天然气需求量达 到 38m10680 。我国天然气 的使用依然处在起步 阶段，因为 天然气的 产量 比 较低，天然气利用 一般 是 以产定用 。主要利用天然气 的 地区 是天然气产地邻近 的 城镇及工业区。 在 世界上天然气主要 被 用 在 工业、发电、居民燃料 等领域， 而 我国 主要 利用
18、 在 化肥工业 中 ， 由于 天然气工业的发展和环保的要求，天然气的利用方向应以发展 “ 以气代油 ” 、 “ 以气发电 ” 、 “ 城市气化 ” 为主 11。 通过能源的 利用 方式可把天然气 分为工业燃料、城市燃气、发电和化工等 四类。在工业燃料领域 ， 天然气较多的 被 用在冶金 、 玻璃、建材等 领域 ；在城市燃气领域 ，能 分为公工商业、民用生活、小工业企业燃料用气等 领域 ；在发电 领域 ，天然气 较多的被 用于热电厂 ；而在 化工领域的用气主要包括甲醇、化肥以及制氢等 。 在 “ 十 五 ” 以 前， 有 50%以上的天然气都 被用在 化工 行业 。 近几 年，天然气的使用不断的
19、增多 ，利用 的 方向也 是多种多样 ，随着环保要求的 不断 提高 ， 消费结构得到 了极大的 优化， 特别 是 在 建设 与 完善大型基础设施 管道 的 方面 ，天然气的 消费 面逐渐变广 。除 用于 化工原料外，天然气己开始大量地 用在 城市燃气和替代燃煤、燃油等其他 的 工业燃料。 通过逐渐完善 我国天然气 的 消费结构， 把原来 化工 占主导地位 的单一结构向工业燃料、城市燃气 等多个方面的 结构 调整 。 随着社会 的 不断发展 ，天然气 被 越来越多的 城镇 居民 作为燃料 ，天然气 的 消 耗 量迅猛增长。 将来在 我国城市燃气中天然气 将逐渐的成为最重要的 燃料。 由 统计 可
20、知 ， 我国 2008 年 使用 民用天然气人口 约 为 1.4 亿，覆盖 两百多 个地级市及以上城市； 在 全国城镇人口 6.1 亿 中 ，城镇天然气 的 平均气化率 只有大约 23 %。 估计 到 2020 年，这 个 比例 可能 提高到40%50% 8。 1.3 燃气冷凝式锅炉 若 锅炉 的 排烟温度 要比 烟气露 温度低 ，烟气中水蒸气 的 汽化潜热就 可以释放出来 。 当 排烟温度 比较低时 ，烟气中水蒸气冷凝 的 大量汽化潜热 被 释放， 当 以燃料 的 低位发热量 为 标准时 ，锅炉的热效率可能 到达 l00%以上 ，这样 的锅炉称为冷凝式锅炉 (condensing boile
21、r)12、 13。 在 国外，冷凝式锅炉 通常是指可以 利用烟气中水蒸气 的汽化 潜热的锅炉。 其可 将 烟气中 排烟 的 温度降 得比较 低 ，并且 烟气中的显热和汽化潜热 得到有效的回收利用 ， 极大 提高锅炉热效率的同时，烟气中对环境 有害物质浓度 极大的 降低，减 少了 大气的污染 14。 1.3.1 燃气冷凝式锅炉的工作原理 1.冷凝式燃气设备节能机理 天然气在燃烧后的产物中 产生 大量的水蒸气 与 CO2， 如果 天然气 的 过量空气系数 与 空气 的 湿度不 相 同， 则 烟气中水蒸汽 的含 量也 会 不 相 同，水蒸气体积份额最高可达 20%，其燃烧化学 方程 式为： +Q O
22、 + C O= 2 H+ 2 OCH 2224 (1-1) 通过 化学方程式 (1-1)可知 ，每燃烧 一标准立方米 的天然气大约 能产生 2Nm3的水蒸气，水蒸气 中所包含的 汽化潜热大约为燃气低热值的 11%，这 表明每 当燃烧每 1 Nm3 燃气时将会 提供 100 kW 显热， 同时 也 产生 11kW 的潜热。 若在 保温条件 良好 时 ，排烟热损失就是 最 主要 的 热损失。通过将排烟温度降到露点温度以下，使烟气中的水蒸气 冷凝释放放出来 ，回收利用排烟中的显热和潜热 ，就是冷凝式换热器的工作原理 15。 2.冷凝式锅炉的热效率 排烟热损失是燃气装置最主要的热损失， 损失的大小 取
23、决于排烟量和排烟温度的 大小 。在燃料 一定 时，过量空气系数的大小 与 排烟量 的大小密切相关 ， 但是过量空气系数的大小 只和 燃烧状况 有直接联系 。在过量空气系数 比较小 时， 如果使 排烟温度 降低得比较低会极大的 减少排烟 的 热损失。 随着 过量空 气系数的不同烟气中水蒸气的含量 也会 不同 。 如 图 1-2 16在 给定温度下 ， 由烟气中的水蒸气含量以及空气、干烟气和水蒸气的温一焓表，就 可以 确定烟气携带的热量，从而 得出 燃气设备的节能潜力。但锅炉效率 会随着 过量空气系数的 提高而 降低，余热回收 就会变得很 困难。最 简单有效的 方法是 确保 锅炉运行在最佳的过量空
24、气系数下，这样 可以 确保 在安装烟气余热回收装置前后锅炉都有比较高的 热 效率。 图 1-2 不同过量空气系数下的烟气水蒸气含量 3.燃气设备排烟中的热能回收潜力 天然气的高位发热值 (HHV)一般 是指 (101.325kPa， 20 ) 1 m3 的干气体和空气完全混合燃烧，燃烧产物冷却 到刚开始时的放热 温度，燃烧后水蒸气冷凝至液体状态时向环境 所产生 的热量。低位发热值 与 高位发热值的定义 相似 ，但 如果 燃烧后生成的水蒸气 依然 保持气体状态 时 ，水蒸气的汽化潜热 将 回收不到。 普通的 换热器燃烧时，燃料高位热值的 80%85%传 递 给了工质，其余的热量 直接 通过表面
25、的 散热和排烟损失 释放到环境中去 。对于燃用天然气的设备，烟气中水蒸气所携带的热损失占整个排烟热损失的 55%75%，具体 的 数值取决于排烟温度 与 过量空气系数。对于 拥有 比天然气更低 的 碳氢比燃料，例如，某些燃油，这一份额会低一些；而对于 拥 有 比 较多含水量的燃料，例如，某些固体燃料，这一份额会高一些； 图 1-3 给出了热回收的一般， 图 1-4 热效率提高潜力随进口烟温变化状况，通过这个可以天然气燃烧系统的热效率有很 大的 提高潜力 16。 能否 将回收的热能利用是 需不需要 采用冷凝式烟气余热回收装置 前提条件 。水蒸气 的 潜热热量能够回收的 多少取决于 冷凝式烟气余热
26、回收装置利用率和利用温度。 若 利用温度 靠近 排烟的露点温度，回收 到的 热量 会很 少。利用温度越低，回收的热量 就会 越多。 因此 ， 在 低温下预热冷水 能得到比较 高的回收率， 然而在比 较高的温度 之 下 时能使 可以回收的热量 减少 。 图 1-3 热回收潜力 图 1-4 热效率提高潜力随进口烟温的变化 影响烟气的物性强迫对流凝结传热无因次准则 是由 显热交换与潜热交换的相对大小 决定 。 最近 的研究表明，烟气对流凝结换热系数与单相对流换热相比，可达 1.73 倍 17，其 大小 随 着 烟气的雅格布准则数的增大而增大。 所以 ，排烟热能 有个很大的 利用潜力，且 在 相同热能
27、 被 回收 时 ，冷凝式换热器所需换热面积比普通换热器 要 小 得多 。 1.3.2 燃气冷凝式 锅炉 在国内外的发展历史及应用现状 在 20 世纪 70 年代末 产生 一种 新的 高效节能型热水器， 其能把 排烟温度降到 60 以下， 与普通 热水器 相 比 要 节能 15%左右。 而最具有代表性 的是 1979 年荷兰 Gasunie 公司 研发 的样机，这种 样机能使 离开第一个换热器的烟气温度 在100150左右 ，第二个换热器的 出口排烟 温 约 为 5060 。 这种 锅炉的回水温度 比 较低，到 1984 年 10%的 住宅供热锅炉 是这 种锅炉，其它 的 建筑达 到 25%以上
28、 16。 随着更成 加 熟的 设备产生 ，冷凝式锅炉 被普遍的 应用 于 西方发达国家 的许多方面。 从 20 世纪 80 年代起，法国从 只有几千 台冷凝式锅炉 迅速的 发展到 只要是能确保有 天然气供应条件的新 建筑 ，其供暖 设备的 系统都已采用冷凝式燃气热水锅炉，且 近几 年来运行效果 极好 。 1985 年，荷兰冷凝式锅炉 每年的生产量 为 2.5万台 /年， 到 1995 年 止 ，经过 十 年的 不断 发展冷凝式锅炉 被普遍 地应用 在 工业建筑、住宅等领域，其中工业建筑供暖的 设备 数量超过 15 万台， 在 工业建筑供热锅炉 占比约为 25%；住宅供暖 设备 甚至超过 230
29、 万台 被应用 ，占住宅供暖锅炉的大约 10%，冷凝式锅炉的 普遍 应用 使 荷兰每年约 节省 20 亿 Nm3 天然气。 西方许多 国家通过 不断 的实验和 模拟 分析 与 研究， 都不断的 研 发 出 适合 自己国家发展 需要 的冷凝式锅炉。美国冷凝式燃气热水锅炉 的 供暖系统 普遍 应用 比 欧洲 稍 晚，但随着美国 的 科技 的进步 ，拥有当前世界上 很多 形式 的 冷凝式燃气 供热 锅炉的先进技术。 我国的能源结构 一直 都是以煤为主，到 20 世纪 90 年代 初 ，天然气 消耗 量才不断 增加，用于 供热的 天然气锅炉 的数 量也 开始 增加，才 逐渐开展 冷凝式锅炉的研发工作。
30、近年来随着 我国 能源结构 的 调整 与施行 节能减排政策， 以及 天然气使用 鼓励 政策的推行，国内 有 一些企业开始研 发 冷凝 换热热回收 装置，并应用在实际工程，取得了不错的效果 18。 最初 具有 冷凝式锅炉的节能燃气锅炉是由陕西省能源中心的高级工程师 吴仰天研发的，其排烟温度可降 低到 45 65 ，燃气锅炉的 极限 热效率可以超过100 % 19。车得福、林宗虎等 23研究了回收天然气锅炉烟气余热的可行性和经济性。北京建筑大学王随林等 17研究天然气供暖方式与天然气的高效利用，燃气锅炉热效率可以提高 5%左右，可去除 8.7%左右的氮氧化物，研究表明对流换热系数，有水蒸气凝结时烟
31、气对流换热系数与无凝结时对流换热系数 ，两者的 比最大可 到达 4。寇广孝等 24提出 了怎样去 提高不同燃料的 冷凝式锅炉热效率的方法，并 且 指出 了目前 计算方法的缺陷。 赵军 25通过对供热燃气锅炉在吸收式热泵机组技术、烟气冷凝换热器技术及烟气余热利用 和 脱硝一体技术在烟气余热回收利用实例的应用研究与分析得出： (1)在排烟烟道上增加与一次热网水换热的余热回收装置，将排烟温度降低到约 6070 ， 可使 锅炉效率提高约 3%。但为了保证锅炉 的 安全运行，在设计时必须复核其燃烧器对尾部受热面增加的烟气阻力的适应性、考虑到低温腐蚀，排烟温度应高出烟气露点温度 5 10 左右。 (2)采用了烟气余热深度利用技术，可
