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摘要：以煤炭作为主要燃料的工业锅炉仍占据着主导地位。随着天然气工业的迅速发展，以此种清洁能源为燃料的锅炉将会逐渐增多。与燃煤相比，燃烧天然气排放的二氧化硫及氮氧化物的含量很少，减轻了对环境的压力，但燃烧产生的大量水蒸气随高温烟气排放到环境中，造成了能量的严重浪费。而采用冷凝式锅炉将高温烟气中的显热和潜热予以回收，可以达到充分利用能源降低运行成本的效果。
关键词：燃气锅炉；排烟；余热回收
一、烟气的特性分析
天然气成分绝大部分为烃，燃气锅炉排烟中水蒸气的含量较高，分析表明，排烟中可利用的热能中，水蒸气的汽化潜热所占的份额相当大。每1m3天然气燃烧后可以产生1.55 kg水蒸气，具有可观的汽化潜热，大约为3 700 kJ/Nm3，占天然气的低位发热量的10%以上。传统锅炉中，排烟温度一般在160～250℃，烟气中的水蒸气仍处于过热状态，不可能凝结成液态的水而放出汽化潜热。因此传统的天然气锅炉理论热效率一般只能达到95%左右，利用冷凝式换热器只要把烟气温度降到烟气露点温度以下，就可回收烟气中的显热和水蒸气的凝结潜热，按低位发热量为基准计算，天然气锅炉热效率可达到和超过110%。本文以纯天然气为例对烟气的露点温度以及锅炉理论热效率进行计算分析，表1为纯天然气的成分。
通过观察可知，烟气露点温度随过量空气系数的变化而变化。因为根据道尔顿分压定律，露点温度的高低与烟道中水蒸气的分压量（即水蒸气的含量）成正比，随着过量空气系数的增加，烟道中水蒸气的相对体积减小，水蒸气的容积份额会有所下降，其露点温度也随之降低。实际上，虽然各地方天然气中成分含量有所不同，但由于其主要成分均为甲烷且占绝大部分，其他成分影响很小，经计算的露点温度误差不超过0.3%（符合实际要求的范围），并且由于实际燃烧的影响因素较多，也使得计算不可能达到很精确，通常是在理论值附近的一个范围内波动，在实际应用中还需根据不同情况进行修正分析。
2.热效率分析
烟气中的热量以显热和潜热两种形式存在，因此锅炉的热损失也由烟气的显热损失和潜热损失组成。而显热损失取决于烟气的温度和烟气组分的热容量；潜热损失则取决于烟气中以水蒸气形态存在的水量的多少。当水蒸气冷凝时，烟气中存在复杂的现象：由于水蒸气分压力较低，并且在冷凝液膜附近主要是不凝气体，如Nx、CO2、O2等，烟气中水蒸气需要穿过不凝气体层才能达到液膜表面发生冷凝。烟气中水蒸气冷凝率等于由单位体积天然气燃烧生成烟气所产生的凝结水量与燃烧所生产的水蒸气量的比值，其中，燃烧所产生的水蒸气包括天然气燃烧生成的水蒸气及空气和燃气所带入的水蒸气。根据能量守恒来进行换热效率的计算：
其中：Q为燃气的低位发热量；Ha为空气在进口端的焓；Hg为燃气在进口端的焓；Hf为排烟焓；Φ为水蒸气的凝结率；ρh为标准状况下水蒸气的密度；r为气化潜热；Vh为标准状况下烟道中的水蒸气体积。
Q +H a +H g +<="" p="">η=Q
仅烟气中的潜热就对锅炉的热效率影响如此巨大，倘若能将排烟温度降低到露点以下对潜热加以回收利用，对以低位发热量为基准进行计算的热效率至少可提高到10%以上。并且随着排烟温度的降低，烟气的显热损失也会相对减小，那么热效率的提高将更为明显，进一步证明降低排烟温度对锅炉效率提高的重要意义。
进一步计算可以得出在不同排烟温度下锅炉实际热效率的变化趋势。锅炉效率随着排烟温度的变化分为2个比较明显的区域：在60～180℃变化缓慢，而在20～60℃变化较大。这主要是因为排烟损失中水蒸气潜热损失占的比例大于烟气显热的结果。当锅炉排烟温度降到20℃时，锅炉效率理论上可达107.4%。
排烟中的水蒸气潜热在57℃以下才能得以回收，能够回收的热量依赖于所要求的利用温度和利用率。如果利用温度接近排烟的露点温度，仅能回收较少的热量。利用温度越低，回收的热量越多。因此，低温下余热冷水可获得高的回收率，而在较高的温度下输出热能会降至可以回收的能量数量。
二、燃气锅炉余热回收控制工艺
回收燃气锅炉余热具有重要意义，其不仅能够提高天然气利用率，而且还能使锅炉效率得以显著提高。因此，人们越来越重视燃气锅炉余热回收控制工艺研究，尤其将计算机技术应用在燃气锅炉余热回收控制工艺中，在提高控制效率的同时，大大降低了人工成本。燃气锅炉余热回收工艺具体流程如下：
首先，利用翅片管换热技术（后置冷凝器）将烟气余热预热即将进入除氧器的软水，使其达到预热的温度，降低烟气温度至60℃～70℃范围内，采用一次网的回水的换热，二次网回水温度的热量交换，供热站内补水系统的预热，冷凝水回收等多级换热降温工艺，获得的热水用作采暖热水或加热锅炉的原水，甚至送至锅炉进行加热处理。其次，气体燃料通常燃烧后不含灰，但仍存在部分未燃尽的炭黑和酸性气体、渣尘，因此当水和烟气直接接触后会呈一定的酸性而且有些许杂质生成，造成出水品质下降不能直接使用，并且有一定的腐蚀性，因此，需使用专门的水处理设施实现对烟气中杂质的吸收；所以直接接触喷淋换热技术，将剩余烟气的潜热及显热吸收方案可以考虑，但不作为主流推荐方向。
在整个燃气锅炉余热回收过程中，为达到预期的回收目标，采用专门的控制技术对回收过程进行人为的控制，最大限度的将预热回收再次利用，有效的避免了余热的浪费。
三、计算机控制技术的作用分析
燃气锅炉烟气余热回收过程中，影响回收质量与效率的因素很多，如回收设备、回收工艺以及控制技术等，其中控制技术发挥着极其重要的作用，主要表现在以下几个方面：首先，选择能直接反映生产过程且易于测量的排烟温度作为被控参数。通过自控系统的PID控制指令，应对来自外界的各种扰动，一般通过控制现场执行设备如变频器、电动调节阀，就能实现控制对象值保持稳定的目的。其次，对于较大的扰动因素，可以通过计算机控制系统对设备的投用加以控制，以确保整个回收工艺的正常、稳定运行。最后，计算机技术的应用提高了企业信息化水平，有效克服了传统燃气锅炉烟气余热回收效率低下的弊端，为降低燃气锅炉运营成本奠定了坚实的基础。总之，计算机技术在锅炉烟气余热回收中的应用，为自动化控制的实现提供了可能，目前很多自动化技术均基于计算机技术，因此，企业应根据锅炉烟气余热回收实际，实现控制技术与计算机技术，将来甚至与大数据技术的融合，对不同回收环节进行自动化控制，进一步提高锅炉余热回收效率。
结语
燃气锅炉烟气余热回收对缓解日益紧张的能源需求具有重要价值，我国虽能源丰富，但能源的利用率较低，能源应用过程中对环境带来的负面影响较大。因此，国家相关部门应认真分析我国燃气锅炉烟气回收存在的问题，积极运用计算机技术，实现余热回收装置的自动化控制，并引进先进的余热回收工艺，为提高燃气锅炉烟气余热回收效率创造良好条件，为我国经济的可持续发做出应有贡献。
论文作者:唐贤文
论文发表刊物:《基层建设》2017年第28期
论文发表时间:2017/12/31
标签：烟气论文; 余热论文; 潜热论文; 水蒸气论文; 温度论文; 锅炉论文; 排烟论文; 《基层建设》2017年第28期论文;