天然气锅炉烟气余热深度回收凝结换热方法简析

吴康松

龙正环保股份有限公司 广东东莞 523000

摘要：我国在能源应用整个领域当中，煤消耗量始终排在首位，对生态环境所造成破坏比较严重。为解决这一问题，绿色清洁的天然气能源在我国得以广泛应用开来。但天然气锅炉运行期间，排烟温度往往过高，需要依托相应换热技术，对烟气当中余热实施深度回收。鉴于此，本文主要探讨天然气锅炉内部烟气余热的深度回收凝结换热法，旨在为业内相关人士提供一定的指导或是参考。

关键词：锅炉；天然气；烟气余热；凝结；深度回收；换热方法

前言：

天然气锅炉当中烟气余热整个换热过程，对换热技术提出较高要求，为能够深度回收处理天然气锅炉当中烟气余热，则就需积极探索更具经济有效性的一种技术方法或手段。因而，对天然气锅炉内部烟气余热的深度回收凝结换热法开展综合分析，有着一定的现实意义和价值。

1、天然气锅炉内部烟气余热的深度回收凝结换热基本原理

天然气锅炉当中烟气余热实施回收过程，选用翅片管换热器，采取措施对烟气余热实施处理及回收，减小排烟温度，提升锅炉总体热效率，翅片管换热器有较好的传热性能，结构紧凑，且换热面积相对较大，易于维护，应用得相对广泛。天然气内部成分当中无硫化物，所以，天然气充分燃烧过后的产物以水蒸气、NOx、CO2为主，烟气温度比烟气的露点温度低条件下，烟气内部水蒸气被冷凝，小水滴形成，会直接附着于壁面上，时间持续增加，该壁面部位小水滴则会越积越多，致使液膜形成，整个过程当中，烟气内部NOx、CO2等气体与附着于管壁上面水，会有化学反应产生，对于管壁及肋片会产生腐蚀作用的液体形成后，腐蚀着管壁及肋片[1]。为了防止出现低温腐蚀现象，需要定期对于管壁好肋片实施检查。换热器逐渐升温过后的这些冷却水，会被送入至省煤装置当中被持续加热，换热装置当中所排出凝结水则被统一送到储水箱当中，储水箱当中凝结水逐渐达到限定容量，对凝结水pH值实施检测，pH值范围如果为3~4，就应当实施药剂处理，完成处理工作之后，凝结水可当成是冷却水被送入到换热装置，实现循环使用。

2、实例分析

2.1工况

此次选取WNS2-1.25-Q型号天然气锅炉，额定的蒸汽温度、压力及蒸发量分别为194℃、1.25MPa、2t/h。处于额定工况条件之下，天然气总体耗量约150Nm³。锅炉排烟量、天然气消耗量分别为2178.88kg/h、150Nm³/h。锅炉的排烟温度是150℃，假定它经由翘片管式换热装置之后，温度下降到40℃，被加热处供水的入口温度是20℃。水出口的温度假定是30℃，则150℃为烟气定压比的热容是1.125kJ/kg·℃。

2.2建模分析

结合上述条件，对于翘片换热装置实施设计计算，将翅片管换热装置几何模型合理构建起来。此次换热装置选取Φ24×2高频焊接翘片管，纵向及横向的管排数分别是10排、8排，总管数为80根。针对翅片管换热装置结构参数，详见表1。换热装置内部流动以顺流、交叉流、逆流为主。进/出口温度相同条件下，最大及最小换热平均温差分别为逆流、顺流。选取逆流方式下布设换热装置，因逆流呈最大平均温差，传递同等热量过程当中，所需换热面积相对较小，换热装置总体结构比较紧凑，物理模型详见图1。借助前处理Gambit软件，将三维物理基础模型构建起来，为节约更多计算机方面资源，此次将翅片管薄壁模型合理处理成无厚度一种壁面耦合，为仿真模拟最终结果提供可靠性保证，且对物理模型予以简化[2]。对此物理模型，实行体积网格划分法，从单元Elements及类型Type当中选取Tet/Hybrid单元及Tgrid类型。翅片管换热装置网格总数为5257944。边界条件和参数设定完成后，系统便可自动生成相应*.msh程序，并输入至Fluent系统模拟平台内部。

表1翅片管换热装置结构参数情况

图1计算域的物理模型示意图

2.3模拟验证

2.3.1在温度场总体分布情况方面

x、y分别是横向和纵向坐标，s则是立坐标，选定空间直角的坐标系当中烟气处于z=150mm平面的温度分布总体云图，详见图2。从中可了解到，烟气温度处于25℃～205℃范围由上而下流动，温度呈降低趋势，与管壁距离较近位置，烟气温度低，温度梯度呈较大变化。而与管壁相距较远位置，烟气温度呈较小梯度变化，因烟气处于近壁面位置，烟气和管壁完成对流换热，烟气潜热及显热释放，温度下降整个过程，温度下降到低于烟气的露点温度条件下，伴随水蒸气逐渐冷凝析出，较多潜热被释放出来。

图2烟气侧整个温度场实际分布情况示意图

2.3.2在压力场总体分布情况方面

结合图3所显示，烟气处于==150mm平面位置压力分布情况可了解到，压力随着流动方向呈逐渐降低趋势。水平方向位置，每根管子周边烟气压力趋于同等变化；垂直方向位置，烟气压力有明显变化产生，因烟气进入至冷凝换热装置，烟气内部各组分呈较大压力，烟气持续流动，随着与管壁持续交互换热，烟气显热随即释放，水蒸气则有冷凝过程出现，释放潜热，烟气内部各个组成压力逐渐减小，整体压力呈减小趋势。

图3烟气侧整个压力场实际分布情况示意图

2.3.3在速度场总体分布情况方面

结合图4所显示烟气处于z=150mm平面的速度分布情况可了解到，入口位置速度值达到1.52m/s，翅片管换热装置速度范围为0.02m/s～4.98m/s，局部流速为4.98m/s,因翅片管换热器整个内管束实行顺排这种排列方式，烟气沿整个弯曲管束的行程流动，扩张及收缩流动剧烈交替扰动，局部速度逐渐变大。烟气最大速度则处于近壁面和烟气流向之间相切位置，烟气冲刷着管壁，则管壁的前半周部位速度明显高于后半周部分，后半周有脱体流动及漩涡区产生，因烟气呈纵向的移动速度明显大于横向速度，待烟气逐渐脱离管壁之后，近壁面会产生脱体流动[3]。

图4烟气侧整个速度场实际分布情况示意图

2.3.4在模拟值和实测值验证分析方面

通过此次对天然气锅炉内部烟气余热的深度回收凝结换热法实施验证分析后了解到，肋片出口位置，烟气均温为57.92℃,烟气出口位置温度经实验分析测得为56℃,该误差为3.4%。由此表明数值模拟分析这种方法有一定可靠性，所获取结论和试测结果基本相匹配，验证该模拟方法有一定可行性。同时，经模拟分析发现，烟气侧的入口速度逐渐增大，平均的换热系数随之增大，而流动阻力及换热性能逐渐增强。如果翅片间距及厚度变小，换热装置传热系数均值及传热量的均值随之增大。翅片高度发生变化，翅片高度逐渐降低，换热装置传热系数的均值和传热量均下降。

2.4经济性分析

通过计算分析该翅片管换热器整个主体及外壳、各类附属设备等投资，还有总体运营成本，结合节省燃料部分开支，天然气整个锅炉系统依照着满负荷状态运行，实际排烟温度达到35.18℃条件之下，投资回收总体周期约296h。

3、结语

综上所述，此次通过围绕着天然气锅炉内部烟气余热的深度回收凝结换热法开展模拟分析后，进一步验证了此方法的可行性及经济有效性，值得持续推广并应用到天然气锅炉内部烟气余热总体深度回收处理当中，便于达到良好的回收处理实施效果。

参考文献：

[1]吴文漪.冷凝式燃气锅炉的冷凝热回收研究[J].上海节能,2021(5

):488-493.

[2]王志浩,晁免昌,张海鹏,等.一种冷凝式天然气热水锅炉的烟气深度余热梯级回收系统:CN202220858129.6[P].2023.

[3]曹亮,窦蕾,杨钦海.燃气锅炉烟气余热深度回收利用的分析研究[J].节能与环保,2021(11):73-75