冷凝式锅炉的原理及应用

新型冷凝式燃气锅炉 季卫 江苏天和冷暖设备工程技术有限公司 [摘要] 冷凝式锅炉的应用可以实现突出节能效果，它的年度使用热效率比现有的高效锅炉（低温供暖锅炉）高出15%，比过去的传统锅炉高40%。冷凝的目的是为了回收锅炉烟气中水蒸气转化为液态水时相变过程中的潜能（热能）。因此，冷凝锅炉的烟气排放温度很低，可以达到很好的节能效果和十分明显的低污染排放。在NOX（氮氧化物-导致酸雨，破坏大气层）的排放方面比低温供暖锅炉降低了1/3，比过去的传统锅炉降低了90%。此外，CO2（二氧化碳-温室效应，使全球升温）的排放降低15%。 [关键词] 冷凝锅炉 热效率 原理 应用

一．概况

随着经济的快速发展，人类对能源需求的增加以及人们在环境保护方面意识的加强，能源和环保是我们越来越关心的问题。在锅炉的节能与环保技术方面，欧洲在上世纪70年代就开始开发、应用高效的冷凝式锅炉。目前欧洲的冷凝式锅 炉技术已发 图1冷凝锅炉 展到热效率可高达109%，而烟气排放的氮氧化合物达到NOX＜35mg/kw·h的超低污染排放，比国内传统锅炉节能30%－40%，污染排放降低了90%，锅炉重量减轻了2/3，体积减少了1/2。欧洲现已全面推广使用冷凝锅炉，并有多个国家开始限制非冷凝式锅炉的使用。 二．冷凝锅炉的原理 以天然气燃气冷凝式锅炉为例，天然气的可燃成份主要是甲烷CH4，燃烧时它与空气中氧分子及氮分子结合。

CH4 ＋ 2（02＋4N2） CO2+2H20+8N2

燃烧产物（烟气）

↓天然气 （1M3气体） ↓空气 （主要是氧气和氮气） （10M3气体） ↓产生热量 热值 二氧化碳、水蒸气、氮气

如果水蒸气冷凝，可产生9M3烟气，如果水蒸气不冷凝，可产生11M3烟气。 根据以上可以看出，燃烧所产生的热值有两种数值，分别把它们称作低位热值PCI和高位热值PCS。即： 低位热值PCI＝燃料燃烧后释放的热值，假定燃烧产物中含有的水处于水蒸气状态； 高位热值PCS＝燃料燃烧后释放的热值，假定燃烧产物中含有的水处于冷凝状态。 锅炉的热效率也就具有二种数值，取决于它是以低热值（PCI）和高热值（PCS）。这两种热值的差值由于燃料的不同而不同。 PCI PCS 的比率 天然气 液化气 燃油 煤炭

0.90 0.92 0.93 0.95至0.98 表1 不同燃料低热值与高热值的关系 表1可以看出，对于天然气而言，PCI/PCS的比值较大。这也正是用天然气作为燃料时，冷凝技术应用的必要性。 锅炉的热效率是锅炉的重要性能指标，是选择锅炉的主要考虑参数之一。热效率是锅炉输出的有效热量与其消耗的能量之比，位消耗的能量可用两种不同的方式来表示，即高热值能量kw·hPCS和低位热值能量kw·hPCI。所以对于一台锅炉采用不同的能量消耗计算方式便可得到两种不同的热效率。在我国计算锅炉的热效率是以低位热值PCI计算，与欧洲相同，而美国等一些国家则采用高位热值PCS计算。对于天然气而言，锅炉的高位热值效率RPCS＝0.9RPCI低位热值效率。我们通常所见的锅炉，如果热效率为90%的话，若按高位热值计算，热效率就应该是81%。 对于一台天然气燃气锅炉，如果锅炉的有效输出功率为90kw·h，效率为90%的话，那么这台锅炉就有10kw·h显热损失。这部分显热是通过烟气被排出以及通过锅炉的壳体对外散失。但是如果以高位热值来计算的话，锅炉还有11kw·h的汽化潜热没有被利用，而是以烟气中的水蒸气形式被排出室外了。 RPCS＝0.9RPCI RPCI= RPCS /0.9=111% 那么，如果以低位热值效率方式表示按高位热值计算的话，天然气燃气锅炉的最高效率为111%。 冷凝锅炉，就是把传统锅炉中随烟气被排出的热量予以回收，让烟气在低于露点的温度中冷却，一部分水蒸气在冷凝中释放汽化潜热，同时锅炉也吸收一部分烟气中的显热。 三．不同锅炉的比较 我们可以通过以下看出不同的锅炉它们的热效率及能源利用状况： 1．普通锅炉 如果以一台输出功率为1400kw·h，热效率为90%的普通热水锅炉来计算，有10%即155.6kw·h的显能损耗和11%既171.1的潜能损耗。若采用冷凝式锅炉的话，可最高获得19%的热量，即295.6kw·h。

图2 普通锅炉的热损失 2．低温供暖锅炉

如果以一台输出功率为1400kw·h，热效率为93%的低温供暖热水锅炉来计算，有7%即105.4kw·h的显 能损耗和11%既165.6的潜能损耗。 若采用冷凝式锅炉的话，可最高获 得16%的热量，即240.9kw·h。 图3 低温供暖锅炉的热损失 3．冷凝锅炉 0. 5%炉体辐射损失，1%烟气显热 损失，0.5%未回收的水蒸气的潜热 损失，最高可以获得有效热效率109%。 图4 冷凝锅炉的热损失 四．冷凝锅炉的特点 欧洲新型冷凝式燃气锅炉年度运行热效率比普通锅炉提高30%-40%，比低温供暖锅炉提高10%-15%，已达到欧洲最高能效标准****CE四星级标准，热效率高达109%，氮氧化合物的排放NOx<35mg/kw·h达到了极低污染的排放，比普通锅炉降低了90%的污染排放，比低温供暖锅炉降低了1/3的污染排放，CO2的排放量也比过去降低了15%。由于冷凝锅炉将燃烧后的烟气 图5 冷凝锅炉燃烧器 中产生氮化合物、硫化合物、碳化合物等酸性物质被冷凝收集，有效地降低了烟气对酸雨及大气温室效应的影响。 但对于锅炉而言，耐腐蚀这是关键因素。只有锅炉具有理想的材质才可实现上述的节能和环保的目的。欧洲最新型的冷凝锅炉采用导热和耐腐蚀性能极佳的硅铸铝铸造而成，具有超长的使用寿命，在极高的换热功率下实现最小的体积和重量，差不多每1kwh功率相当于1kg锅炉重量，是普通的锅炉重量的1/3。壁挂式冷凝锅炉通常采用不锈钢制作冷凝换热器，较高级的壁挂冷凝锅炉也有采用硅铸铝铸造而成的冷凝换热器。当然对于冷凝锅炉的燃烧器也有极高的要求，通常都采用无焰燃烧方式，全预混比例调节，这也是获得高的燃烧效率和极低污染排放的重要因素。我们也可以看到一些只是在普通锅炉的排烟口加装了热回收装置，这并不是真正的冷凝锅炉。冷凝锅炉功率可在10%~100%之间根据热需求进行无级调节，而普通锅炉的功率调节是不允许低于50%，正是为了保证不让普通锅炉产生冷凝腐蚀。冷凝锅炉运行噪音比普通锅炉降低15%-20%，由于锅炉内烟气冷凝后产生弱酸性液体，对锅炉燃烧内腔可起着清除积碳等燃烧杂质的作用，不会向普通锅炉那样形成换热效率下降的现象，所以对炉膛内腔几乎不需要保养。冷凝锅炉的另一优势就是对烟囱的要求变的非常简单，通常排烟温度只比环境温度只高30℃—40℃，最高一般不超过70℃ 烟囱甚至可以用塑料来制作，由于几乎没有污染完全可以低空排放。 五．冷凝锅炉的应用 我们为了得到更高的锅炉热效率，适当地降低锅炉的出水温度，这是极其重要的，对冷凝锅炉更是如此。通常建议出水温度在60℃—70℃不宜过高，比如一台90KW的冷凝锅炉当功率为100%，锅炉出水温度为70℃时的热效率大概在98%，当功率为30%，锅炉出水温度为30℃时的热效率可达108%。同时也要保证较低的回水温度，回水温度越低效率越高，图6给出了锅炉回水温度、锅炉的调节功率与热效率的关系。所以片面地强调冷凝锅炉的最高值热效率是不正确的，冷凝锅炉的实际使用热效率是取决 于它的使用条件，这是我们在设计选型时需要认真考虑的。冷凝锅炉可用于中央空调热源或是提供生活热水，当用于泳池、地采暖等低温加热系统时热效率可达到最高的理想值。欧洲通常所用的冷凝锅炉有壁挂锅炉和落地锅炉，壁挂式冷凝锅炉主要用于家庭及小型商业供热系统，也可多台联机用于较大的供热系统。落地式冷凝锅炉通常用于大型供热系统，也可多台联机用于更大的供热系统。以下是两种典型的多台联机系统： 图7 壁挂式冷凝锅炉多台联机系统 壁挂式冷凝锅炉多台联机系统，最多可实现十台联机运行，单机最大输出功率为90kwh。 图8 落地式冷凝锅炉多台联机系统 冷凝锅炉多台联机系统，最多可实现十台联机运行，单机最大输出功率为1140kwh。 六．应用实例

南京某酒店式公寓160套，每套有厨房和卫生间，要求24小时供恒温热水，所提供的能源为天然气。由于该建筑为全玻璃慕墙，且未设置独立烟道，安装普通锅炉则会使烟囱破坏建筑的整体造型，也无法达到环保要求，采用冷凝锅炉的方案如下。

图6 冷凝锅炉回水温度、调节功率与热效率的根据计算可得该公寓日消耗热水量：Cgj＝户数（n）×平均日用水量（Cj）×修正系数（K）×用水等级系数（Cs）=160×150×0.9×1.1=23760L /日。 采用半即热式加热方式，在储水罐蓄满热水的情况下，系统应该能够补偿10分钟的高峰流量及保证2小时用水高峰的耗热量。取每户10分钟的高峰流量Qp=860L/h，每户2小时的高峰流量C2h=220L。 每天2小时的高峰总流量Cg2h=户数（n）×每户2小时的高峰流量（C2h ）×修正系数（S）×用水等级（Cs）=160×220×0.248×1.1=9602.6L。 S=0.896*(1/n0.253)=0.248 每天10分钟的高峰总流量Qpq=户数（n）×每户10分钟的高峰流量（Qp） ×同时使用系数（m）×用水等级（Cs）=160×860×0.2×1.1=30272L/h。 其中m取0.2 10分钟的高峰总流量为30272/6=5045L 如果选板式换热器的换热量为:360KW 10分钟内能提供热水量为360×600/4.18×(60-10)=1033.5L 所需热水罐的最小体积为:5045-1033.5=4011.5L 2小时内能提供热水量为360×7200/4.18×(60-10)=12402L>9602.6L。 结论，该板式换热器的加热功率能够保证2小时用水高峰的耗热量及10分钟的高峰流量。热水罐的最小体积为4M3 用4小时加热23760L热水，所需功率为：P≈345KW<360KW。 所以系统所需要的供热功率可选为360KW，可以选择的冷凝锅炉： 1、采用落地式冷凝锅炉C310 Eco，最大功率为353KW，一台。 2、采用壁挂式冷凝锅炉MC90，单台输出功率为90KW，建议选择四台，则总输出功率为360KW。