燃?xì)忮仩t煙氣再循環(huán)系統(tǒng)風(fēng)道冷凝水問題的探討

1、20160912燃?xì)忮仩t煙氣再循環(huán)系統(tǒng)風(fēng)道冷凝水問題的探討Discussion on the condensation water of flue gas in the flue gas recirculation system of gas fired boiler韓 偉（天津?qū)毘蓹C(jī)械制造股份有限公司，天津300352）HAN WeiTianjin Baocheng Machinery Manufacturing Co.,Ltd. Tianjin 300352摘要： 分析燃?xì)忮仩t加裝燃燒器爐外煙氣再循環(huán)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，探討如何避免風(fēng)道內(nèi)混入煙氣造成結(jié)露和結(jié)冰問題。關(guān)鍵詞： 爐外煙氣再循環(huán)、煙氣再

2、循環(huán)率、抽取煙氣溫度、混合風(fēng)冷凝臨界點(diǎn)溫度、混合風(fēng)溫度、結(jié)露第一作者：韓偉，高級(jí)工程師，1988 年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)熱能專業(yè)，現(xiàn)任天津市寶成機(jī)械制造股份有限公司副總工程師。0. 前言3自 2014 年北京制定城市燃?xì)忮仩t NOx排放指標(biāo)至 2017 年達(dá)到 30mg/Nm的地方標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)采用燃?xì)忮仩t供暖的各大城市都緊跟其環(huán)保步伐， 不斷調(diào)低燃?xì)忮仩t的煙氣排放 NOx限值。與此同時(shí)，各 燃燒器企業(yè)也不斷推出各種 具有低 NOx技術(shù)及燃燒器產(chǎn)品來爭奪市場，在原有分級(jí)燃燒、分段配氧、爐內(nèi)煙氣再循環(huán)、 低氧燃燒等技術(shù)基礎(chǔ)上， 紛紛拿出全預(yù)混面式燃燒、爐外煙氣再循環(huán)、爐外分段送風(fēng)等新技術(shù)，其中，爐外

3、煙氣再循環(huán)被各燃燒器廠商普遍采用3和推廣，個(gè)別項(xiàng)目的試用表明燃燒器能夠降低 NOx至 30 mg/Nm。寶成也在 2012 年安裝的 70MW燃?xì)忮仩t上，通過對老型號(hào)燃燒器增加爐外煙氣再循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，也確實(shí)將NOx從 90-94 mg/Nm3 降低到了 40-54 mg/Nm3（如圖 1，奧林燃燒器測試報(bào)告），在鍋爐實(shí)際運(yùn)行60-75%負(fù)荷時(shí)環(huán)保局在線監(jiān)測數(shù)據(jù)為28.06-32.19 mg/Nm 3，降低幅度超過 40%，證明爐外煙氣再循環(huán)對NOx降低作用明顯。1 /8圖 1環(huán)保局在線監(jiān)測數(shù)據(jù)表時(shí)間SO2標(biāo)干濃 SO2折算濃NOxppmNOx標(biāo)干濃 NOx折算濃O2%煙氣溫度煙氣濕度鍋爐出

4、力度mg/m3度mg/m3度mg/m3度mg/m3%(MW)2016/3/12 0:000.0330.03513.6427.9530.23.30235.166.14846.992016/3/12 2:000.0310.03414.0928.8731.663.04135.836.38250.392016/3/12 5:000.0330.03714.0928.8932.193.29635.656.27650.332016/3/12 8:000.0340.03714.1729.0531.622.92635.446.24650.192016/3/12 11:000.0340.03712.7826.19

5、28.553.24732.565.31736.92016/3/12 12:000.0340.03712.6926.0128.063.27532.545.31537.332016/3/12 17:000.0320.03412.9426.5228.63.27532.995.45336.682016/3/12 18:000.0330.03513.0426.7328.673.38533.435.52740.322016/3/12 19:000.0330.03513.2427.1328.953.433.155.49940.842016/3/12 20:000.0340.03613.5827.8330.0

6、43.38432.955.43740.942016/3/12 21:000.030.03313.3927.4529.623.28332.855.40640.92016/3/12 22:000.0350.03813.2527.1729.243.23632.545.31240.942016/3/12 23:000.0340.03713.2327.1329.214.74632.495.29740.45但是，從 2014 至 2015 年對新老鍋爐燃燒器增加煙氣再循環(huán)的改造過程中我們也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)主要問題，那就是燃?xì)忮仩t煙氣中攜帶的大量水蒸氣進(jìn)入冷風(fēng)管道內(nèi)凝結(jié)成水或結(jié)冰的問題非常突出。 也曾有人反饋北京

7、很多進(jìn)行環(huán)保改造增加了爐外煙氣再循環(huán)的鍋爐，發(fā)生風(fēng)道結(jié)露、結(jié)冰現(xiàn)象后都停止使用煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。那么，如何更合理地改造燃?xì)忮仩t爐外煙氣再循環(huán)系統(tǒng)成為本文主要探討的課題。天然氣是非常好燒的燃料，即使是寒冬季助燃冷空氣也無需預(yù)熱，在爐膛內(nèi)點(diǎn)火即可正常穩(wěn)定的燃燒，因此，當(dāng)今的燃?xì)忮仩t很少配套空氣預(yù)熱器，普遍采用直接供冷風(fēng)助燃方式，2 /8但在應(yīng)用 爐外煙氣再循環(huán)系統(tǒng) 進(jìn)行環(huán)保改造時(shí) ，如簡單地將鍋爐尾部煙氣直接通過鼓風(fēng)機(jī)抽吸帶冷風(fēng)道內(nèi) ，常帶來前面所說的風(fēng)道結(jié)露冷凝和結(jié)冰問題。燃?xì)忮仩t的每標(biāo)方煙氣體積中含有近18%的水蒸氣，比燃煤鍋爐 （8%）的高出 10 個(gè)百分點(diǎn)，通過理論計(jì)算可知燃?xì)馍傻臒煔庵兴?/p>

8、蒸氣冷凝點(diǎn)在 57-58 ，因此，只要所取尾部煙道煙氣再循環(huán)點(diǎn)高于 58，那么每標(biāo)方煙氣中 18%的水蒸氣就會(huì)混入到冷風(fēng)中，當(dāng)混入的水蒸氣超出混合后風(fēng)溫的飽和濕度時(shí)，就會(huì)將多余的水蒸氣自然冷凝成水滴凝結(jié)在風(fēng)道內(nèi)，在寒冬季冷風(fēng)溫度足夠低時(shí)，混合后的風(fēng)溫低于冰點(diǎn)溫度，自然這些冷凝水就會(huì)在風(fēng)道內(nèi)結(jié)成冰，多了就會(huì)影響正常的供風(fēng)，尤其地下混凝土結(jié)構(gòu)風(fēng)道，前期設(shè)計(jì)時(shí)基本沒考慮風(fēng)道排水設(shè)計(jì)，當(dāng)煙氣混入后在地下風(fēng)道結(jié)露越來越多，即使不結(jié)冰時(shí)間一長水位升高也會(huì)影響供風(fēng)，造成停爐事故。因此，在設(shè)計(jì)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)時(shí)確實(shí)應(yīng)該認(rèn)真考慮和計(jì)算風(fēng)道結(jié)露、排水和結(jié)冰問題。鍋爐尾部再循環(huán)煙氣抽取點(diǎn)因煙溫、煙氣流量、冷風(fēng)溫度、風(fēng)

9、道壓力的不同會(huì)直接影響混合后的風(fēng)溫、飽和濕度，只有當(dāng)混合后風(fēng)溫超過混入煙氣和冷風(fēng)總攜帶水蒸汽量的飽和濕度溫度點(diǎn)時(shí)，風(fēng)中的水蒸氣處于未飽和狀態(tài)，因此，也就不會(huì)有冷凝水析出。增大再循環(huán)煙氣量和抽取更高煙溫點(diǎn)的煙氣都可以增高混合風(fēng)溫，但也會(huì)加大再循環(huán)風(fēng)機(jī)的工作負(fù)荷量，增大選型風(fēng)機(jī)型號(hào)和運(yùn)行電耗。另外，抽取煙氣溫度越接近煙氣中 58的冷凝點(diǎn)，煙氣中水蒸氣越接近飽和含濕量，其單位煙氣體積攜帶有最大質(zhì)量的水蒸氣，因此，選擇抽取煙點(diǎn)位也應(yīng)統(tǒng)籌考慮、計(jì)算、分析后確定。下面我們從煙氣再循環(huán)率、抽取煙氣溫度、冷風(fēng)溫度、風(fēng)道壓力四個(gè)參數(shù)詳細(xì)分析和計(jì)算不同工況下增加煙氣再循環(huán)是否有冷凝水析出。1. 再循環(huán)煙氣直接與冷

10、風(fēng)混合分析此煙氣再循環(huán)率是指從鍋爐尾部煙道抽取按照過量空氣系數(shù)1.15 、滿負(fù)荷理論熱力計(jì)算所獲得總煙氣量的百分?jǐn)?shù)。一般燃燒器根據(jù)所要達(dá)到的NOx指標(biāo)推薦煙氣再循環(huán)率在10-25%之間，讓我們計(jì)算一下不同煙氣再循環(huán)率和冷風(fēng)溫度下，煙風(fēng)混合后的理論濕度 100%臨界點(diǎn)所對應(yīng)的取煙溫度和混合風(fēng)溫，如表 1。表 1直接抽取煙氣混入冷風(fēng) -所需煙溫?zé)煔庠傺h(huán)冬季冷風(fēng)溫混合風(fēng)冷凝臨界抽取煙氣溫度 度 點(diǎn)溫度 率 %10%160.818.8215%142.6-1023.2920%131.126.3225%123.228.5810%173.8-1518.163 /815%152.522.7720%139.4

11、25.9225%130.428.2410%186.417.6915%162.222.4420%147.4-2025.6425%137.327.99從表 1 我們可以分析得出，簡單的將煙氣直接混入助燃冷風(fēng)中，進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)冷風(fēng)溫度越低，所需抽取煙氣溫度點(diǎn)越高，煙氣再循環(huán)率越高，所需抽取煙氣溫度點(diǎn)越低，所需達(dá)到的混合風(fēng)溫在不斷升高，也就是說當(dāng)混合后風(fēng)溫超過該冷凝臨界點(diǎn)溫度時(shí)，混合風(fēng)將攜帶所有水蒸汽進(jìn)入爐膛參與燃燒，自然也就不會(huì)析出冷凝水。但是，抽取123.2-186.4 這么高溫的煙氣，再循環(huán)風(fēng)機(jī)不僅需要耗費(fèi)非常高的功率，而且在鍋爐低負(fù)荷或低參數(shù)運(yùn)行時(shí)，爐體排煙溫度往往還達(dá)不到100，此時(shí)為了不在風(fēng)道

12、析出冷凝水就不能應(yīng)用煙氣再循環(huán)系統(tǒng)來降低 NOx，這會(huì)造成高負(fù)荷不節(jié)能、低負(fù)荷時(shí)不環(huán)保的問題。另外，一些燃燒器推薦將煙氣直接引入到鼓風(fēng)機(jī)入口，混合風(fēng)溫需要提高到大于風(fēng)冷凝臨界點(diǎn)，才能避免在鼓風(fēng)機(jī)葉輪和機(jī)殼內(nèi)冷凝出水，但相對 -10 -20 的冷風(fēng)，吸入近 30 的混合熱風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)的功率將增大非常多，運(yùn)行耗電量及設(shè)備投資都非常高，且存在低煙溫、低風(fēng)溫、低煙氣再循環(huán)率時(shí)的冷凝析出階段，會(huì)造成大風(fēng)機(jī)的葉輪和機(jī)殼腐蝕、燃燒器頭腐蝕的問題，設(shè)備使用壽命大打折扣，因此，該推薦方式應(yīng)只針對小型燃燒器從鍋爐間內(nèi)取風(fēng)方式，對于大型鍋爐即使采用室內(nèi)外混合取風(fēng)也應(yīng)盡量避免采用。2. 再循環(huán)煙氣直接與熱風(fēng)混合分析要想做

13、到既環(huán)保又節(jié)能， 這種增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的鍋爐應(yīng)該考慮增加熱風(fēng)系統(tǒng)來適應(yīng)，雖然增加熱風(fēng)系統(tǒng)會(huì)造成設(shè)備投資的增加，但從運(yùn)行排煙溫度降低可以更加節(jié)能、煙氣再循環(huán)不用擔(dān)心冷凝水析出、再循環(huán)風(fēng)機(jī)可以大大降低功率等出發(fā)，增設(shè)熱風(fēng)系統(tǒng)是非常明智的選擇。一般燃?xì)鉄崴仩t尾部節(jié)能器后再布置熱風(fēng)換熱裝置如空氣預(yù)熱器，可將其后溫度降低至 45-60 左右，這里我們按照抽取煙溫58計(jì)算，計(jì)算一下冷風(fēng)最低升高到多少度就可以使混合風(fēng)超過冷凝臨界點(diǎn)，如表2。表 2直接抽取低溫?zé)煔饣烊霟犸L(fēng)- 所需熱風(fēng)溫度煙氣再循環(huán)抽取煙氣溫冷風(fēng)溫度被加熱風(fēng)溫混合風(fēng)冷凝臨率%度度 界點(diǎn)溫度 10%12.7518.8215%58-1015.5

14、523.2720%17.3226.3225%18.5528.574 /810%11.8718.1615%14.822.7720%-1525.9216.6425%17.928.2410%11.2217.715%14.2222.4320%-2025.6316.0825%17.3527.98從表 2 可以看出，當(dāng)抽取煙氣溫度點(diǎn)固定時(shí)，進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)冷風(fēng)溫度越低，所需加熱風(fēng)溫微量降低，煙氣再循環(huán)率越高，所需加熱風(fēng)溫越高，熱風(fēng)溫度范圍在 11.22-18.55 ，提高溫差 22.8-37.4 ，即可避免風(fēng)道冷凝水的析出。冬季進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)的冷風(fēng)濕度非常低，基本屬于干冷風(fēng)，因煙氣側(cè)含水量非常高，在煙氣與空氣換熱時(shí)

15、存在煙氣水蒸汽冷凝相變換熱過程，尤其在煙氣冷凝點(diǎn)之下實(shí)際煙溫只降低幾度， 風(fēng)溫即可被加熱幾十度， 要獲得大于 18.55 的熱風(fēng)是非常容易，因此，對于配套煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的鍋爐應(yīng)該同時(shí)配套熱風(fēng)換熱系統(tǒng)。3. 鍋爐熱風(fēng)系統(tǒng)形式在鍋爐系統(tǒng)中要想將入爐冷風(fēng)進(jìn)行加熱， 方法還是比較多的。最普遍的是采用空氣預(yù)熱器 （如圖 2），煙空氣預(yù)空氣預(yù)煙其種類也非常多， 有板式、管式、回轉(zhuǎn)式、熱管式等，氣熱器熱器氣通過煙氣與冷風(fēng)直接進(jìn)行換熱的獨(dú)立結(jié)構(gòu)， 不僅提高了風(fēng)溫，而且降低排煙溫度提高了鍋爐效率， 但也存熱冷圖 2風(fēng)風(fēng)在換熱效率低、結(jié)構(gòu)尺寸大、耗費(fèi)材料多、防腐問題突出、成本高、煙風(fēng)側(cè)阻力高等弊端。還有一種叫做暖

16、風(fēng)機(jī)（如圖3），即用鍋爐產(chǎn)出的熱水或蒸汽通過換熱面將冷風(fēng)加熱，這種方式因水或蒸汽熱容量相比干空氣大很多，熱水或蒸汽溫度也較高，實(shí)際可按散熱器方式布置成高效換熱面結(jié)構(gòu)，如采用銅鋁高效換熱翅片管的風(fēng)機(jī)盤管受熱面，較小換熱面積的暖風(fēng)機(jī)就可將冷風(fēng)加熱至較高溫度，還具有換熱面排數(shù)少、風(fēng)阻低、安裝簡便、風(fēng)機(jī)布置靈活等冷風(fēng)優(yōu)點(diǎn)，但也存在消耗熱能、不能提高鍋爐效率的缺陷，為避免該冷水缺陷，一些熱水鍋爐項(xiàng)目將從暖風(fēng)機(jī)冷卻后的水返回到節(jié)能器進(jìn)暖風(fēng)機(jī)水口，但因暖風(fēng)機(jī)所需熱量較少，熱水鍋爐的回水量巨大，此方案對進(jìn)入節(jié)能器的總回水溫度影響很小，故排煙溫度降低有限，熱水相比空氣預(yù)熱器不能更有效提高鍋爐熱效率。 另一種叫煙

17、風(fēng)熱交熱圖 3風(fēng)換裝置，是結(jié)合了空氣預(yù)熱器和暖風(fēng)機(jī)的各自優(yōu)點(diǎn)新發(fā)展出的一種熱風(fēng)加熱形式（如圖4）。該設(shè)備采用煙風(fēng)換熱的獨(dú)立結(jié)構(gòu)，由煙氣熱交換器、空氣熱交換5 /8器、循環(huán)泵、循環(huán)管道組成， 原理是布置在煙道的煙氣熱交換器將循環(huán)介質(zhì)加熱，通過循環(huán)泵將被加熱的介質(zhì)輸送到布置在風(fēng)道煙煙氣熱氣交換器的空氣熱交換器內(nèi)， 利用循環(huán)介質(zhì)將冷風(fēng)加熱， 被冷卻的介質(zhì)再返回到煙氣熱交換器，循環(huán)往復(fù)將煙氣中的余熱轉(zhuǎn)移到冷風(fēng)中，循環(huán)泵達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡， 獲得穩(wěn)定的熱風(fēng)溫度和排煙溫度。 這里轉(zhuǎn)移煙氣余熱類似空氣預(yù)熱器， 介質(zhì)與冷風(fēng)換熱又類似暖風(fēng)機(jī)， 煙風(fēng)熱空氣熱熱交換器都可采用高效翅片管結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)換熱， 這樣既能有效降

18、風(fēng)交換器低排煙溫度、 提高鍋爐效率， 又能減小設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸、 便于風(fēng)機(jī)布置、煙風(fēng)阻力較低的特點(diǎn)， 從計(jì)算可知該形式煙風(fēng)阻力只是空圖 4氣預(yù)熱器形式的一半，相比空氣預(yù)熱器優(yōu)勢非常明顯。另外，從設(shè)備防腐材料方面分析，只需煙氣側(cè)熱交換器采用耐腐蝕材料，風(fēng)側(cè)熱交換器可采用價(jià)格低廉、換熱效率又高的銅鋁翅片管材料，設(shè)備成本相比空氣預(yù)熱器也有較大優(yōu)勢?？紤]在停爐或啟爐初期未投用前，空氣熱交換器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)可能低溫結(jié)凍，建議應(yīng)用防凍液作為循環(huán)介質(zhì)，類似汽車散熱器的工作原理，因此，建議在采用熱風(fēng)系統(tǒng)的鍋爐上應(yīng)更優(yōu)先采用第三種方式。4. 深度節(jié)能鍋爐煙氣再循環(huán)分析煙氣冷風(fēng)現(xiàn)代燃?xì)鉄崴仩t不斷追求節(jié)能環(huán)保，很多深度節(jié)

19、能的產(chǎn)品排煙溫度降到了35以內(nèi)，像北京新上的大型燃?xì)鉄崴仩t配套了熱泵低溫?zé)煔鉄崮芑厥昭b置，排煙溫度可降低至15左右，那么，遇到這種深度節(jié)能鍋爐配套煙氣再循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，是否可以將低溫?zé)煔庖肜滹L(fēng)中呢？我們還來通過理論計(jì)算進(jìn)行分析。對應(yīng)不同可燃?xì)怏w成分理論計(jì)算可以得到不同煙氣的冷凝點(diǎn)、不同溫度的冷凝率、冷凝水質(zhì)量，暫按某項(xiàng)目天然氣參數(shù)計(jì)算所得冷凝率（表 3）來進(jìn)行以下分析計(jì)算。表 3冷凝率計(jì)算煙氣溫度對應(yīng)水蒸氣飽和壓冷凝的水蒸氣容積冷凝水質(zhì)量冷凝率力 Pa333m/mkg/m55156940.1550.1920.0850123040.6150.7650.314595600.9591.1940.48

20、4073581.2201.5180.613556101.4171.7640.713042321.5671.9500.782531601.6812.0920.842023311.7672.1990.88根據(jù)表 3 可知，隨著煙氣溫度低于冷凝點(diǎn)，會(huì)不斷析出冷凝水，其冷凝率在不斷升高，相反煙氣中飽和含水量在不斷降低，當(dāng)煙氣溫度降到20時(shí)，煙氣中只有原含水量的12%，6 /8因此，如果抽取該位置的低溫?zé)煔膺M(jìn)行再循環(huán)，是否對熱風(fēng)溫度要求會(huì)更低呢？下面我們對不同煙氣溫度再循環(huán)時(shí)混合風(fēng)冷凝臨界點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，如表 4。表 4 直接抽取冷凝點(diǎn)以下煙氣混入熱風(fēng)-所需熱風(fēng)溫度抽取煙氣溫度抽取煙氣溫度504540353

21、05045403530煙氣再循環(huán)率 %10%冷風(fēng)溫度 -10-20被加熱風(fēng)溫度 11.99.427.635.42.69.187.545.52.95-0.35混合風(fēng)冷凝臨界點(diǎn)溫16.0314.0311.769.13614.7212.5610.067.133.55度 煙氣再循環(huán)率 %15%冷風(fēng)溫度 -10-20被加熱風(fēng)溫度 13.8612.410.578.235.1512.410.838.826.22.7混合風(fēng)冷凝臨界點(diǎn)溫20.318.1315.6812.829.3619.3217.0414.4111.297.46度 煙氣再循環(huán)率 %20%冷風(fēng)溫度 -10-20被加熱風(fēng)溫度 15.814.4312

22、.6210.226.9814.481311.058.424.8混合風(fēng)冷凝臨界點(diǎn)溫23.2220.9818.4115.411.7322.4220.0717.3714.1510.16度 煙氣再循環(huán)率 %25%冷風(fēng)溫度 -10-20被加熱風(fēng)溫度 17.2315.9314.1611.738.3915.9814.612.710.076.38混合風(fēng)冷凝臨界點(diǎn)溫25.4123.120.4617.3313.5324.7222.3219.5516.2512.16度 分析表 4 可知，隨著排煙溫度降低至煙氣冷凝點(diǎn)以下后，抽取再循環(huán)煙氣溫度越低，與風(fēng)混合后所需不析出冷凝水的臨界點(diǎn)溫度越低；煙氣再循環(huán)率越高，該臨界點(diǎn)

23、溫度越高；冷風(fēng)溫度越低，該臨界點(diǎn)溫度越低；混合前冷風(fēng)所需被加熱的溫差在 12.6-26.4 之間，相比煙氣冷凝點(diǎn)（ 58）之上冷風(fēng)需加熱溫差降低了 10多，即使這樣也證明直接與冷風(fēng)混合肯定會(huì)在風(fēng)道內(nèi)析出冷凝水。那么冷凝水會(huì)不會(huì)在風(fēng)道內(nèi)結(jié)冰呢？，計(jì)算如表5。表 5直接抽取冷凝點(diǎn)以下低溫?zé)煔饣烊肜滹L(fēng)-結(jié)冰條件抽取煙氣溫度抽取煙氣溫度575045403530575045403530煙氣再循環(huán)率 %10%冷風(fēng)溫度 -10-20混合風(fēng)溫度-1.04-2.12-2.88-3.61-4.38-5.03-9.35-10.5-11.3-12.1-12.8-13.6煙氣再循環(huán)率 %15%冷風(fēng)溫度 -10-20混合風(fēng)溫度2.150.69-0.32-1.32-2.29-3.24-5.59-7.12-8.2-9.24-