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摘　要:首先介绍了热效率达到或超过100%的冷凝式锅炉的基本概念、工作原理、分类与基本型式,然后简要介绍冷凝式供热与电站锅炉及其系统,最后对冷凝式锅炉尾部特有的安全问题与预防进行探讨。

 

关键词:锅炉 烟气中水蒸气 冷凝 型式 系统

 

安全中图分类号:ＴＫ229

 

国内外冷凝式锅炉发展与应用概况冷凝式锅炉是将烟气中的水蒸气冷凝成水后,回收其汽化潜热又用于锅炉,使热效率达到或超过100%的锅炉。传统锅炉的排烟温度一般高于150℃,烟气中的水蒸气仍处于过热状态,不可能凝结成水而放出汽化潜热,有些燃料燃烧后烟气中水蒸气的热焓是很可观的,而且主要是汽化潜热,如果锅炉的排烟温度降低到足够低的水平,那么烟气中呈过热状态的水蒸气就会凝结成水,而放出汽化潜热,并把这一部分的热量仍利用于锅炉,这就是冷凝式锅炉(ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇｂｏｉｌ ｅｒ)。很显然,冷凝式锅炉在设计思想上与传统锅炉有很大的不同。由于凝结水的汽化潜热得以回收利用,又有烟气降温的显热也得以利用,锅炉热效率将大大提高,燃料消耗量大大减少,节约了能源。大量的试验结果表明,当燃用天然气燃料,其热效率提高幅度为10～15个百分点。这样一来,按低位发热量为基准来计算的锅炉热效率可以达到甚至超100%。从冷凝式锅炉的换热器中回收的烟气热量普遍用于加热锅炉补给水、室内采暖和加热工艺热水等。冷凝式锅炉首先是由西方发达国家研究应用的。20世纪70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凝时放出的汽化潜热。法国的煤气公司和液化工业公司1971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已具有一定规模。法国在1972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1984年,住宅及工业建筑供暖锅炉的35%以上使用了冷凝式锅炉;到1995年住宅供暖使用230万台、工业建筑中使用15万台冷凝式锅炉。此外,瑞士、英国、德国一些公司从20世纪70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,比欧洲晚十年左右。国外应用20～2000ｋＷ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30%～100%范围内调节,以适应热负荷变化,无需人员值守。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。但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。西安交通大学致力于冷凝式高效率锅炉的研究和开发工作,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。2　冷凝式锅炉的分类前面已述,冷凝式锅炉是将烟气中的水蒸气冷凝下来,回收利用水蒸气变为热水的汽化潜热,从而提高锅炉的热效率。所以,冷凝式锅炉都带有将烟气中的水蒸气凝结下来的换热器,称为冷凝换热器。冷凝式锅炉按冷凝换热器的型式与燃料的种类进行分类。冷凝换热器分为接触式、间壁式(非接触式)两种。燃料有天然气、油和煤三种。所以,冷凝式锅炉有接触式(燃气、燃油与燃煤)锅炉;间壁式(燃气、燃油与燃煤)锅炉;还有接触式与间壁式联合的(燃气、燃油与燃煤)锅炉。这样,冷凝式锅炉就有三大类九种及多种热功率的锅炉。不过,燃煤的冷凝式锅炉还未真正开发。3　冷凝式锅炉的基本型式冷凝式锅炉按冷凝换热器的不同可分为接触式、间壁式以及接触式和间壁式联合等三种型式。实际上主要的型式就是接触式和间壁式。(1)接触式换热器冷凝锅炉图1为法国ＧａｓｄｅＦｒａｎｃｅ公司生产的喷淋冷凝式锅炉,是接触式冷凝锅炉的代表。图1中,锅炉本体的烟气在流经喷淋室时,喷淋水阶梯式下落穿过小孔与烟气逆向流动。由于烟气和水直接接触,使烟气降温、水受热升温40～45℃,再进入锅炉,在这一冷凝传热过程中可从燃料中获得15%～20%的热量。

 

图2是陕西省能源中心吴仰天高级工程师发明设计的一种特效节能天然气锅炉,可以说是属于接触式冷凝锅炉的另一种型式。其结构特点是,燃烧器的喷头从锅炉底部沿燃烧室内壁的切线方向喷入天燃气燃烧。烟气经炉膛和对流受热面放热后流到锅炉侧上方的换热器,换热器中设有排烟口和进水管,进水管四周有多排小孔向烟气喷水,可使排烟温度降至25～75℃,锅炉的热效率可达100%以上。

 

(2)间壁式换热器冷凝锅炉间壁式换热器的换热是非接触式,换热面一般为管式或板式。图3和图4是荷兰Ｒｅｍｅｈａ公司与Ｔｒｉ ｃｅｎｔｒｏｌ公司生产的两种非接触式的冷凝式锅炉。前一种锅炉的主换热器(换热器1)采用普通铸铁锅炉的设计,但是副换热器(换热器2)采用了铝制光管和肋片管。后一种锅炉是一种独特的铸铝换热器冷凝式锅炉,热烟气在管内向上流动,而被冷凝的烟气在管外向下流动。

 

冷凝式锅炉及其系统应用简介

 

冷凝式锅炉首先并且较多的是适用于供热锅炉及其系统,以后部分应用于热电厂锅炉及其系统,目前,家用快速燃气热水器也在向冷凝式发展。由于这些系统很多,本文只对上述三个方面的应用作一简介。(1)冷凝式供热锅炉及其系统冷凝式供热锅炉及其系统主要有瑞典的Ｆａｇｅｒｓｔａ公司开发设计的间壁管壳式冷凝换热器及其系统(如图5)、美国的ＣＯＮ Ｘ热回收装置接触式冷凝回收系统(如图6)、冷凝式余热回收系统等。管壳式冷凝换热器属于间壁式,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。ＣＯＮ Ｘ热回收装置为一档板塔型属于接触式,由不锈钢制造。烟气进入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,靠重力流入辅助水箱,再与后面系统相联。

 

图7是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。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。(2)热电厂冷凝式锅炉及其系统冷凝式锅炉应用于热电厂锅炉及其系统,也有不少方案。如带接触式水加热器和空气预热器系统、开式热网的热回收系统、闭式热网的热回收系统、烟气余热回收系统等。这些系统都是利用不同的换热器,如接触型的省煤器、空气预热器等,把烟气冷却到40℃以下,烟气中的水蒸气大部分冷凝下来,放出汽化潜热,获得的热能可用于电厂内部,也可用于电厂之外,从而提高整个电厂的热效率,降低燃料消耗量。(3)家用冷凝式快速燃气热水器家用快速燃气热水器实质上也是一种热水锅炉。当前使用的普通燃气快速热水器(直排式或烟道式)的排烟温度很高,因为这一类热水器只利用了火焰及烟气的显热,烟气中大量的水蒸气的潜热未能利用。将冷凝技术应用到燃气快速热水器,可使排烟温度大幅度降低,提高了热效率节约了燃气。壁挂式冷凝天然气快速热水器已部分应用于家庭。目前,在发达国家,冷凝式快速热水器产品已占热水器总产量的15%左右。国内一些高等院校(如重庆建筑大学、山东建工学院、北京建工学院)和科研单位也对冷凝式燃气快速热水器开展了一系列的研究工作,取得了一定的成果。