CN1140736C - 一种高效环保整体冷凝式燃气锅炉的设计方法 - Google Patents

一种高效环保整体冷凝式燃气锅炉的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效环保整体冷凝式燃气锅炉的设计方法，包括，常规燃气锅炉结构，在锅炉炉膛结构设计时，加大炉胆直径，增加炉膛容积提高炉膛辐射换热量，降低炉膛出口烟温和炉膛平均温度水平，降低污染物NOx的生成；在锅炉对流受热面结构设计时采用梯级变速的低流速设计，延长烟气在受热面中的停留时间，采用梯级变速设计使第二回程烟气流速高于第三回程的烟气流速；在第三回程烟管采用高温区和低温区分段设计，高温段采用螺纹管加扰流子的结构，低温区采用单纯异型管结构，燃烧器选择功率曲线具有平直特性曲线的类型；本发明所制作的锅炉，所有指标均远远低于国家标准要求，能够显著地提高锅炉热效率，节约能源，保护环境。

Description

一种高效环保整体冷凝式燃气锅炉的设计方法
一、所属领域
本发明属于热能工程研究领域，特别涉及一种按照高原地区高海拔、低气压条件下燃料特殊燃烧特性调整锅炉结构设计和燃烧系统以保证锅炉达到高效率和锅炉出力的高效环保整体冷凝式燃气锅炉的设计方法。本发明采用锅炉主受热面冷凝烟气中的水蒸气，吸收水蒸气的汽化潜热和强化对流换热降低排烟温度的技术方案，可使锅炉热效率提高到94％以上；冷凝水吸收烟气中的20％～40％的SOx和部分NOx，达到降低污染物排放，并利于环保。
二、背景技术
国内近十年内开始研究和开发适合国内市场的燃气锅炉，经过近十年的模仿和改进，国内制造厂制造的产品已经基本上能够满足国内市场的需求，这一阶段推向市场的燃气锅炉基本上采用了常规的技术，应该称为第一发展阶段。第一阶段常规锅炉的热效率接近90％。目前燃气锅炉已开始进入第二发展阶段，第二阶段的典型标志是高效环保燃气锅炉。所谓高效环保燃气锅炉，是以提高锅炉的热效率为主要目的而设计的更新换代产品，这些产品必须在达到或超过现有环保标准排放的条件下具有明显高于常规燃气锅炉的热效率。其中，国外有三种高效环保燃气锅炉经过多年的研究已达到实用阶段，这些高效燃气锅炉包括浸没燃烧加热锅炉，直接或间接的冷凝式锅炉以及采用脉动燃烧原理而设计的脉动燃烧锅炉。这三类高效燃气锅炉主要的技术进展是新型燃烧技术和强化传热技术的应用。对我国制造厂而言，第二阶段I型产品的热效率要超过92％，II型产品的热效率达到94％，III型产品的热效率达到96％。所谓高原型是结合燃气锅炉在高原上燃烧使用的特点而研究开发的高效环保燃气锅炉。
所谓冷凝式锅炉主要是指通过冷凝锅炉烟气中的水蒸气，使其释放汽化潜热，同时降低排烟温度，减小排烟热损失，提高锅炉热效率的一种热交换设备。除提高热能利用率外，烟气冷凝过程中，烟气中的气体组份被冷凝水吸收或反应，使得排烟中有害气体SOx、NOx含量大大减少。
上述所介绍的三种高效环保燃气锅炉都具有较低的排烟温度和较高的热效率，一般能使设备总热效率提高到95％的以上的水平，超出常规锅炉热效率5％以上。有的可达到98％。可见高效率可以大幅度节约燃料，降低运行成本。同时具有明显的环保优势。上述三种高效环保燃气锅炉，从技术和市场前景来看，能够直接在国内常规产品上进行设计方法革新直接实现的技术就是冷凝式锅炉技术。
另外一个大背景就是，虽然我国正在进行能源结构调整，加大油、气燃料在整个能源消费结构中的比例。但严格来讲，我国并不是一个油、气储藏量十分丰富的国家，而油、气燃料和煤相比属于清洁能源，越是清洁的能源，越要强调节约能源的重要性，这也是本发明的大背景。
三、发明内容
本发明的目的在于提出一种在常规燃气锅炉的基础上调整锅炉结构及受热面，强化对流受热面换热，在不增加其他辅助受热面的基础上使锅炉主受热面发生冷凝，吸收水蒸气中的汽化潜热，同时降低排烟温度，提高热效率的高效环保整体冷凝式燃气锅炉设计方法，本发明所制作的锅炉，能够显著地提高锅炉热效率，节约能源，保护环境。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，高效环保整体冷凝式燃气锅炉的设计方法，包括，常规燃气锅炉结构，其特征在于，在常规燃气锅炉结构的基础上按以下设计方法进行：
1)在锅炉炉膛结构设计时，加大炉胆直径，增加炉膛容积提高炉膛辐射换热量，降低炉膛出口烟温和炉膛平均温度水平，降低污染物NOx的生成；
2)在锅炉对流受热面结构设计时采用梯级变速的低流速设计
在锅炉的第二和第三回程采用低流速的设计，延长烟气在受热面中的停留时间，以适应高原特点；为了均衡整体结构阻力，设计时采用梯级变速设计使第二回程烟气流速高于第三回程的烟气流速，因为第二回程烟气密度小(烟温高)于第三回程的烟气密度(烟温低)，这样使锅炉整体阻力下降，又不至于因为低流速的设计而降低对流受热面的对流换热系数；
3)第三回程采用高低温分段设计思想达到降低烟温和强化冷凝双重目的
在第三回程烟管设计时采用了高温区和低温区分段设计，高温段采用了螺纹管加扰流子的结构，加快烟气冷却程度，降低烟气温度；低温区采用了单纯异型管结构，因为异型管结构的内壁凸起利于在主流烟温较高的情况下在内壁凸起处形成冷凝核心，强化冷凝换热；如果在低温段也放置异型扰流子，可能会造成冷凝水不能及时排出或者阻塞烟道；
当锅炉容量较大时，锅炉采用卧式结构，为了使冷凝水液能及时排出，不影响冷凝换热，在异型管布置时采用放射锥体结构，使产生的冷凝水在热交换面上不能留存，而是快速向下流入冷凝水收集器和排污系统中，为了避免冷凝水腐蚀锅炉受热面和锅炉炉墙吸潮，生成的冷凝水由专门设计的带水封的装置排出；另外第三回程的高温段采用异型扰流子阻流，也对延长烟气在锅炉对流受热面中停留的时间有利；
4)选择功率曲线具有平直特性曲线的燃烧器类型；实际运行时鼓风机空气挡板的开度应比常规增加33％，调节到能够和燃气所需要的空气量匹配的程度。以避免高原地区高海拔、低气压、氧量不足引起的不完全燃烧。
四、附图说明
图1是高效环保整体冷凝式燃气锅炉结构图，(a)是主视图，(b)是左视图；
图2是第三回程烟管设计结构图，(a)是高温段的结构图，(b)是低温段的结构图，(c)是第三回程结构全图。
五、具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
1.结构原理
在内地平原地区工作的燃气锅炉运输到高原地区运行后普遍存在锅炉排烟温度升高，热效率降低，空气量不足，严重影响燃烧，锅炉冒黑烟，出力达不到要求的情况。
按照本发明的技术方案，设计采用常规燃气锅炉的结构形式，包括，常规燃气锅炉的整体结构，参见图1。由前箱冷凝水排放口1、燃烧器2、炉胆3、前烟箱4、拉撑件5、锅壳6、烟囱7、回燃室8、防爆门9、后烟箱10、观火孔11、排污管12、后箱冷凝水排放口13、冷凝水水封装置14、第二回程烟管15、第三回程烟管16和锅炉底座17组成。在锅炉结构设计时采用对流受热面的低流速设计，并在第三回程的高温段采用异型扰流子阻流，延长烟气在锅炉对流受热面中停留的时间，低温段强化冷凝换热。在燃烧器选型上应选择功率曲线具有平直特性的燃烧器类型，将空气挡板的开度调节到能够和燃气所需要的空气量匹配的程度。对于固定的燃料而言，其完全燃烧所需要的氧量为一定值。而空气中的氧气含量的比例不随气压的高低而变化，即大气压力降低，空气中各种气体的分压力比例不变，但每m3米空气中的实际氧气含量减少。实际运行时鼓风机空气挡板的开度应比常规增加33％，才能调节到能够和燃气所需要的空气量匹配的程度。
采取了这些步骤以后，申请人首次推出了高原型G/WNS2.8-0.7/95/70-QT的热水锅炉，由于燃烧器调整后和锅炉功率搭配得当，锅炉不仅可以满负荷运行，而且具有110％的超负荷能力。
根据燃气燃烧后烟气具有容积辐射的特点，锅炉设计加大炉胆直径，增加炉膛容积提高炉膛辐射换热量，降低炉膛出口烟温和炉膛平均温度水平，降低污染物NOx的生成。在锅炉的第二回程中采用螺纹烟管强化换热措施降低进入第三回程的烟气温度。为了加大烟气中水蒸气的冷凝量，在第三回程烟管设计时采用了高温区和低温区分段设计的方法(参见图2)，高温段采用了异型螺纹管加异型扰流子的结构，加快烟气冷却程度，低温区采用了异型螺纹管结构，实现降低烟温和强化冷凝的双重目的。图2中1′为异型扰流子，2′为螺纹管外壁凹槽，3′为螺纹管内壁凸起。因为异型管结构的内壁凸起利于在主流烟温较高的情况下在内壁凸起处形成冷凝核心，强化冷凝换热。当锅炉容量较大时，锅炉采用卧式结构，为了使冷凝水液能及时排出，不影响冷凝换热，在异型管布置时采用放射锥体结构，使产生的冷凝水在热交换面上不能留存，而是快速向下流入冷凝水收集器和排污系统中，为了避免冷凝水腐蚀锅炉受热面和锅炉炉墙吸潮，生成的冷凝水由专门设计的带水封的装置排出。2.工作原理
燃气锅炉烟气中水蒸气容积成分一般为15％～19％，烟气中水蒸气含有大量的汽化潜热，本技术的工作原理就是在利用烟气的物理显热，在降低排烟温度的同时，回收烟气中部分水蒸气的汽化潜热，利用了天然气高、低位发热量差的一部分，因而以低位发热量计算的锅炉热效率明显提高。
目前常规的燃气锅炉，以低位发热值计算的热效率很少有明显超过90％的，不仅物理显热浪费较大，而且高、低位发热值相差的汽化潜热也被完全浪费了。因此天然气锅炉的排烟余热利用与烟气净化是解决目前燃气锅炉存在问题的重要途径。通过回收烟气中的汽化潜热，降低排烟温度，提高锅炉的热效率，降低运行成本。另外可以通过在冷凝水中加入中和物质，降低污染物对环境的污染，节能与环保效益显著。
参考图1可知，锅炉工作流程如下：燃烧器2将天然气和空气混合燃烧生成的高温烟气在炉胆3中进行辐射传热；烟气向后流动至回燃室8转弯180°，烟温降为951℃；然后进入第二回程烟管15进行对流换热，放热之后烟温大为降低，第二回程出口约降到400℃以下；经过前烟箱4再转弯180°进入至第三回程烟管16进行对流换热并使烟气中水蒸气产生冷凝之后，烟温降低为排烟温度，约138/115℃，最后烟气通过后烟箱10转弯90°至烟囱7排入大气。
具体实施例：
按照本发明的结构和工作原理，申请人已进行设计制造了第一代I型设计的高原型G/WNS2.8-0.7/95/70-QT型热水锅炉，经实际运行证明，锅炉实际的平均排烟温度为138℃，热效率平均为92.53％，冷凝水量达到21％以上，达到了预期的效果。
按本发明设计的第二代II型高原型G/WNS2.8-0.7/95/70的热水锅炉，经实际运行证明，锅炉实际的平均排烟温度为115℃，热效率平均为94.3％，冷凝水量达到29.8％以上。热效率及热工参数由机械工业工业锅炉及环保产品质量监督检测中心在青海华融集团公司锅炉房现场检测。
锅炉环保性能由上海工锅环保设备质量监督检测站测试，其结果为：第一，未测出烟尘排放浓度；第二，未测出SOx排放浓度；第三，NOx排放浓度为279mg/m3，比国家GB13271-2001低121mg/m3，所有指标均远远低于国家标准要求。
为了验证冷凝水对锅炉受热面的腐蚀问题，我们将冷凝水委托青海省对冷凝水质进行了化验，化验结果PH＝5.4。研究结果表明，PH＝5.4的冷凝水和PH＝7的中性水具有大体相同的腐蚀能力。经过对实际烟管的观察，其表面只有轻微腐蚀的迹象。
按照本发明结构原理和工作原理，申请人分别设计了I型和II型的高原型高效环保整体冷凝式燃气锅炉G/WNS2.8-0.7/95/70-QT，锅炉结构设计采用软件优化方法，最终方案是从50多个不同设计结构中综合优选出来，其具体设计数据如表1所示：
                            表1设计数据节录
锅炉供热量MW     2.8 第二回程烟管直径mm   φ63.5
额定工作压力MPa     0.7 第二回程烟管根数--     78
锅壳长度mm     4100 第三回程传热面积m2     38
回燃室直径mm     1500 第三回程平均流速m/s     14
炉胆容积热负荷kW/m3     1037 第三回程烟管直径mm   φ63.5
炉胆出口温度℃     951 第三回程烟管根数--     36
第二回程传热面积m2     44.2 排烟温度℃(I/II)     138/115
第二回程平均流速m/s     18.4 测试热效率％(I/II)     92.5/94.3
产品已经在青海省西宁市华融集团公司锅炉房试运行一个采暖季节约5个月的时间，根据青海中油燃气技术发展有限公司出示的证明：天然气实际运行132天，天然气总耗量为174888.83标立方。平均每天耗气量为1324.92标立方，每天按6小时计算，平均每小时耗气量仅为220.8m3。锅炉额定负荷时，平均每小时耗气量应为313.3m3，经现场记录，实际上锅炉每天只能达到90％的平均负荷，经过折算实际平均每小时耗气量应为282m3，则实际平均每小时节约燃气耗气量为282m3-220.8m3＝61.2m3，按西宁天然气每立方1元人民币计算，一个采暖季共节约燃气费用为1×61.2×6×132＝48470元，目前我国有这种容量的锅炉共计30000多台，采用该技术每年可节约人民币15亿，节能效果显著，如果所有型号的燃气锅炉都采用该技术，则每年单纯的燃料节约量是极其巨大的。

Claims (1)

1.一种高效环保整体冷凝式燃气锅炉的设计方法，包括，常规燃气锅炉结构，其特征在于，在常规燃气锅炉结构的基础上按以下设计方法进行：
1)在锅炉炉膛结构设计时，加大炉胆直径，增加炉膛容积提高炉膛辐射换热量，降低炉膛出口烟温和炉膛平均温度水平，降低污染物NOx的生成；
2)在锅炉对流受热面结构设计时采用梯级变速的低流速设计
在锅炉的第二和第三回程采用低流速的设计，延长烟气在受热面中的停留时间，以适应高原特点；为了均衡整体结构阻力，设计时采用梯级变速设计使第二回程烟气流速高于第三回程的烟气流速，使第二回程烟温高的烟气密度小于第三回程烟温低的烟气密度；
3)第三回程采用高低温分段设计思想达到降低烟温和强化冷凝双重目的
在第三回程烟管设计时采用高温区和低温区分段设计，高温段采用螺纹管加扰流子的结构，加快烟气冷却程度，降低烟气温度；低温区采用单纯异型管结构，异型管结构的内壁凸起利于在主流烟温较高的情况下在内壁凸起处形成冷凝核心，强化冷凝换热；
当锅炉容量较大时，锅炉采用卧式结构，为了使冷凝水液能及时排出，不影响冷凝换热，在异型管布置时采用放射锥体结构，使产生的冷凝水在热交换面上不能留存，而是快速向下流入冷凝水收集器和排污系统中，为了避免冷凝水腐蚀锅炉受热面和锅炉炉墙吸潮，生成的冷凝水由专门设计的带水封的装置排出；另外第三回程的高温段采用扰流子阻流，也对延长烟气在锅炉对流受热面中停留的时间有利；
4)燃烧器选择功率曲线具有平直特性曲线的类型；实际运行时鼓风机空气挡板的开度应比常规增加33％，调节到能够和燃气所需要的空气量匹配的程度。
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