燃气装置烟气余热回收分析与设计

摘要

随着我国的不断发展，能源的消费量逐渐增大，这也带来了严重的环境污染问题，所以我国施行节能减排和能源结构的调整。如今，在我国社会能源环境领域，推行使用天然气等清洁能源、新技术，已经成为重要的研究课题。

近几年来，燃气锅炉正逐渐的取缔燃煤锅炉在生活与生产方面。但是，目前燃气锅炉的排烟温度都很高，烟气中的余热得不到回收与利用。因此，如何使锅炉的排烟热损失降低与提高燃气的利用率，已经成为了节能环保工作中的重要的研究课题。普通的燃气锅炉，排烟温度通常为180℃左右，烟气中存在大量的过热态的水蒸气，其体积分数在10%左右，是烟气热量损失的主要部分。回收利用排烟显热与烟气凝结潜热可极大的提高能源利用率。

本文首先对我国的能源利用现状、节能形势、燃气冷凝式锅炉的工作原理、国内外研究现状和天然气的利用进行了概述。其次，分析了天然气燃烧后烟气中的产物，分析了烟气中可以回收的显热量和潜热量的关系，提出了烟气中汽化潜热能否有效回收是确保冷凝式换热器回收效果的关键因素。然后，本文对各种换热器进行了介绍，对冷凝换热器进行设计与分析，冷凝式换热器采用H型鳍片管换热器，鳍片管顺列布置，H型鳍片管的优点是耐磨性能好，积灰少，体积小，空气阻力小，综合性能好。最后对燃气锅炉加装冷凝换热器的经济效益进行了分析。研究表明，常规燃气锅炉加装冷凝换热器后，锅炉排入大气的污染物大大减少，环保效益显著。

关键词：燃气冷凝式锅炉、锅炉热效率、热管、余热

Abstract

Key words：gas condensing boilers, boiler thermal efficiency, heat pipes, waste heat.

第一章绪论

1.1 我国能源利用状况及节能环保紧迫性

1.1.1能源利用现状

社会进步和经济发展和能源密不可分，也是一个国家综合国力和人民生活水平的重要表现。随着社会经济的不断发展，环境污染与经济发展的协调问题日益严重。能源和环境问题是如今社会最关注的问题。人类有3次能源利用结构的调整[1]：

(1)18世纪，因为第一次世界能源结构转变：原始的柴薪能源逐渐的被以煤为主的化石能源取代。到1990年，世界的煤炭产量大约为7.45亿吨，比当时的一次能源总量的94%还要高。这次能源结构改变打破了16世纪欧洲文艺复兴文明发展停滞不前的局面，推动了资本主义工业的迅猛发展。

(2)20世纪，石油、天然气的生产与使用量迅猛的增长。这推动了内燃机等的发展，所以许多西方国家经济得到快速发展。到了20世纪60年代，石油的消耗量每十年就可提高一倍。石油消耗量的不断增长，使我们进入了现代文明和世界经济的新阶段。

(3)环境污染问题和能源危机使人们意识到调整能源结构的紧迫性，通过降低化石能源的消耗来实现经济的可持续发展。

我国是世界上拥有能源资源最丰富的国家之一，但也是能源消耗量也很大，能源的一次消耗的总量接近于美国。截止到2014年，我国投入1145亿元在地质勘查上，新发现的大中型矿产地有249处。油气勘查取得了巨大突破，首次探明页岩气的地质储量约为1068亿m3，新探明的石油地质储量10.6亿吨，天然

气9438亿m3[2]。这与2011年以来我国实施的勘探矿物突破战略行动的关系重大。我国有非常丰富的再生能源资源，其中，水能资源的可开发量理、论储藏量和经济可开发量都处在世界首位。煤在我国的能源结构所占的比重很高，其比重高达70%~80%，比其它发达国家煤仅占20%~30%的水平高得多。从这十年我国能源消耗与生产结构来看，原煤生产与煤炭消费的比重占了极其重要的地位，石油消费与原油生产比重不断下降，天然气和其他能源(水电、核电、风能)的消费与生产比重总体呈现出了上升的趋势。

表1-1中列举了我国从1990~2014年的能源消费总量及构成的数据。从这些数据变化中可以看出，随着我国经济的迅速发展，消费水平不断的提高，我国能源消费量一直在迅猛增长。其中煤占能源消费量的比重是最高的，占比约为70%，从2000年开始我国煤消费量正逐渐的降低，天然气与新能源的消费量一直在迅猛增长，预计到2020年天然气占比将达到10%，而煤的占比可能下降到60%，其它一次电力与新能源的消费占比也会逐渐增高。

表1-1能源消费总量及构成[3]

1990 98703 76.2 16.6 2.1 5.1

1991 103789 76.1 17.1 2.0 4.8

1992 109170 75.7 17.5 1.9 4.9

1993 115993 74.7 18.2 1.9 5.2

1994 122737 75.0 17.4 1.9 5.7

1995 131176 74.6 17.5 1.8 6.1

1996 135192 73.5 18.7 1.8 6.0

1997 135909 71.4 20.4 1.8 6.4

1998 136184 70.9 20.8 1.8 6.5

1999 140569 70.6 21.5 2.0 5.9

2000 146964 68.5 22.0 2.2 7.3

2001 155547 68.0 21.2 2.4 8.4

2002 169577 68.5 21.0 2.3 8.2

2003 197083 70.2 20.1 2.3 7.4

2004 230281 70.2 19.9 2.3 7.6

2005 261369 72.4 17.8 2.4 7.4

2006 286467 72.4 17.5 2.7 7.4

2007 311442 72.5 17.0 3.0 7.5

2008 320611 71.5 16.7 3.4 8.4

2009 336126 71.6 16.4 3.5 8.5

2010 360648 69.2 17.4 4.0 9.4

2011 387043 70.2 16.8 4.6 8.4

2012 402138 68.5 17.0 4.8 9.7

2013 416913 67.4 17.1 5.3 10.2

2014 426000 66.0 17.1 5.7 11.2

1.1.2 节能环保的紧迫性

“十二五”期间，我国通过调整经济结构、转变发展方式来节省能源的消耗，并且出台了一系列的政策和措施，使国内单位生产总值能耗量累计降低大约19.06%，支持了国民经济年均大约11.2%的增长，能源消耗弹性系数由1.05下降到0.58 在“十一五”期间。然而我国得能源消耗总量却由24.6亿吨标准煤升高到32.5亿吨标准煤，且和西方发达国家相比，能源加工、贮运、转换和终端科用综合效率依然比较低，到2007年时这个效率为33%，而西方发达国家在20世纪90年代初就达到了41%。而能源消耗平均热效率还比较低，在发达国家火电厂的能源利用的效率通常为35%~40%，工业锅炉的效率约为80%；而我国依次为30%以下和60%~70%，我国燃用石油、煤炭、天然气的平均热效率比发达国家都要低。因此提高能源的利用率和节能减排是当务之急。在我国，最主要的能源消耗领域是工业，工业的能耗量约占能耗总量70%，显然，只有从根本上缓解我国