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1、北京建筑工程学院硕士学位论文小型燃气锅炉热能回收装置结构优化与应用研究姓名：雷素敏申请学位级别：硕士专业：供热、供燃气、通风及空调工程指导教师：王随林20081201摘要随着我国能源结构调整和能源消费中出现用电峰谷差及用气季节不平衡，如何提高天然气利用水平成为能源环境与工程领域亟待解决的热点课题。本文在前期烟气热能回收装置关键技术研究的基础上，以研究开发小型天然气锅炉烟气冷凝热能回收利用装置为目标，数值模拟与理论分析及工程应用现场实测相结合，研究l t h、2t h 和3 t h 小型天然气供热锅炉烟气冷凝热能回收利用装置优化设计方案，研制1 讹纵置式样机，并应用于天然气锅炉改造工程，进行监测
2、和分析。以烟气热能回收装置为对象建立数学模型，采用F L U E N T 软件，对肋片上有无均压孔和换热面主体及装置整体的流场与温度场进行了数值模拟分析，同时与实测数据进行对比，为热能回收装置的优化设计提供依据。对换热器主体换热面积、形状尺寸和水侧系统及辅助结构等方面进行了优化设计，以增强传热和耐蚀性，减少烟气侧与水侧流动阻力，降低材料成本，为不同系列燃气锅炉的冷凝换热装置优化奠定了基础；设计出l t h、2t h 和3 t h 烟气冷凝热能回收利用装置加工图，研制出1t 1 1 纵置式样机。将研制出的样机应用于天然气锅炉节能改造示范工程，并进行跟踪实测。实测表明：采用该装置可将天然气锅炉排烟
3、温度从1 5 0 左右降低到5 0 以下，可提高效率1 0 以上，锅炉热效率按低热值计可达1 0 6 2，烟气压降小于2 5 P a，水侧流动阻力明显减小，与第一台样机相比铜重量减少1 3 7。基于样机在示范工程应用中的实测数据，研究了热回收效率、换热器传热系数、烟气凝结换热系数和烟气侧阻力的影响因素及其规律，得出烟气侧受迫对流凝结换热准则实验关联式，为进一步研发类似换热装置奠定基础，也为多组分流体传热传质研究提供了参考。对燃气锅炉优化运行方案进行分析，并对北京市2 0 0 座供热锅炉房排烟温度和排烟压力等运行状况进行了抽样调研，同时对节能潜力及社会经济效益进行了分析。关键词：天然气烟气冷凝热
4、能回收利用优化应用A b s t r a c tW i t ht h ea d j u s t m e n to fe n e r g ys t r u c t u r ea sw e l la st h ep e a ka n dv a l l e yo fe l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o na n dt h ei m b a l a n c e ds e a s o n a lg a sc o n s u m p t i o ni no u rc o u n t r y,i m p r o v i n gt h ee f f i c i e
5、n c yo f t h eu s a g eo f n a t u r a lg a sh a sb e c o m eah o ti s s u e T h i sp a p e ra i m e da td e v e l o p i n gc o n d e n s i n gh e a tr e c o v e r yu n i to fm i n i a t u r eg a s f i r e db o i l e r，w h i c hb a s e do nt h ep r e v i o u sk e yt e c h n o l o g yo ft h ec o n d
6、e n s i n ge q u i p m e n t sf o rr e c y c l i n gt h e r m a le n e r g yo ff l u eg a s，t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n、t h e o r e t i c a la n a l y s i s、e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n df i e l dm e a s u r e m e n t，t h ed e
7、s i g no flt h、2 t ha n d3 t hc o n d e n s i n gh e a tr e c o v e r yu n i to fm i n i a t u r eg a s f i r e db o i l e rW a ss t u d i e d，a n dt h elt hl o n g i t u d i n a l l yP r o t o t y p eW a sd e v e l o p e d，a n da p p l i e dt ot h er e c o n s t r u c t i o np r o j e c to f g a sb
8、 o i l e r，a n dm o n i t o r e da n da n a l y z e d T h es t u d yb u i l tm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ec o n d e n s i n gh e a tr e c o v e r yu n i t,a n ds i m u l a t e dt h ef l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do ft h ef i nw h i c hh a sp r e s s u r eb a l a n c
9、i n gh o l eo rn o t，t h eh o s ta n dt h ew h o l em a c h i n eb yu s i n go ft h eF L U E N Ts o f l v c a r e T h e nt h i sp a p e rc o m p a r e dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o nv a l u ea n dm e a s u r e dv a l u ef o ro p t i m i z a t i o no ft h ef u m ec o n d e n s i n ga n de n
10、 e r g yr e c l a i m i n gi n s t a l l a t i o n I no r d e rt or e d u c ew a t e rf l o wr e s i s t a n c e、f u m ef l o wr e s i s t a n c ea n dm a t e r i a lc o s t，t h es t u d yo p t i m i z e dt h eh e a tI r a n s f e rs u r f a c e，s h a p ea n ds i z e,t h ew a t e rs i d es y s t e m
11、a n dt h ea u x i l i a r ys t r u c t u r et ot h eh e a te x c h a n g e rs u b j e c t A l lo ft h e s el a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h eo p t i m i z a t i o no fd i f f e r e n ts e r i e so fg a sb o i l e r s B e s i d e s，t h ep r o c e s s i n gm a pi sd e s i g n e df o rl t h、2 t ha
12、 n d3 t hc o n d e n s i n ge q u i p m e n ta n dt h elt hl o n g i t u d i n a l l yP r o t o t y p ei sd e v e l o p e d T h es t u d ya l s oa p p l i e dc o n d e n s i n gh e a te x c h a n g e rp r o t o t y p et ot h ee n e r g ys a v i n gr e c o n s t r u c t i o np r o j e c t，a n dt e s
13、tt h ea c t u a le f f e c t T h em e a s u r e dr e s u l ts h o w e dt h a tt h ee x h a u s ts m o k et e m p e r a t u r ec a nb ed e c r e a s e d 1 5 0 t o5 0 t h eb o i l e re f f i c i e n c yc a nb ei m p r o v e db ya b o u t10 a n dt h et h e r m a le f f i c i e n c yo fb o i l e rc a l
14、lr e a c hu pt o10 6-2 a c c o r d i n gt ol o wh e a to ft h eg a sw h i l et h ed e v i c eu s e d M e a n w h i l et h ef u m ep r e s s u r ed r o pi sl o w e rt h a n2 5 P a，a n dt h ec o n s u m p t i o no f c o p p e rr e d u c e13 7 c o m p a r et ot h ef i r s tp r o t o t y p e B a s e do
15、nt h em e a s u r e dd a t a，t h es t u d yr e s e a r c h e do nt h eh e a tr e c o v e r ye f f i c i e n c y，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h eh e a te x c h a n g e，t h ef u l n ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n df u m ef l o wr e s i s t a n
16、 c ea n ds u m m a r i z e dt h ee x p e r i m e n t a lc o r r e l a t i o nf o r m u l a T h e s ee s t a b l i s h e daf o u n d a t i o nf o rf u r t h e ro p t i m i z i n gs i m i l a re q u i p m e n t s，a n dp r o v i d e dr e f e r e n c ef o rr e s e a r c ho fh e a ta n dm a s st r a n s
17、f e rt om u l t i c o m p o n e n tf l u i d M e a n w h i l et h ep a p e ra n a l y z e dt h eo p t i m i z e do p e r a t i o ns c h e m eo fg a s f i r e db o i l e r，i n v e s t i g a t e da b o u t2 0 0h e a t i n gb o i l e rr o o m si nB 询吨t oa c q u a i n tt h eo p e r a t i o nc o n d i t
18、i o no ft h ef u m et e m p e r a t u r ea n dt h et e m p e r a t u r ep r e s s u r e，a n da n a l y z e dt h es o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t K e yW o r d s：n a t u r a lg a s，f u m ec o n d e n s a t i o n，h e a tr e c o v e r y,o p t i m i z a t i o n，a p p H c a f i o nI I I 拉丁字母希
19、腊字母注释说明清单口热扩散率，m 2 s召大气压力，P aC质量浓度，k g m 3勺比定压热容，J(k g K)g重力加速度，m s 2七传热系数，W l(m 2 K)，长度，mm质量，k gM摩尔质量，k g m o lp绝对压力，P a，汽化潜热，J k g”速度，m s吃对流换热系数，W(m 2 K)6厚度，i n，7无苗纲变量口过余温度，名导热系数，W(m K)动力粘度，P a sV运动粘度，m 2 sp密度，k g m 3无量纲特征数，一q)2c pQ，一f，)修l E 雅各布准则rd a=雅各布数C 秒PR e=u l 雷诺准则y。yP r=一普朗特准则口，五，“=努谢尔特准则五
20、北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不含任何其它个人或集体己发表或撰写过的成果。对本文的研究成果作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签字岛日期：2 0 0 8 年1 2 月9 日绪论1 1 研究背景及意义1 1 1 能源结构调整与天然气的利用随着世界可持续发展战略的实施和能源结构的优质化，中国能源结构的调整成为改善环境污染的主要战略之一。2 0 0 1 年中国一次能源消费总量为l1 9 9 6 M t e c，占世界总消费
21、量的9 2。煤炭在中国一次能源消费结构中占6 7，远远高于煤炭在世界能源结构中所占比例。这种能源结构特点导致我国S 0 2 的排放量居世界第一位，酸雨的覆盖面积已达国土面积的3 0 以上；C 0 2 的排放量仅次于美国，占世界第二位。燃煤造成的S 0 2 及T S P 的排放量分别约占8 5 与7 0。预计中国能源消费结构中，天然气的消费总量将从2 0 0 0 年的3 增至2 0 3 0 年的7；石油从2 0 0 0 年的2 5 增至2 0 3 0年的2 7；煤炭从2 0 0 0 年的6 9 降至2 0 3 0 年的6 0 川。2 l 世纪是天然气的时代，世界能源消费结构的演变表明，1 8 8
22、 8 年煤炭在一次能源消费结构中的比例增至4 8，之后超过木材成为主要能源。1 9 6 8 年石油在一次能源消费中的比例达到4 0，之后超过煤炭成为主要能源，1 9 7 5 年达到4 5，以后石油所占比例逐渐下降，只有天然气所占的比例持续上升。按照油气1 9 8 卜1 9 9 8 年数据线性外推的趋势，到2 l 世纪4 0 年代(2 0 4 3 年之后)，天然气在一次能源消费结构中的比例将超过石油所占的比例而成为第一能源l Z J。可持续发展面临较大压力，尤其是如何满足小康社会对环境的要求面临着巨大挑战。中国并没有摆脱先污染后治理的老路，仅以大气污染情况为例，中国的S 0 2 和C 0 2 排
23、放量分别居世界第一位和第二位。虽然单位G D P 的碳排放量明显下降(1 9 9 0 2 0 0 1 年下降了5 2)，但二氧化碳排放总量却从1 9 8 0 年的3 9 4 亿t 碳增加到2 0 0 1 年的8 3 2 亿t 碳；燃煤排放的S 0 2 是造成酸雨的主要原因2 0 世纪9 0 年代中期酸雨区面积比8 0 年代扩大了1 0 0 万k m，年均降水p H 值低于5 6 的区域面积已占全国面积的3 0 左右。由于较严重的环境污染，造成了高昂的经济成本和环境成本，并对公众健康产生较明显的损害。国内外研究机构的成果显示，大气污染造成的经济损失占G D P 的3 7。造成大气质量严重污染的主
24、要原因是中国以燃煤为主的能源结构，并且没有对煤炭利用采取有效的环保措施，烟尘和C 0 2 排放量的7 0、s o z的9 0、氮氧化物的6 7 来自于燃煤1 3 l。在世界1 0 大污染严重城市中我国占一半以上，目前我国温室气体C 0。排放量在美国之后居第二位，预计2 0 2 0 年将超过美国。我国大气污染已引起国际关注，而且必将绪论成为国际外交议题。广泛利用天然气，治理我国城市污染，具有重要政治意义。治理环境需要巨大投入，我国真正改善环境需要G D P2 以上的费用，目前只有北京、上海等经济发达地区能够做到1 2 l。因此，加快天然气的开发利用，调整产业和能源消费结构，是合理使用能源和减少环
25、境污染的重要途径。大力发展天然气，用天然气等清洁燃料代替单一燃煤，是我国节约能源、保护环境，实现可持续发展战略目标所采取的重要措施之一，同时也是北京等大中城市目前以及未来环保和节能的重要课题之一l l I。对于能源结构以煤为主的中国，天然气储量少。随着全球可持续发展战略实施与我国能源结构调整和在首都等大中城市煤改气政策的实施，天然气作为一种清洁能源，加快天然气的开发利用，天然气利用设备越来越广泛，然而目前中国天然气利用设备热能利用率比发达国家低。因此，如何提高天然气利用水平，大力开发高效天然气利用设备，成为能源环境与供热工程领域亟待解决的热点课题。1 1 2 天然气锅炉房及其运行效率天然气锅炉
26、是天然气利用设备最大的用户，因此，提高锅炉热能利用率，可节约燃气量和改善环境污染，社会经济效益巨大。1 1 2 1 国内天然气锅炉房现状锅炉是一次能源的主要消费者。在我国，可以认为锅炉消耗一次能源有如下特点：(1)一般为非再生的一次能源。锅炉多燃用化石燃料，如煤炭、石油、天然气等，这些燃料都是不可再生的一次能源。(2)消耗量大。中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是目前世界上少有的几个以煤为主要能源的国家之一。煤炭在我国一次能源消费结构中占有主导地位。而且预计在今后相当长的时期内，这种格局不会有很大改变，我国煤炭产量的8 0 左右用于锅炉等燃烧设备直接燃烧。(3)品种多样。在我国，过去数年
27、一直奉行以煤为主的政策。目前锅炉仍主要燃用煤炭，但比例已经大大改变。除燃油、燃气量大大增加外，随着经济的发展和生活水平的提高，各种工业和生活废弃物在锅炉炉膛内燃烧，不仅能够使垃圾得到减容处理，而且还可以回收热能用于发电、供热等，变废为宝。即使燃用煤炭，由于煤炭供应紧张，锅炉也不得不燃用劣质煤、难于燃烧的贫煤、无烟煤等。总之，锅炉燃用的燃料向品种多样化方向发展。(4)污染物排放量大。大气污染主要有以燃煤为主所产生的S 0 2、烟尘等造成的以伦敦烟雾事件为典型的煤烟型污染，燃油造成的以洛杉矶烟雾为典型的光化学烟雾污染，绪论以及由于燃煤、燃油造成的过程极为复杂的酸性降水污染。我国大气污染主要属于“煤
28、烟型 污染。据统计，我国的大气飘尘在世界各国中名列前茅，s 0 2 污染面积居亚洲各国之首。1 9 9 8 年统计，中国大气排放中的C 0 2 为6 7 亿吨，(其中8 5 是由燃煤排放形成)；S 0 2 的排放5 9 3 万吨，(其中9 0 是由燃煤排放形成)；排放的工业烟尘1 1 7 5 万吨，(其中7 3 是由能源开发利用排放的)。1 9 9 9 年中国环境状况公报中，就大气环境污染一项中，主要污染物是总悬浮颗粒物和S 0 2，其中统计3 3 8 城市中有1 3 7 个城市超过国家空气质量三级，占统计城市的4 0 5。由此可见，开发高效洁净燃烧技术是解决我国能源利用率低，降低环境污染的必
29、然出路。随着工业的发展，燃料消耗量大增，排放的烟尘、S 0 2、N O x 等污染物也随之大增，己严重影响生态环境，各国都在设法治理，限制污染物的排放量，以改善生态环境。我国近年来工业发展迅速，但治理还未跟上，生态环境污染严重，急待严格治理。环境保护的要求在促使锅炉技术中发展清洁有效的燃烧方法，寻求经济而有效的脱硫、脱硝(除去氮氧化物)的技术。近年来，更发现原来认为无毒害的二氧化碳由于燃料消耗量的增大，排放的二氧化碳增多，使大气中二氧化碳的含量增多，造成所谓温室效应，影响气候及生态环境。因此也必须限制它的排放，这也促使提高燃料能量利用的有效程度。(5)热效率低，嫡增大。2 0 0 0 年，燃煤
30、工业锅炉平均运行效率6 5 左右，比国际先进水平低1 5 一2 0 个百分点；在单位建筑面积能耗方面，我国单位建筑面积采暖能耗相当于气候条件相近发达国家的2 -3 倍。虽然近几年来我国在节能方面己经做了大量工作，能源经济效益明显提高。但纵观我国能源利用现状，能源利用率与西方发达国家相比仍然很低。如何挖掘巨大的节能潜力，提高能源利用率是今后我国国民经济发展过程中应着力解决的问题1 4 1。首都燃气供热规模己居全国之首，到2 0 0 5 年底，全市供热面积4 7 7 亿，其中燃气供热面积1 4 8 亿，占3 l；全市供热锅炉房5 8 1 7 座，其中燃气锅炉房2 7 4 0 座，占4 7 1；全市
31、供热锅炉2 0 0 2 1 台，其中燃气锅炉1 3 1 9 8 台，占6 5 9。因此，首都地区天然气供热锅炉能源利用水平对首都社会经济发展起着重要作用。对首都天然气供热调查表明以天然气为燃料的锅炉，在满负荷运行时所排放的烟气温度一般在1 6 0-2 5 0。C 之间1 5 J，在非满负荷运行时的烟气温度也在1 0 0 1 2 0 以上。但部分锅炉排烟温度高达3 5 0，排烟中大量显热与燃气燃烧时产生的大量水蒸气所携带的潜热，随着烟气排出而被浪费，还造成了锅炉较高的运行成本。平均每季度每平方米供热面积的燃气耗气量为1 1 9 立方米，较高的达到1 5 1 7 立方米1 4 I，以目前天然气的价
32、格计，燃气常规锅炉房的供热成本费用为3 2 3 7 元m 2 季，能源费占7 6”1 7 1。煤与天然气经热值和价格对比后，燃用天然气的锅炉的运行费用是燃煤锅炉运行费用的2 2 4 0绪论倍”I S l，燃气锅炉房的运行费用明显高于燃煤锅炉房，其中能源费(天然气)在整个锅炉房运行费用中占最大比重。因此，实现燃气锅炉供热的节能，节约与充分利用天然气资源，对于促进首都能源、环境、经济和社会协调发展，具有十分重要的意义。1 1 2 2 天然气锅炉运行效率燃气锅炉的实际运行效率低的原因有多方面。(1)过量空气系数的影响。过剩空气系数对天然气热利用率影响见图1 1。瓣暖嚣壤矿麓H 图1 1 不同过量空气
33、系数下的烟气水蒸汽含量由图1 1 可看出，随过剩空气系数增大热利用率降低，排烟温度的升高使过剩空气系数的影响进一步加大，当排烟温度为1 0 0，过剩空气系数为1 时，热利用率可达到9 6，过剩空气系数为3 时，热利用率可达到8 9，两者相差7；同时，过剩空气系数还影响烟气冷凝温度，过剩空气系数越大，烟气冷凝温度越低，不利于烟气冷凝热的回收。所以在天然气实际应用中，尽量降低过剩空气系数，对于燃气轮机等过剩空气系数大的设备，应当尽量降低排烟温度，减少排烟损失1 9 I。(2)排烟温度的影响。排烟温度影响主要表现为目前普遍燃气锅炉排烟温度高。以天然气为燃料的锅炉，在满负荷运行时所排放的烟气温度一般在
34、1 6 0-2 5 0。C 之间I l 们，在非满负荷运行时的烟气温度也在1 0 0 1 2 0 以上。但部分锅炉排烟温度高达3 5 0，排烟中大量显热与燃气燃烧时产生的大量水蒸气所携带的潜热，随着烟气排出而被浪费，还造成了锅炉较高的运行成本。不同排烟温度下锅炉热效率见图1 2I l l J绪论图1 2 不同排烟温度下的锅炉效率由图1 2 可看出，锅炉效率随着排烟温度的变化分为两个比较明显的区域。当排烟温度为6 0 -18 0 C 时，锅炉效率变化缓慢；而当排烟温度为2 0-6 0*(2 时，锅炉效率变化较大。这主要是由于排烟热损失中有水蒸气潜热损失，大于烟气显热损失的结果。当锅炉排烟温度降到
35、2 0 时，锅炉效率可达1 0 7 4。(2)燃烧空气含湿量的影响。根据下式计算烟气中水蒸气冷凝率与排烟温度的关系：巾=0 0 1 匹O 5 n。H 1 1)P m o+d o a V o p a g-d V c 0 2 P c 0 2+V N 2 p+V o(a-1)p a 0 0 1 G o 5 I。曲P m o 2 l6 8 0+4 6 5 3 0 X-d 11 6 1 6+1 2 4 6 4(a-1)1 16 8 0燃烧空气含湿量的影响见图1 3。图1 3 烟气中水蒸气冷凝率与排烟温度的关系绪论由图1 3 可看出，冷凝率除随烟气温度降低而升高外，还与过剩空气系数及空气的相对湿度有关，随
36、过剩空气系数的增大烟气的露点温度降低，在相同的烟气温度下冷凝率降低。当过剩空气系数在1-一3 时，相应的露点温度在3 9 -5 9。在同样的过剩空气系数下，随空气相对湿度的增加，烟气的露点和冷凝率都有所增加，当空气相对湿度较低和过剩空气系数较大时，在O 冷凝率小于l，这是因为此时烟气中的水蒸气含量高于空气带入的水蒸气量。对于利用天然气冷凝热的工艺，参加燃烧的空气温度越高，含湿量越大，烟气的冷凝温度越高，在相同的冷凝温度下，燃气的热利用率越高|9 I。(4)系统回水温度的影响。当冷凝发生时，热效率不会突然发生变化，热效率随着回水温度的下降平稳地升高。(5)锅炉负荷的影响。锅炉负荷的影响见图1 4
37、。图1 4 热效率随负荷的变动关系应当说明的是，热效率随负荷的变化是锅炉性能的实际评价，测试的是燃烧器输出功率降低后一段时间的平均效率，由图1 5 可看出，冷凝式锅炉在低负荷时具有更高的热效率。1 1 3 天然气高效利用的有效途径和潜力目前，高效利用天然气的相关技术很多，如：燃料电池、楼宇式燃气冷热电三联共、燃气热泵、高效节能燃器具、天然气制氢等。提高天然气锅炉热效率的两个主要途径：提高燃烧系统的燃烧效率，开发利用低绪论高效燃烧技术；提高排烟热能利用率，即开发冷凝式天然气利用设备是高效利用天然气，减少环境污染最有效的途径，因此正在受到国际社会及学术界和生产应用部门的广泛重视1 12。天然气主要
38、成分为甲烷，燃烧后会产生大量的水蒸汽，根据天然气成份及混合用空气湿度的不同，烟气中含水蒸汽量有所不同，水蒸气体积份额最高可达2 8，其燃烧化学方程式为：C H4+2 02=X 2 H2 0+C O2+Q由天然气燃烧化学方程式可以看出，每燃烧1 Nm3 的天然气大约可得到2 Nm3 的水蒸汽，水蒸汽的汽化潜热大约为燃气低热值的11，这意味着当燃气燃烧每提供1 0 0 k W显热时，同时也提供了ll k W 的潜热，冷凝式天然气利用设备就是通过设置冷凝换热器，将排烟温度降到露点温度以下，回收利用天然气利用设备排烟中的显热和潜热。由于天然气是一种高价格的优质洁净燃料，充分利用天然气烟气的余热是天然气
39、高效利用的一个重要手段。排烟余热回收有多种方法，烟气余热回收一般采用冷凝式换热器，即锅炉成为了所谓的冷凝式锅炉，1 1 4 天然气高效利用的技术关键冷凝式天然气利用设备的研发的关键技术是防腐技术，传热传质的强化技术，降低烟气侧和水侧的流动阻力，由自重和材料热胀冷缩引起变形破坏的技术措施与加工模具低成本改造及多项技术集成。1 1 5 研究意义本课题正是针对国际能源结构调整的需要，在前期课题组防腐技术研究的基础上，进一步深化传热传质的强化技术研究，研究l t h、2t h 和3 t h 小型天然气供热锅炉烟气冷凝热能回收利用装置，并研制1t l l 纵置式样机，应用于天然气锅炉改造工程和监测，为不
40、同系列天然气供热锅炉烟气冷凝热能回收利用装置的开发提供参考。本课题是伴有凝结的烟气受迫对流换热，既不同于单项流体的受迫流动换热又不同于纯蒸气凝结换热，也不同于含少量不凝性气体的蒸气凝结换热，类似于多组分凝结换热，为多组分凝结换热的研究提供的参考。1 2 国内外研究状况1 2 1 供热用燃气锅炉的高效利用技术国内外现在已有一些供热锅炉应用节能技术，主要目的是在保证供暖质量的基础上降低燃气费用，延长锅炉使用寿命，保证燃气锅炉安全稳定的运行，提高设备管理绪论水平，解决燃气耗量高等问题。例如：气候补偿系统、烟气冷凝热能回收系统、多锅炉运行控制技术、分时分区控制、锅炉回水温度控制技术、板式换热器节能控制
41、技术等I 协1 4 J。但有些技术还不太成熟，有待于进一步完善和提高。1 2 2 燃气锅炉热能回收利用发展状况天然气高效利用设备是在天然气利用设备尾部设冷凝换热设备，将排烟温度降到烟气露点温度以下，可以利用排烟显热和天然气燃烧时产生的大量水蒸气凝结时放出的大量潜热，节约能源，减少有害气体排放，同时凝结液对烟气还有一定的净化作用，供热企业和热用户还可节约燃料费与采暖费。1 2 2 1 国外天然气高效利用设备的发展状况冷凝式锅炉首先是由西方发达国家研究应用的。2 0 世纪7 0 年代以来，法国、荷兰、英国、奥地利、瑞典和美国相继进行了这种锅炉的研制。在锅炉中增设各型换热器，回收并利用烟气中水蒸气冷
42、凝时放出的汽化潜热。法国的煤气公司和液化工业公司1 9 7 1 年最早对冷凝式锅炉进行了研究。国外冷凝式供热锅炉的生产与应用也己具有一定规模。法国在1 9 7 2 年就已经安装了几种系统，多年来运行很好。现在法国全部供热锅炉中一半以上是冷凝式锅炉：有燃气供应的新建房屋，已全部安装了冷凝式锅炉。荷兰到1 9 8 4 年，住宅及工业建筑供暖锅炉的3 5 以上使用了冷凝式锅炉：到1 9 9 5年住宅供暖使用2 3 0 万台、工业建筑中使用1 5 万台冷凝式锅炉。此外，瑞士、英国、德国一些公司从2 0 世纪7 0 年代中期以后逐渐生产销售冷凝式锅炉。冷凝式热回收系统在美国使用得相对较晚，比欧洲晚十年左
43、右。国外应用2 0 2 0 0 0kW 小型冷凝式锅炉相当广泛。这些锅炉挂壁或屋顶安装，节省房屋使用面积，且运行自动化程度很高，有过热、冻结、倒空等各种保护，燃烧器额定功率可在3 0-一1 0 0 范围内调节，以适应热负荷变化，无需人员值守1 2 I。冷凝式供热锅炉及其系统主要有瑞典的F a g e r s t a 公司开发设计的间壁管壳式冷凝换热器及其系统，见图1 5；美国的c O N 一X 热回收装置接触式冷凝回收系统等。管壳式冷凝换热器属于问壁式，烟气走管侧，在管内流动，冷却水走壳侧，在管外流动。根据这种型式又设计出冷凝式省煤器与热泵联合使用等系统。C O N X 热回收装置为一档板塔型
44、属于接触式，由不锈钢制造。烟气进人后由下向上流动过程中穿过许多水幕，被加热的水汇集在热回收装置的底部，靠重力流人辅助水箱，再与后面系统相联。绪论图1 5 间壁管壳式冷凝换热器俄罗斯方式的冷凝式热水锅炉供暖系统的两种方案，比较常用，见图1 6。方案a和b 分别是开式和闭式热水储存装置，其作用是保证通过一、二级换热器的冷水流量稳定，从而保持对锅炉回水的稳定冷却。方案a 适用于单个建筑物的独立供暖系统，方案b 是将采暖水和生活热水分开加热，效果非常好，适合于集中供热系统1 1 5 I。(a)图1 6 冷凝式热水锅炉供暖系统的两种方案(b)1 2 2 2 国内天然气高效利用设备的发展状况在国内，尚没有
45、冷凝式锅炉的生产厂家，与发达国家相比差距较大。但我国从1 9 9 5 年开始对冷凝式锅炉、冷凝式燃气热水器已经有所研究，并设计了冷凝式烟气热能回收装置，应用于实际的工程。高春阳，刘艳华，车得福1 1 1 I 通过对冷凝式换热器设计计算，计算出不同排烟温度下的热能回收设备投资回收期，从经济上分析了天然气锅炉改造为冷凝式锅炉的可行性，并给出了锅炉最佳排烟温度。寇广孝、叶勇军、绪论王汉青、王志勇1 1 6 l 根据我国北方太阳能供热的特点，提出了冷凝式锅炉辅助太阳能热水器供热系统，分析了该系统的特点，并与其他两种热源辅助太阳能热水器供热系统(电加热器和家用燃气锅炉辅助太阳能热水器供热系统)进行了经济
46、性和环保性比较。但目前我国尚无成熟产品上市。我国是一个发展中国家，保护环境和合理利用资源是基本国策，不能走先污染、后治理的老路。因此，必须首先广泛开辟气源，创造条件使用洁净燃料。我国尚没有冷凝式锅炉的生产厂家，与发达国家相比差距较大。应大力研制冷凝式燃气锅炉，并将利用天然气本身的特点，开发既能提高锅炉热效率，又能使附加产品得到综合利用的系统，这将使保护环境和大幅度节约非常珍贵的清洁燃料一天然气的有效方法。国外的冷凝式锅炉正在进军中国市场，包括制造与使用两个方面。我国对冷凝式高效率锅炉开始研究和开发工作，对冷凝式燃气热水器和脉冲式燃烧供热装置已有研究，且取得阶段性成果1 1 7。1 8 I。1
47、2 3 冷凝换热设备防腐研究的发展状况近十几年来，尽管换热器的腐蚀与防腐技术有所进展，但总的来说，还跟不上换热器性能研究发展的步伐。研究表明，采用高浓度(质量浓度达4 0 左右)L i C l 作为换热器除湿剂，可以大大提高换热器性能1 1 2 1。遗憾的是，目前一般金属乃至具有较强耐蚀性能的不锈钢均难以承受如此高浓度的L i C l 溶液腐蚀，以致不能制造和应用更高性能的换热器。目前，面对腐蚀，一般采用高耐腐蚀材料，j t r l-双相不锈钢、哈氏合金、钛、钛合金以及钽、锆等。但是，这些高耐腐蚀材料价格昂贵，制造成本非常高，一般企业难以承受，不利于推广。所以，以低成本开发出高耐腐蚀和高导热性
48、能的涂层或镀层用以解决换热器的腐蚀失效问题，具有很好的现实意义I l 引。在国外，日本学者1 2 0 I 在无活性炭条件下，在浓硫酸中对换热器N i C i M o 合金的腐蚀现象进行了试验，发现在酸中加入活性炭，可增加了负离子，从而加速了钼容量的溶解，腐蚀速度显著增加；相反，增加钼含量会提高酸的钝性，从而会加强防腐蚀性。美国【2 8】除用铝合金外，还建议采用几种镍铬奥氏体不锈钢及镍合金材料，如含有高铬和高钼的铁素体不锈钢，如A L 2 9-4 C，以及镍基合金，如H a s t e l l o yC 2 7，以及高钼含量的奥氏体不锈钢，如A L 一6 X N、2 5 4 S M O 和6 5
49、 4 S M O 可以成功地抵抗冷凝水的腐蚀。近年来有人采用带塑料涂层的换热器1 2，但因为塑料涂层容易破裂，换热器会受到严重腐蚀，而且塑料涂层的热阻比较大，传热性能不好，耐高温性能也较差。此外，还有外国学者翅管式换热器的腐蚀进行了研究，提出可用S U H 4 0 9(8 8 9 4 F e 1 1 C r-T i 0 0 6 C)这种金属来制作翅管，他有高温耐腐蚀的特性1 2 引。绪论在国内，詹柏林等人提出了沉积钛层的设想，在很大程度上解决换热器腐蚀失效问题，更高性能的换热器也将得到生产和广泛的应用1 1 9 I。樊爱园介绍了聚亚胺酯防腐漆在换热器管程内壁上的应用，实践证明聚亚胺酯防腐蚀漆是
50、一种性能卓越的防腐蚀产品1 2 3 I。镍磷化学镀技术是近年发展起来的先进的金属表面防护技术，是利用化学镀工艺在金属或非金属表面形成一层均匀的非晶化镍磷金属镀层，将基体材料与腐蚀介质隔离开，利用镍磷金属镀层良好的耐蚀性能可达到防腐的效果1 2 4 1。王随林教授等人通过对传统防腐镀膜锡和防腐性能较好的新型非晶态镍磷化学镀膜和新型非晶态镍铜磷复合化学镀膜进行对比实验研究，发现新型非晶态镍铜磷复合化学镀膜防腐性能最好2 引，可以大大增强换热器耐腐蚀性能，其经济性也较好1 2 6 I。李丽萍1 2 7|采以非晶态镍铜磷复合化学镀层作为防腐镀层，对采用先镀后胀再镀和先胀后镀2 种加工工艺的肋片管式冷凝