浅谈冷凝燃气锅炉利用的低碳节能
摘 要：迈入21世纪，燃气是全世界需求增长最快的主要能源，按照国家“稳定东部、发展西部、开拓海域、西气东输”的总体规划，我国燃气产业发展已经进入一个崭新的时代。然而随着燃气的利用，对全球气候的影响巨大。全球气候变化是人类迄今面临的最重大的环境问题。近几年来我国对环境问题越来越重视，节能减排力度越来越大，天然气作为清洁能源的优点也日益突出。该文结合天然气特点及冷凝余热原理，阐述了冷凝燃气锅炉利用的低碳节能。
关键词：冷凝燃气锅炉 低碳 节能
中图分类号：TK229 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（a）-0097-01
21世纪人类面临的最严峻的挑战就是全球气候变暖，解决气候变化问题的根本措施是减少温室气体的人为排放。中国作为世界上最大的碳排放国，同时也是对世界环境高度负责任的国家，利用新型的燃气节能设备，减少温室气体的排放，发展低碳经济已经成为一种必然的选择。
天然气具有洁净、高效、储量丰富、价格稳定等特点，但天然气剩余可采储量有限，如何合理利用是首要问题。燃气作为燃料燃烧，在产生效率提供动力的同时，排放出大量的余（废）热。余（废）热的回收利用，是现代城市能源合理利用规划中不可忽视的，具有重大经济、环保效益。目前，余（废）热的利用方式很多，如冷凝燃气锅炉，它把排烟温度降低到50～70℃，充分回收了烟气中的显热和水蒸汽的凝结潜热。
1 凝结潜热概念
所谓显然是指纯物质在不发生相变和化学反应的条件下，因温度的改变而吸收或放出的热叫显热。潜热是指在温度保持不变的条件下，1kg物质在从某一个相转变为另一个相的相变过程中所吸入或放出的热量。同种物质在温度相同、方向相反的相变过程中所吸入或放出的潜热，其量值必相等，如汽化潜热总是等于凝结潜热。
锅炉燃料完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量称为燃气高热值，而水蒸气仍为蒸汽状态时所放出的热量称为燃气低热值。传统锅炉中，排烟温度一般在160～250 ℃，烟气中的水蒸汽仍处于过热状态，不可能凝结成液态的水而放出汽化潜热。锅炉热效率是以燃料低位发热值计算所得，未考虑燃料高位发热值中汽化潜热的热损失。因此传统锅炉热效率一般只能达到87%～91%。而冷凝燃气锅炉，把排烟温度降低到50～70 ℃，充分回收了烟气中的显热和水蒸汽的凝结潜热，提升了热效率，冷凝水还可以回收利用，从而节约能量。
燃料的高热值在数值上大于其低热值，差值为水蒸气的汽化潜热，燃料种类不同燃烧后水蒸气在烟气所占的比例也不同。天然气含氢元素的比例比较大，燃烧产生烟气中的水蒸气的含量就大，其汽化潜热占低位发热量10%左右。一般锅炉燃料燃烧后，排烟还具有相当高的温度，烟气中的水蒸气仍以过热的状态存在，不可能凝结成水而释放出汽化潜热，所以，通过技术手段将水蒸气中的汽化潜热利用起来将提高锅炉的燃烧效率，进而提高燃气利用效率，节省能量。
2 冷凝燃气锅炉的工作原理
排烟温度是锅炉的基本参数之一，选择较低的排烟温度可以降低锅炉的排烟损失，有利于提高锅炉的热效率。冷凝燃气锅炉通过一定的装置将锅炉燃烧后排放的热烟气（一般在140℃左右）中的能量进行回收，经回收后的排烟温度只有60℃左右，这样热效率大概提高了10%左右，自然就节约了大约10%的燃气，同时在能量回收过程中，还能够降低有害气体的排放，减少环境污染。冷凝锅炉就是利用高效的烟气冷凝余热回收装置来吸收锅炉尾部排烟中的显热和水蒸气凝结所释放的潜热，以达到提高锅炉热效率及节能的目的。
例如供暖面积约13万平方米的某小区，采用4台2吨常压锅炉一次水循环系统供暖方式，即锅炉热水直接送至散热器，散热器回水直接送回锅炉重新加热至出水温度。冷凝式余热锅炉就是指在传统锅炉系统中加装烟气余热冷凝回收装置，烟气余热冷凝回收装置被串联安装在锅炉的排烟管上，节流散热器一部分回水进入到烟气余热冷凝回收装置，利用烟气的冷凝余热量加热这部分回水至与锅炉出水一样的温度，然后与锅炉出水混合再进入系统。加装该装置前，这4台热水锅炉的排烟温度均达250 ℃以上，加装该装置后，这4台锅炉的排烟温度达80～90 ℃，流经烟气余热冷凝回收装置的锅炉回水温度由39 ℃上升到52 ℃。
3 冷凝燃气锅炉低碳节能效果分析
当无冷凝回收装置的普通锅炉燃烧天然气时，如果锅炉的热效率按燃料低热值计算为90%时，采用冷凝燃气锅炉采用冷凝式余热回收装置，将排烟温度降到30～50 ℃，其热效率则会提高到107%左右。在燃料的耗量不变的情况下，供热系统的回水越低，冷凝式余热回收装置回收的热量就越多，锅炉的热效率就越高，节能也就越多。
某市供暖共耗天然气40亿立方米。若供暖锅炉房全部安置烟气冷凝余热回收装置，可节约约3亿立方米天然气，回收约2600万立方米冷凝水，减少约3000万吨CO2排放量。并且，烟气冷凝过程中，烟气在换热壁面遇冷凝结成细小的水滴，首先成珠状凝结，继而聚成大水滴或细小水流。在这一过程中，烟气中的NOX与水反应，生成亚硝酸及硝酸水溶液，进入冷凝液中以液态形式排出，冷凝液对烟气中有害气体的净化作用一定程度上降低了污染物的排放，减少了对周围环境的污染。而烟气冷凝水经过处理后可以作为中水使用，如锅炉补水、灌溉用水、洗澡用水等，从而使冷凝水得到广泛利用。这样既能节约水资源、又能做到低碳环保。
对于冬季使用锅炉提供热能的水环式水源空调，其供热热水温度为25 ℃，采用冷凝式锅炉可比普通热水锅炉节约一定的运行费用。以100万kcal/h（418.4万千焦每小时）锅炉为例，普通锅炉天然气耗量为126.5Nm3/h（天然气低热值为35564KJ/Nm3），冷凝式锅炉天然气耗量为110Nm3/h，如果锅炉每天运转10个小时，采暖周期为100天的话，采用冷凝式锅炉每年可节约天然气为（126.5-110）×10×100=16500Nm3，以天然气价2.2元计，每年节约运行费用为16500×2.2=36300元=3.63万元。
4 结语
利用天然气网络的民用、商用城市燃气冷凝式余热系统，最容易实现全能源、全资源的优化利用。天然气成为世界各国包括中国向低碳能源过渡时期最重要的一次能源，而冷凝燃气锅炉利用体现出的低碳节能必将冷凝式燃气锅炉推向更广阔的市场。
参考文献
[1]华贲.天然气在中国向低碳能源过渡时期的关键作用[J]天然气工业，2011（1）：94-98.
[2]吴军.我国利用天然气发展分布式能源技术的探讨[J]化工技术经济，2005（4）：4-7.