胡少波,姚正華
(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院,江蘇 蘇州 215600)
冷凝式換熱器是增設(shè)在天然氣鍋爐尾部的余熱回收裝置。當煙氣在通道內(nèi)通過傳熱面時,只要近壁面溫度達到露點溫度,就會有水蒸氣凝結(jié),釋放出部分汽化潛熱,并傳遞給受熱面內(nèi)工質(zhì)。因此,可以將排煙中大量的能量加以回收利用,從而達到節(jié)能環(huán)保的效果。隨著制造工業(yè)的不斷發(fā)展,各種新型高效的冷凝換熱裝置層出不窮,但是不論從結(jié)構(gòu),還是從實際余熱回收效果來看都有了非常大的改進。本論文對4t/h的燃氣蒸汽鍋爐加裝的冷凝式換熱器進行了設(shè)計計算,得到了一些換熱器的尺寸。
天然氣的成分絕大部分為烴,在燃氣鍋爐排煙中,水蒸氣的含量較高,有分析表明,在排煙中,可利用的熱能里,水蒸氣的汽化潛熱所占的份額相當大,每1 m3天然氣燃燒后可以產(chǎn)生1.55 kg水蒸氣。因此,其具有可觀的汽化潛熱,大約為3 700 kJ/Nm3,占天然氣的低位發(fā)熱量的10%以上。在傳統(tǒng)鍋爐中,排煙溫度一般在160~250℃,而煙氣中的水蒸氣仍處于過熱狀態(tài),不可能凝結(jié)成液態(tài)的水而放出汽化潛熱。因此,傳統(tǒng)的天然氣鍋爐理論熱效率一般只能達到90%左右,而利用冷凝式換熱器,只要把煙氣溫度降到煙氣露點溫度以下,就可回收煙氣中的顯熱和水蒸氣的凝結(jié)潛熱,按低位發(fā)熱量為基準計算,天然氣鍋爐熱效率可達到甚至超過110%[1]。
本文以下面的已知條件為例進行實驗:
(1)燃料:天然氣(體積百分比),如表1所示。
表1 天然氣體積百分比
(2)設(shè)計鍋爐的蒸發(fā)量為4t/h,產(chǎn)生1.6 MPa的飽和蒸汽;
(3)空氣過剩系數(shù)取1.1,空氣進口溫度為20℃,室外氣壓取一個標準大氣壓;
(4)鍋爐排煙溫度取50℃,要求設(shè)置冷凝式省煤器;
(5)鍋爐采用縱置式單鍋筒室燃結(jié)構(gòu),煙氣經(jīng)輻射受熱面和對流受熱面冷卻后,進入省煤器,降溫至50℃排入大氣中。
在水蒸氣分壓力不變的情況下,使空氣冷卻至飽和濕蒸汽狀態(tài)時,將有水滴析出,此時的溫度為露點溫度。
三原子氣體體積VRO2=1.023 m3,水蒸氣體積VH2O=2.175 9 m3,氮氣體積 =8.693 43 m3,過剩氧氣體積VO2=0.301 77 m3。
查《傳熱學(xué)》附錄10得露點溫度t'py=57.6℃
同時,查表得水蒸氣的密度ρ=0.100 948 kg/m3,煙氣焓ipy=962.55 kJ/m3。
在熱平衡中
其中,
煙氣流量m煙=1.345 m3/s;
省煤器出口時剩的水蒸氣體積V'H2O=1.389m3/m3;
換熱器進口水溫度Tm1=40℃,出口水溫度Tm2=90℃;
汽化潛熱r=2 364.2 kJ/kg。
經(jīng)過計算,得水流量mm=1.434 kg/s。
(1)管內(nèi)水流速
因為管內(nèi)水的流速有限制,所以取蛇形管根數(shù)n=8,所以管內(nèi)水的流速νm=4.23 m/s。
(2)水蒸氣開始凝結(jié)時管內(nèi)水的溫度
根據(jù) mmCm(Tm2-Tm1)=(i煙-i"煙)m煙,得水的溫度T'm=42.45℃。
表2 沒發(fā)生水蒸氣凝結(jié)的換熱器的管長計算
沒發(fā)生水蒸氣凝結(jié)的換熱器的管長計算如表2所示。
發(fā)生水蒸氣凝結(jié)的換熱器的管長計算如表3所示。
表3 發(fā)生水蒸氣凝結(jié)的換熱器的管長計算
(1)天然氣鍋爐排放的煙氣中有較大含量的水蒸氣,若將煙氣溫度降低到露點溫度以下回收水蒸氣釋放的汽化潛熱,可將鍋爐效率提高10%以上。
(2)冷凝式換熱器常規(guī)段管長為4.66 m,冷凝段管長為10.94 m。
[1]車得福.冷凝式鍋爐及其系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.
[2]趙欽新,惠世恩.燃油燃氣鍋爐[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2000.
[3]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].第四版.北京:高等教育出版社,2006.
[4]E.U.施林德爾.換熱器設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.