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冷凝壁掛爐淺析

2018-07-17  來自: 大連渤爾科技有限公司 瀏覽次數:901

冷凝壁掛爐淺析

我國的冷凝壁掛爐分為大氣式燃燒和全預混燃燒兩種形式。

1.采用大氣式燃燒方式的冷凝壁掛爐是通過兩個換熱器充分吸收燃氣燃燒產物----煙氣中的顯熱及水蒸氣的潛熱。

2. 采用全預混式燃燒方式的冷凝壁掛爐是事先將空氣和燃氣充分配比以后再進行燃燒,它是有別于普通壁掛爐的一種全新的燃燒方式。

燃氣的熱值是指1Nm3燃氣完全燃燒所放出的熱量。熱值分為高熱值和低熱值,高熱值指1Nm3燃氣完全燃燒后,其煙氣全部被冷卻至原始溫度,而其中的水蒸氣以凝結狀態排出時所放出的熱量;低熱值指1Nm3燃氣完全燃燒后,其煙氣全部冷卻至原始溫度,而其中的水蒸氣扔為蒸汽狀態排出時所放出的熱量。

由此可見,燃氣的高熱值與低熱值之差就是水蒸氣的汽化潛熱。以天然氣為例,天然氣的主要成分為CH4,CH4的燃燒化學反應式為:

CH4+2O2=CO2+2H2O+H

由上式可見,在近似假定各種氣體的Kmol容積相等的前提下,每燃燒1Nm3CH4可以得到2 Nm3水蒸氣,同時放出一定熱量△H

2Nm3水蒸氣凝結放出的潛熱3.96×103KJ/N m3.

CH4的高熱值Hh=39842kJ/N m3;低熱值H1=35906kJ/N m3

氣化潛熱低熱值的百分比=3.96×103/35906)×100=11

也就是說,當該燃氣燃燒提供100kw的顯熱時,同時也提供了11kw的潛熱。冷凝式燃氣壁掛爐就是要將煙氣溫度冷卻到露點溫度40-45,回收這部分潛熱,同時也獲得煙氣中的大部分顯熱。從而大大的提高了熱效率,一般可提高10-15以上,按低熱值計算的熱效率可能超過100.

一.什么叫冷凝?它是個什么概念?

答:初中物理中我們都學過,運用物理方法,使液態物質變成氣態物質的過程叫做升華,而使氣態物質變成液態物質的過程叫冷凝,升華需要吸熱而冷凝則會放熱。

我們知道天然氣的成分主要是甲烷(CH4)。丙烷(C3H8)、乙烷(C3H8)、氫氣(H2)、一氧化碳(CO)。這些物質在燃燒時會和空氣中的氧氣(O2)發生化學反應,如下:

H2+0.5O2=H2O

CO+ 0.5O2= CO2

CH4+2O2=2H2O+ CO2

C3H8+5 O2=4 H2O+3 CO2

C4H10+6 O2=5 H2O+4 CO2

由此可以看出燃氣與氧氣發生燃燒反應后生成了不同量的水和不同量的二氧化碳(如果空氣供應不足便生成一氧化碳,即所謂的有毒氣體煤氣),同時釋放出光和熱。在普通鍋爐燃燒后煙氣中的水是以高溫氣體排出的,人們用肉眼是看不見的,并帶走了大量的熱量。如果降低煙氣溫度至水蒸氣的露點溫度,水蒸氣就會變成可以看到的小水珠,我們把這個過程叫做冷凝過程。就好像夏天我們看不到呼出的蒸汽而冬天則能看到呼出的白色氣體一樣。因為冬天天氣冷,我們呼出的水蒸氣遇冷空氣變成了小水珠,經科學家研究證實,1g100℃的水蒸氣冷凝成100℃的水可釋放2255j(焦耳)的熱量,冷凝壁掛爐則是運用了這部分能量以提高自身的熱效率。

二.冷凝壁掛爐節能主要體現在冷凝方面嗎?

答:冷凝其實只占了冷凝壁掛爐能量的30%左右,還有70%體現在其它方面。

1)超低的煙氣溫度;因為要達到冷凝效果使煙氣中的水蒸氣變成水就要降低排煙溫度,是其達到水蒸氣的露點(55℃)溫度,這樣就大大降低了熱量的損失(注:普通壁掛爐排煙溫度在110-200℃左右,冷凝機在30-50℃之間)。這部分能量大概占到節能的30%左右。

2)采用全預混式燃燒;顧名思義,就是事先將空氣和燃氣充分配比以后再進行燃燒,這種燃燒是燃氣具燃燒界中最頂級的一種燃燒方式,具體是燃燒速度快、火焰短,甚至無火焰、火焰溫度高、燃燒充分、以及空氣過剩系數小(即煙氣排放量小,空氣過剩系數是指1立方米的燃氣燃燒所需要的空氣量和實際供給的空氣量的一個比值)。即:

空氣過剩系數=實際空氣供給量/1m3燃氣燃燒所需要的空氣量

燃氣燃燒是為了燃燒更加充分,實際空氣供給量要大于所需要的空氣量,如果供給量不足會造成燃燒不充分,浪費燃氣。如果供給量過大,排煙量同時也會隨之增大,進而帶走大量的熱量,也會造成浪費。所以實際表明空氣過剩系數在1.05-1.1之間最為合理。全預混式燃燒的空氣量可以自動調節,則可以控制在此范圍內,為普通壁掛爐由于風量不能自動調節,所以在小火時空氣過剩系數大,大致在1.8-2.0左右,而大火時可能會過小,從而產生黃色火焰,生成一氧化碳(CO)造成不完全燃燒,浪費燃氣,這部分大概可能占節能總量的20%左右。

    1)冷凝壁掛爐在設計時,一般采用全封閉燃燒,燃燒火焰周圍全是熱交換器,從而有效的降低了爐體自身的熱量。而普通壁掛爐只有火焰上方有主熱交換器,周圍會造成熱量損失。這部分大致可能占節能的20%左右。

三.為什么冷凝壁掛爐的熱效率會超過100%?

答:人們都知道一般器具的熱效率都不會大于100%,為何冷凝壁掛爐的熱效率能達到107%甚至110%呢?這是因為燃氣燃燒界中有兩個熱值的緣故,即低熱值和高熱值。要了解低熱值和高熱值,就必須知道什么叫潛熱,什么叫顯熱。顯熱是指燃氣燃燒時煙氣中的水蒸氣以氣態的形式排出時所直接釋放出來的熱量。而潛熱則是指冷凝過程中蒸汽以氣態化為液態所釋放的冷凝熱量。因此,低熱值=顯熱、高熱值=顯熱+潛熱。而且目前國內外燃氣具行業均采用低熱值來標識。比如熱效率為90%的普通壁掛爐其高熱值大約為80%左右,107%的熱效率按高熱值算大致為97%左右。所以說這是行業標準所致。

冷凝壁掛爐的燃氣燃燒后利用回水溫度較低的原理將煙氣溫度從700-1000℃,經過超大熱交換器的吸收降低到30-50℃,是煙氣中的水蒸氣凝結為冷凝水,從而利用其潛熱來提高熱效率,減少浪費。所以熱效率超過了100%

四.什么叫全預混式燃燒?它和其他燃燒相比有什么優勢?

答:燃氣燃燒基本分為兩種方式。大氣式和全預混式。

    1)大氣式燃燒:是指燃氣發生反應前預先混合一部分空氣,但達不到燃燒時所需要的氧氣,一般第一次預混量控制在所需氧量的50%-60%,然后再燃燒管口與周圍的氧氣再次混合并發生燃燒。其特點:火焰溫度較高、長度中。有明顯的外焰、熱效率比擴散式高、燃燒比較充分、設備簡單。缺點:空氣過剩系數過大,熱量浪費較大。

2)全預混式燃燒:是指燃氣燃燒反應發生前將燃氣和燃燒所需要的全部空氣按燃燒最佳值一次性混合均勻,在到達燃燒區后能瞬間完全燃燒,其特點:呈紅外線燃燒狀態,火焰短或看不到火焰、溫度高、燃燒充分、有害氣體化合物少、熱效率高,但控制設備及程序復雜。

五.為什么說冷凝壁掛爐是壁掛爐發展的必要趨勢?

1)投資大,這種燃燒方式是燃燒界中最頂級的一種燃燒方式。

答:因為冷凝壁掛爐是一種節能環保的新型產品,在當今這個能源緊缺的時代,能源危機問題已經成為世界各國注重的焦點,全世界都在提倡節能、環保、冷凝機作為壁掛爐產品中最節能的產品,所以必然會成為發展的方向。冷凝爐在歐美市場已經有了二十多年的市場經驗,其節能環保效果已經被全世界認可,在2008年一些歐美市場已經強制性推出冷凝機,非冷凝機不允許在市場銷售。其發展趨勢,已無可非議。那么我國這樣一個能源匱乏的國家,現在任何一個產品都在朝節能環保方向發展,而且非常迅速,2009年壁掛爐在歐洲市場銷量為630萬臺左右,其中英國占149萬臺,幾乎全部是冷凝鍋爐,因為英國在推廣前三年有一定補貼現在取消了,但是強制要求新裝壁掛爐必須全部為冷凝。意大利98萬臺,百分之四十為冷凝式,每臺補貼70歐元,時間為五年。德國42萬臺,百分之八十為冷凝式,更換冷凝機政府補貼400歐元。法國50萬臺,百分之四十為冷凝式,政府補貼三百五至四百歐元。荷蘭45萬臺,百分之百強制性使用冷凝式壁掛爐。西班牙30萬臺,百分之五十為冷凝式,政府補貼400歐元。歐盟20153月開始執行必須使用冷凝式,韓國也從2017年開始執行此規定。

六.什么樣的壁掛爐才算是真正意義上的冷凝壁掛爐?

答:(1)采用全預混燃燒技術

   2)排煙溫度較低,排煙溫度應該和回水溫度基本一致

   3)具有一定量的冷凝水排出

   4)風量可以調節,使燃燒更加充分,空氣過剩系數合理。

   5)主熱交換器采用抗酸性材料制成,如:不銹鋼、硅鋁。

當然目前市場也有一些壁掛爐采用的是大氣式燃燒,只不過在鍋爐中增加了煙氣二次交換器,對煙氣進行了冷凝,我們把這種產品稱為“半冷凝“或“假冷凝”。

七.為什么我國冷凝壁掛爐少為人知?

答:其實從2003年的北京供熱技術博覽會上就已經出現了冷凝壁掛爐,但是由于:

   1)造價高,冷凝爐相對于普通爐來說技術難度要大很多,燃燒器和熱交換器生產難度和投資相比較大,所以世界上冷凝技術生產廠家不多。

   2)進口冷凝爐在中國市場上發展較慢。

八.冷凝爐熱交換器為什么要用不銹鋼制作?

答:因為冷凝水呈酸性,腐蝕性極強。燃氣成分中含有硫化物,所以燃燒后生成的水也呈酸性,對于普通銅質熱交換器來說,具有較強的腐蝕作用,因此就必須采用抗腐蝕性較強的材料,同時這種材料還必須可塑性強,導熱效果好,造價低,經過對比,專家最后得出結果,不銹鋼和鑄硅鋁為可用材料。

九.我國鍋爐行業為何遲遲不推出冷凝鍋爐?

答:其實從2005年開始就有一些鍋爐領頭者提出要推出冷凝式鍋爐,但是直到今天市場上國產冷凝爐還是鳳毛麟角。即使某個廠家有一兩款,也只是一個小概念機在展會上展示一下,不推向市場,既然有很多人看到市場為什么沒有批量生產呢,原因有二:

   1)推廣難度大,冷凝爐因為采用全預混式燃燒,所以對于控制技術要求較高,尤其是在比例混合,燃氣調節,熱交換技術及風速的控制上都有較高難度。

   2)投資比較大,由于運用國外的熱交換技術不太適應中國市場,故此需要進行另外設計和試驗,這樣試探性的試驗肯定存在失敗和反復試驗,所以耗資較大,時間長,風險大。不像常規機,各種配件都可以在市場上采購到,廠家只需要設計外殼和進行組裝就行了,綜上訴兩個原因,許多廠家都出于觀望狀態,等到別的廠家的產品作為借鑒,所以只聽見雷聲卻不見雨滴。

十.為什么冷凝壁掛爐是最環保最節能的鍋爐?它的環保僅僅體現在節能上嗎?

答:回答是否定的,冷凝爐的環保不僅僅體現在節約能源上,更體現在它的排放污染少,燃氣成分除了甲烷可燃成分外還有一定量的硫化物。燃燒后生成氮氧化物(NOX,燃燒性氮氧化物(F-NO,快速性氮氧化物(P-NO,熱力型氮氧化物(T-NO)雖然其排放量少,但是其毒性卻比一氧化碳(CO,俗稱煤氣)高幾十倍,被稱作“環境殺手”,全預混式燃燒可降低一氧化碳的排放量至0.001%,低于常規爐百倍,而且有較高燃燒速度和較低空氣過剩系數的原因,可以有效的抑制甚至不產生這些有害物質,從而更加環保。

渤爾的指標:見附錄A

附錄A :    煙氣中COα=1濃度含量

冷凝壁掛爐淺析|技術分享-大連渤爾科技有限公司

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