更少能耗 更大能效——高效冷凝鍋爐技術(shù)

大氣網(wǎng)訊:前言：在各類綜合能源技術(shù)中，能效技術(shù)是各國能源政策方針中促進節(jié)能減排的重要途徑之一。鍋爐作為能源供應(yīng)端的一種常見的工業(yè)生產(chǎn)和民用設(shè)備，利用了燃料燃燒釋放的熱能或其他熱能，將工質(zhì)水或其他流體加熱到一定參數(shù)，從而滿足了供熱的需求。但在這一能量交換的過程中總是會伴隨著一部分的能量損失，如何在消耗相同燃氣的情況下產(chǎn)生更多的能量，提升能源效率，是供能領(lǐng)域一個重點探究方向。在這一過程中，高效冷凝鍋爐技術(shù)應(yīng)運而生。除此之外，與普通鍋爐相比，冷凝鍋爐的溫室氣體排放也顯著偏低，因而還具有環(huán)保優(yōu)勢。

一、技術(shù)原理簡介

鍋爐主要分為“鍋”和“爐”兩個部分。前者是裝水的容器，由鍋筒和許多鋼管組成。后者是燃料燃燒的場所，所得熱量通過換熱傳遞到水中。傳統(tǒng)鍋爐的排煙溫度在110℃-200℃之間，煙氣中的水處于過熱狀態(tài)，以水蒸氣的形式存在。要進一步實現(xiàn)高效節(jié)能，可以進一步“壓榨”燃燒產(chǎn)物，回收煙氣中的熱量，將煙氣的溫度降低到50℃左右以獲取其中的汽化潛熱，并仍將其應(yīng)用于鍋爐?？偠灾?，冷凝鍋爐就是利用高效的冷凝余熱回收裝置收集高溫煙氣中的顯熱和水蒸氣凝結(jié)釋放的潛熱，從而實現(xiàn)提高鍋爐效率的目的。

圖一：冷凝鍋爐工作原理圖

二、技術(shù)發(fā)展及成熟度

世界上第一臺冷凝鍋爐于1979年在荷蘭由理查德·維特（Rid Vetter）開發(fā)，1982年用于天然氣，1984年用于石油。自1990年以來，全氣體冷凝鍋爐技術(shù)一直是最先進的技術(shù)。最初的鍋爐材料和煙囪管沒有足夠的耐腐蝕性，來自冷凝鍋爐的冷卻煙氣不再加熱煙囪，而是將可冷凝成分冷凝在溫度較低的煙囪上。但由于冷凝作用導致排煙溫度過低，當?shù)陀谂R界點時會產(chǎn)生冷凝水，從而產(chǎn)生酸性冷凝物侵蝕基礎(chǔ)材料。為了避免這一情況，除了要控制排煙溫度外，具有非吸收性、無孔表面的耐酸管（由最高耐120°C高溫的聚丙烯-S、最高耐160°C高溫的的PTFE制成或不銹鋼管）也被廣泛應(yīng)用于冷凝鍋爐設(shè)備的生產(chǎn)中去。此外，為了經(jīng)濟地制造冷凝鍋爐的熱交換器，并使設(shè)備在安裝時易于管理，、往往會采用最小的實際應(yīng)用尺寸。但這種方法會導致熱交換器的燃燒側(cè)阻力變高，通常需要使用燃燒風扇來使廢氣通過狹窄的通道。排出的燃燒氣體通常低于100°C，密度接近于空氣，幾乎沒有浮力，因此還需要安裝燃燒風扇將廢氣泵送到外部。另外還需要安裝熱交換器冷凝水排放系統(tǒng)，煙氣中的冷凝物在密封管的內(nèi)壁上向下回流，從熱交換器中排出，最終按照法律法規(guī)排入污水系統(tǒng)。

三、技術(shù)優(yōu)勢

1.高效節(jié)能：

使用高熱值燃料的傳統(tǒng)鍋爐熱效率一般為70%-80%，同等條件下冷凝鍋爐的熱效率在實際生產(chǎn)中可達到98%，理論上甚至能達到更高水準。從下面圖表中我們可以看出，冷凝鍋爐在較低溫度工作狀況下熱效率較高。

圖二：不同工況冷凝鍋爐熱效率（來源[3]）

2.全預混式燃燒

常規(guī)鍋爐風量不能自動調(diào)節(jié)，所以在小火時空氣供給量大，而大火時可能會過小，從而不完全燃燒，浪費燃氣；而冷凝鍋爐是全預混式燃燒，空氣量可以自動調(diào)節(jié)，使空氣量與燃氣量的比例更加合適燃燒。

3.全封閉式燃燒

常規(guī)鍋爐只有火焰上方有主熱交換器，周圍會造成熱量損失；而冷凝鍋爐采用全封閉燃燒，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。

4.環(huán)保，減少有害排放

冷凝鍋爐與常規(guī)鍋爐相比，使用了很多新的技術(shù)，而這些技術(shù)除了能提高鍋爐的熱效率，達到節(jié)能的目的之外，也能夠減少鍋爐使用時對于環(huán)境的污染和破壞。獨特的水冷燃燒器+全預混燃燒技術(shù)以及換熱原理，確保有害物NOx以及CO排放比常規(guī)鍋爐低。

5.更長的使用壽命

冷凝鍋爐與常規(guī)鍋爐在外形上并沒有什么區(qū)別，但冷凝鍋爐的燃燒室一般由不銹鋼或者硅鋁合金材料制造，相比常規(guī)鍋爐的主要材質(zhì)為銅加鋁材料制造，具有更的抗酸性抗腐蝕性。雖然受到國內(nèi)水質(zhì)、燃氣內(nèi)雜質(zhì)和空氣質(zhì)量等因素的影響，但冷凝鍋爐壽命一般還是可達到25年左右。鍋爐使用壽命大致情況如下表：

圖三：鍋爐使用壽命大致情況表（來源[4]）

四、技術(shù)經(jīng)濟性案例分析

低溫冷凝鍋爐技術(shù)在提高效率，節(jié)約燃料的同時也增加了設(shè)備成本。這部分的成本主要包括換熱器材料成本、閥門及管道費用、設(shè)備安裝費用、加裝換熱器后帶來的維修費用以及加裝換熱器后阻力增加導致的風機耗功增加，以下將從國內(nèi)國外兩個案例的角度來呈現(xiàn)冷凝鍋爐的投資經(jīng)濟效益。

國內(nèi)案例

以國內(nèi)某項目投資為例，不同材質(zhì)的安裝設(shè)備投資成本和投資回報期也有所不同。如下圖所示，如果將180℃的排煙溫度降低到50℃,回收余熱的冷凝式熱能回收裝置采用普通鋼管時回收期為300h ,采用不銹鋼回收期為900h ,采用PTFE塑料管投資回收期則為1800h。從計算結(jié)果還可以看出材料壽命分別為3、5和10年時對投資回收期的影響不大。

圖四：不同冷凝式熱能回收裝置的投資回報曲線（來源[2])

1 - PTFE管(壽命10年)的投資回收期;

2 ,3 ,4 -不銹鋼壽命分別為3、5、10年時的投資回收期;

5 -普通鋼壽命分別為3、5、10年時的投資回收期(由于很接近幾乎成一條曲線)

（數(shù)據(jù)圖表來源：[2]）

國外案例

在德國的能源轉(zhuǎn)型中，對老舊建筑進行翻新和能效改造是十分重要的手段，其中對能源生產(chǎn)設(shè)備的更新?lián)Q代是常見的措施之一。下圖所示為德國勃蘭登堡州的一個始建于1903年的農(nóng)場民用住宅，該建筑物提升能效的重要途徑之一就是利用高效冷凝鍋爐替換低效的老舊鍋爐。

圖五：德國老建筑能源設(shè)備更換案例

在鍋爐改建前，該建筑地下室配備有5個油箱，每個油箱容量為1500升。該特殊供暖鍋爐始于1991年，熱量輸出范圍為32至40千瓦，并且集成了熱水供應(yīng)的功能。舊鍋爐需要由于設(shè)備老化常常需要修理，并且必須時不時更換排氣管，這其中產(chǎn)生了不少的維修費用。在將該鍋爐進行更換改造后，拆除了5個舊油箱，為此還為地下室節(jié)約了更多使用面積。

新的冷凝鍋爐輸出功率為26千瓦時，其功率可在30%到100%之間進行調(diào)節(jié)。改裝所產(chǎn)生的設(shè)備購置和安裝費約12000歐元。在改造之后，該住宅每年將消耗大約3000立方米的天然氣，而舊鍋爐每年需要消耗約3500升機油。下圖為2014年11月鍋爐改造前后耗能變化，預期數(shù)據(jù)為該建筑2013年同期使用傳統(tǒng)鍋爐的消耗燃料熱值。據(jù)計算可以減少約15％到20％的能源支出，具體的回收期長短將取決于未來天然氣的價格變化。

圖六：德國老建筑能源設(shè)備更換案例（來源[6]）

五、政策現(xiàn)狀

目前，冷凝式鍋爐在歐洲已經(jīng)大范圍取代了傳統(tǒng)常規(guī)鍋爐，北美也有部分家用中央供暖系統(tǒng)由高效冷凝鍋爐提供動力。荷蘭是第一個廣泛采用該技術(shù)的國家。歐洲與環(huán)保節(jié)能有關(guān)的團體和政府機構(gòu)強烈建議安裝冷凝式鍋爐。例如，英國要求自2005年以來在英格蘭和威爾士安裝的所有新型燃氣中央供暖鍋爐都必須是高效冷凝鍋爐。根據(jù)德國政府2015年最新的《節(jié)能條例》，30年以上的鍋爐（低溫鍋爐或冷凝鍋爐除外）必須由冷凝鍋爐代替。在美國，某些州為安裝冷凝鍋爐的住戶和能源公司提供額外相關(guān)稅收優(yōu)惠。在加拿大西部，當高效冷凝鍋爐系統(tǒng)安裝在多單元住宅中時，能源供應(yīng)商提供服務(wù)收費方面的優(yōu)惠。近二十年來，北美天然氣價格的下降也在一定程度上導致冷凝式鍋爐改造的增加。

近年來，我國大約有60%的能源來自煤的燃燒，政府正在實行積極的能源政策。其核心要素是提高能效和從根本上減少污染物排放，從而改善空氣質(zhì)量。高效冷凝鍋爐有助于實現(xiàn)這一政策目標。在中國市場，有90%以上的燃氣鍋爐使用的是傳統(tǒng)技術(shù)。使用的裝置大多是壁掛式低溫鍋爐，價格相對便宜，但無法達到較高的效率水平，大部分效率不到85%。目前，我國一些機構(gòu)對冷凝式鍋爐、冷凝式燃氣熱水器已經(jīng)有所研究，設(shè)計了冷凝式煙氣熱能回收裝置并應(yīng)用于實際工程。隨著節(jié)能減排政策的實行，全民低碳意識的提高，冷凝技術(shù)是未來的發(fā)展趨勢。從能源結(jié)構(gòu)看，天然氣作為一種潔凈環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源必定會被廣泛應(yīng)用，我國的“煤改氣”政策就是例證。高效冷凝燃氣鍋爐未來的發(fā)展將會顯現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢。