1、第 31 卷 ， 总第 178 期2013 年 3 月 ， 第 2 期 节 能 技 术 ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYVol. 31， Sum. No. 178March. 2013， No. 2过量空气系数对燃气锅炉余热回收效率的影响分析王政伟 ， 韩三飞 ， 张争光( 常州大学 石油工程学院 ， 江苏 常州 213016)摘 要 : 分析了天然气锅炉的烟气成分 、换热机理 。用热力学理论和燃烧理论对天然气烟气的饱和含湿量 、露点温度 、水蒸气的冷凝率和天然气的热利用率进行了理论分析和计算 ， 并给出了关系图 。结合算例 ， 对燃气锅炉在不同排烟温度和过量空气系
2、数下的烟气余热回收节能潜力进行了理论计算 ， 可供实际工程参考 。关键词 : 燃气锅炉 ; 显热 ; 潜热 ; 冷凝率 ; 热效率 ; 过量空气系数中图分类号 : TK2298， TK11+5 文献标识码 : A 文章编号 : 1002 6339 ( 2013) 02 0123 04Impact Analysis of the Excess Air Ratio onGas fired Boiler Waste Heat Recovery EfficiencyWANG Zheng wei， HAN San fei， ZHANG Zheng guang( Petroleum Engineering
3、 College of Changzhou University， Changzhou 213016， China)Abstract: The composition of the flue gas of the nature gas fired boilers and the heat transfer mechanismwere analyzed According to the combustion theory and thermodynamics theory， analysis was made on thehumidity， dew point， vapor condensati
4、on ratio， and the total heat using ratio of natural gas The cal-culating methods and equations for these parameters were derived and the corresponding calculating re-sults were given in patterns of figures Energy saving potential of waste heat recovery for gas fired boilerin different flue gas tempe
5、rature and excess air coefficient were calculated with calculation example，which can be used as the base for actual engineering designKey words: gas fired boiler; sensible heat; latent heat; condensation ratio; thermal efficiency; excess aircoefficient收稿日期 2012 09 11 修订稿日期 2012 11 15作者简介 : 王政伟 ( 196
6、1 ) ， 男 ， 教授 ， 主要从事热能利用和节能技术研究 。据国土资源部 2012 年 2 月 23 日发布的报告称 ， 2011 年中国天然气产量继续增加 ， 首次突破1 000 108m3， 为 1 011 15 108m3， 同比增长7. 3%。随着社会经济的发展和环保要求的提高 ， 在世界能源优质化进程中 ， 天然气在能源结构中占有越来越重要的位置 1 3。与燃煤锅炉和燃油锅炉相比较 ， 燃气锅炉具有高效 、环境污染小等特点 ， 将是锅炉能源利用的发展趋势 ， 如何高效利用天然气将成为能源领域关注的热点 。各种化石燃料中 ， 天然气中氢的含量最高 ， 其质量百分数约为 20% 25
7、%， 因此 ， 天然气锅炉的烟气中含有大量水蒸气 ， 一般为 15% 19%， 排烟热损失是燃气锅炉的主要热损失 ， 它决定于排烟温度 ，排烟量和烟气成分等 4 5。燃气热水锅炉一般排烟温度为 140 220， 此温度下烟气中水蒸气不能凝结释放潜热 ， 如果排烟温度降到水蒸气露点温度以321下 ， 则可充分回收烟气中的显热和潜热 ， 经济效益显著 。对一定的燃料 ， 过量空气系数影响着排烟量和烟气的露点温度 ， 进而影响着余热回收的效率 。近年来 ， 冷凝余热回收技术是研究锅炉节能技术的重点之一 6 81 过量空气系数对烟气露点的影响11 燃料燃烧分析文章以陕北天然气为例 ， 通过分析其可燃成
8、分的燃烧反应方程 ， 计算出 1 Nm3天然气完全燃烧所需要的理论空气需求量和理论排烟量 ， 求出其烟气的焓温表 ， 进而计算出其烟气的余热利用空间 。表1 为陕北天然气的组成成份 。表 1 陕北天然气组分Tab1 Components of the natural gas in North Shanxi成分CH4C2H6C3H8C4H10H2N2CO2体积分数 / % 9632 06 008 001 004 072 223从表 1 可以看到 ， 陕北天然气成分中以 CH4成分为主 ， 其他碳氢化合物很少 ， 氮化物更少 ， 且不含硫化物 。所以 ， 燃烧产物中不含硫氧化物 ， 烟气凝结物中的
9、酸性较低 ， 主要来自 CO2和 NOx所形成的酸性物质 ， 因此 ， 排放到环境中的酸性气体大为减少 ，有利于环保 。表 1 中陕北天然气组成可分为可燃成分和不可燃成分 ， 其中 ， 可燃成分有碳氢化合物 ( 通式表示为CmHn) 和 H2。陕北天然气主要可燃成分完全燃烧的化学反应方程式为CmHn+ ( m +n4) O2= mCO2+n2H2O +H ( 1)H2+05O2= H2O ( 2)由表 1 中数据可计算出 1 Nm3干燃气完全燃烧所需的氧气 ， 再根据空气中氧气的体积分数即可求出 1 Nm3干燃气完全燃烧所需要的空气量即理论空气量 9。当只供给理论空气量时 ， 燃气完全燃烧后产
10、生的烟气量称为理论烟气量 。理论烟气由 CO2， H2O，N2组成 ， 但是在实际的燃烧过程中 ， 过量空气系数是大于 1 的 ， 因此 ， 实际烟气中除了理论烟气外还应包括过剩空气中的 O2。实际燃烧过程中不可避免的会存在燃烧不完全的情况 ， 这样在实际烟气中会含有少量 CO， 实际天然气组分除了表 1 组分外也含有微量 H2S， 为了简化理论分析 ， 这些影响在以下理论计算过程中都忽略不计 。12 烟气露点的分析计算在水蒸气分压力不变的情况下 ， 使空气冷却至饱和湿蒸汽状态时 ， 将析出水滴 ， 这时的温度称为露点温度 。烟气中水蒸气的体积分数是影响露点温度的主要因素 ， 烟气中的水蒸气有
11、两个方面的来源 ， 一是燃料中的 H 元素参与反应后生成的水蒸气 ， 另一个是空气中自身带有的水蒸气 ， 而空气中的水蒸气含量随地区不同和天气变化各不相同 ， 实际计算时需要实地测量 10。当过剩空气系数为 1 0， 1 1，1. 2， 13 时 ， 由化学式 ( 1) 和式 ( 2) 分别计算出不同过量空气系数条件下烟气中水蒸气的体积分数 ， 用Origin75 拟合出不同过量空气系数下空气含湿量对烟气中水蒸气体积分数的影响见图 1。图 1 空气含湿量对烟气中水蒸气体积分数的影响Fig 1 The influence of the air humidity to the water va-p
12、ors volume fraction in flue gas以下的理论计算中均取空气中水蒸气的含量为10 g/m3， 根据水蒸气的热力性质 ， 烟气露点随过量空气系数的变化而变化 ， 由文献 11 方法计算其关系见图 2。图 2 过量空气系数对烟气露点的影响Fig2 The influence of the excess air coefficient to thedew point of flue gas由图 2 可看出 ， 烟气的露点是随着过量空气系数的变化而改变的 。因为随着过量空气系数的增421加 ， 烟气中水蒸气的相对体积减小 ， 其露点温度也随之降低 。但是 ， 实际上虽然各个地
13、方所产的天然气中成分含量不同 ， 但是主要成分均为甲烷 ， 其他成分影响甚小 。通常是在理论值附近波动 ， 实际应用中可根据实际情况进行修正 。2 过量空气系数对烟气余热回收效率的影响21 烟气冷凝热回收分析目前锅炉热效率均以低位发热值为基准计算 ，尽管名义上热效率较高 ， 但是 ， 天然气的高位发热量比低位发热量高 10% 左右 12， 大约 10% 的热量由水蒸气携带的潜热带走 。锅炉热损失主要指排烟损失 ， 而排烟损失中包括显热损失和潜热损失 ， 以下分别计算锅炉排烟热损失中的显热损失和潜热损失 。211 显热计算生成烟气包含显热按下式计算 8。Q显= ( CN2VN2+ CH2OVH2
14、O+ CO2VO2+ CCO2VCO2) T( 3)式中 Q显对应温度下 1 Nm3干燃气产生的烟气的焓 /kJ;CN2， CH2O， CO2， CCO2氮气 ， 水蒸气 ， 氧气 ，二氧化碳的定压比热容 /kJm3K1;VN2， VH2O， VO2， VCO21 N m3天然气产生烟气中氮气 ， 水蒸气 ， 氧气 ， 二氧化碳的体积 /m3。不同过量空气系数下 ， 排烟温度降到不同温度时 ， 相对于排烟温度为 150时 1 Nm3天然气产生烟气显热回收量由公式 ( 3) 计算结果见图 3。图 3 可回收的显热与排烟温度的关系Fig 3 The relationship between the
15、 sensible heat which isrecyclable and the exhaust temperature212 冷凝率烟气中冷凝的水蒸气占烟气中水蒸气的总的质量分数称为冷凝率 ， 水蒸气冷凝率计算公式为 13 =VH2OpspyVyVH2O( 1 pspy)( 4)式中 ps对应温度水蒸气饱和压力 /Pa;py烟气压力 /Pa;VH2O烟气中水蒸气的体积 /m3;Vy烟气体积 /m3。不同过量空气系数下各个排烟温度对应的水蒸气冷凝率根据公式 ( 4) 的计算结果见图 4。图 4 排烟温度对烟气中水蒸气冷凝率的影响Fig 4 The influence of the exhau
16、st temperature to thewater vapors condensation ratio in flue gas213 潜热计算烟气的冷凝过程是一个变化的过程 ， 即靠近换热器壁面的水蒸气先冷凝 ， 但此时冷凝下来的水蒸气随即又被烟气蒸发带走 ， 随着烟气温度的进一步降低 ， 最后烟气的主流区发生冷凝 。这个过程是一个相当复杂的过程 ， 为了简化计算 ， 本文在计算过程中以出口烟气的主流温度为基准计算冷凝潜热 14，烟气中水蒸气潜热按下式计算 :Q潜=mH2OrH2O( 5)式中 Q潜水蒸气冷凝释放潜热 /kJ;相应温度下烟气中水蒸气的冷凝率 / %;mH2O烟气中水蒸气的质量
17、 /kg;rH2O水蒸气汽化潜热 /kJkg1。通过计算 ， 在不同过量空气系数下 ， 排烟温度降到露点温度以下不同温度时 1 Nm3天然气充分燃烧后产生的烟气潜热回收量见图 5。由以上计算结果可知 ， 当排烟温度降到露点温度以上时 ， 余热回收热量主要为显热 ， 当排烟温度降低露点温度以下时 ， 余热中的潜热所占的比例逐渐增大 。随着排烟温度的降低 ， 潜热回收量占总回收热量的比重逐渐增大 ， 最后趋于稳定 。如果烟气进521图 5 可回收的潜热与排烟温度的关系Fig5 The relationship between the latent heatwhich is recyclable a
18、nd the exhaust temperature一步降低温度冷凝 ， 相对于显热回收没有明显的优势 。因为 ， 此时烟气中水蒸汽的份额已经很小 ， 冷凝的难度越来越大 ， 同时 ， 尾部对流受热面积相应增加 ， 设备投资成本越大 。因此 ， 在选择锅炉排烟温度时 ， 既要考虑锅炉热效率 ， 还需要考虑投资成本和回收期等因素 。22 锅炉热效率分析计算在燃气锅炉的热损失中 ， 主要是排烟热损失 ， 烟气中的热量主要有显热和潜热 ， 因此锅炉的热损失也由显热损失和潜热损失组成 。根据能量守恒计算热效率 15: =Q + Ha+ Hg+Vhhr HfQ( 7)式中 Q天然气的低位发热值 /kJm
19、3;Ha空气在进口端的焓 /kJm3;Hg天然气在进口端的焓 /kJm3;水蒸气冷凝率 / %;Vh标准状况下烟气中水蒸气的体积 /m3m3;h标准状况下水蒸气密度 /kgm3;r汽化潜热 /kJkg1;Hf排烟焓 /kJm3。通过计算 ， 可以得出在不同排烟温度下 ， 锅炉的热效率随过量空气系数的变化趋势如图 6 所示 。由图 6 可以看出 ， 天然气锅炉热效率随着排烟温度的变化分为两个比较明显的区域 ， 这两个区间的分界点就是烟气的露点 。在高温区间 ， 锅炉效率提高得较缓慢 ， 而在低温区间 ， 锅炉效率提高得较快 ， 主要是因为在低温区间可以利用烟气中水蒸气携带的潜热 ， 而锅炉排烟损
20、失中水蒸气潜热损失所占的比重大于显热 。当排烟温度降到 20时 ， 锅炉热效率理论上可达 1092%。图 6 各排烟温度下锅炉的热效率Fig 6 Boiler efficiency under different exhausttemperature3 结论( 1) 烟气中水蒸气的体积分数主要由燃料中氢的含量决定 ， 同时空气含湿量和过量空气系数对其也有影响 ， 燃料中氢含量越高 ， 空气含湿量越大 ， 烟气中水蒸气的体积分数就越大 ， 过量空气系数越大 ，烟气中水蒸气的体积分数就越小 。( 2) 天然气锅炉烟气露点温度一般在 50 到60之间 ， 其主要取决于烟气中水蒸气的体积分数 。烟气中
21、水蒸气的体积分数越高 ， 烟气露点就越高 ， 烟气中的水蒸气越容易冷凝 。( 3) 经余热回收以后 ， 锅炉热效率的转折点就是烟气露点 ， 当排烟温度降到烟气露点温度以下时 ，通过冷凝式余热回收设备可以回收烟气中水蒸气的汽化潜热 ， 回收效率明显提高 ， 当排烟温度降到20时 ， 锅炉的热效率提高到 109%左右 。( 4) 选择过量空气系数时 ， 既要保证进入锅炉的燃料能够尽可能地完全燃烧 ， 又要考虑锅炉的热效率 ; 降低锅炉排烟温度时 ， 除了考虑通过余热回收可提高的锅炉效率外 ， 还要考虑投资成本和回收期等因素 。参考文献 1 L Jia， X F Peng， J D Sun， et
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