更少能耗 更大能效——高效冷凝鍋爐技術
前言：在(zai)(zai)各(ge)(ge)類綜合能(neng)源(yuan)技(ji)術中(zhong)，能(neng)效技(ji)術是(shi)各(ge)(ge)國(guo)能(neng)源(yuan)政策(ce)方針中(zhong)促進節能(neng)減(jian)排的(de)(de)重(zhong)要(yao)途徑之一。鍋爐作為能(neng)源(yuan)供應(ying)端的(de)(de)一種常見的(de)(de)工業生(sheng)產和民用設備，利用了燃(ran)(ran)料燃(ran)(ran)燒(shao)釋放(fang)的(de)(de)熱能(neng)或其(qi)他(ta)熱能(neng)，將工質水或其(qi)他(ta)流體(ti)加熱到一定參(can)數，從(cong)而(er)滿足(zu)了供熱的(de)(de)需求。但(dan)在(zai)(zai)這(zhe)一能(neng)量交換(huan)的(de)(de)過(guo)程中(zhong)總是(shi)會伴隨著(zhu)一部分的(de)(de)能(neng)量損失，如何在(zai)(zai)消耗相(xiang)同(tong)燃(ran)(ran)氣(qi)的(de)(de)情況下產生(sheng)更多的(de)(de)能(neng)量，提(ti)升能(neng)源(yuan)效率，是(shi)供能(neng)領域一個重(zhong)點探究方向(xiang)。在(zai)(zai)這(zhe)一過(guo)程中(zhong)，高(gao)效冷凝鍋爐技(ji)術應(ying)運(yun)而(er)生(sheng)。除(chu)此之外(wai)，與普通鍋爐相(xiang)比，冷凝鍋爐的(de)(de)溫室(shi)氣(qi)體(ti)排放(fang)也顯著(zhu)偏低，因而(er)還具有環保(bao)優勢。
一、技術原理簡介
鍋爐(lu)(lu)(lu)(lu)主要分(fen)為“鍋”和(he)“爐(lu)(lu)(lu)(lu)”兩個部分(fen)。前者是(shi)裝水(shui)的(de)(de)容器，由鍋筒和(he)許多(duo)鋼管(guan)組成。后(hou)者是(shi)燃(ran)(ran)料燃(ran)(ran)燒(shao)的(de)(de)場所，所得熱(re)(re)量(liang)通過換熱(re)(re)傳遞(di)到水(shui)中(zhong)。傳統鍋爐(lu)(lu)(lu)(lu)的(de)(de)排煙(yan)(yan)溫(wen)度(du)在110℃-200℃之(zhi)間，煙(yan)(yan)氣(qi)(qi)中(zhong)的(de)(de)水(shui)處(chu)于過熱(re)(re)狀態，以(yi)水(shui)蒸氣(qi)(qi)的(de)(de)形式存(cun)在。要進(jin)一步實現高(gao)(gao)效(xiao)節能，可以(yi)進(jin)一步“壓榨(zha)”燃(ran)(ran)燒(shao)產(chan)物，回(hui)收(shou)煙(yan)(yan)氣(qi)(qi)中(zhong)的(de)(de)熱(re)(re)量(liang)，將煙(yan)(yan)氣(qi)(qi)的(de)(de)溫(wen)度(du)降(jiang)低(di)到50℃左右(you)以(yi)獲取其中(zhong)的(de)(de)汽(qi)化潛(qian)(qian)熱(re)(re)，并仍將其應用(yong)于鍋爐(lu)(lu)(lu)(lu)。總而言之(zhi)，冷凝(ning)鍋爐(lu)(lu)(lu)(lu)就是(shi)利用(yong)高(gao)(gao)效(xiao)的(de)(de)冷凝(ning)余熱(re)(re)回(hui)收(shou)裝置收(shou)集高(gao)(gao)溫(wen)煙(yan)(yan)氣(qi)(qi)中(zhong)的(de)(de)顯熱(re)(re)和(he)水(shui)蒸氣(qi)(qi)凝(ning)結釋放(fang)的(de)(de)潛(qian)(qian)熱(re)(re)，從而實現提(ti)高(gao)(gao)鍋爐(lu)(lu)(lu)(lu)效(xiao)率的(de)(de)目的(de)(de)。
圖一：冷凝鍋爐工(gong)作原理圖
二、技術發展及成熟度
世界上(shang)第(di)一(yi)臺(tai)冷(leng)凝(ning)(ning)鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)于(yu)(yu)1979年在荷蘭(lan)由(you)理(li)查德·維特（Rid Vetter）開發，1982年用(yong)(yong)于(yu)(yu)天然氣(qi)，1984年用(yong)(yong)于(yu)(yu)石油。自1990年以來(lai)，全氣(qi)體冷(leng)凝(ning)(ning)鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)技術(shu)一(yi)直是(shi)最(zui)先(xian)進的(de)(de)(de)技術(shu)。最(zui)初(chu)的(de)(de)(de)鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)材(cai)料和煙囪管沒有(you)足夠的(de)(de)(de)耐(nai)腐(fu)蝕性，來(lai)自冷(leng)凝(ning)(ning)鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)的(de)(de)(de)冷(leng)卻煙氣(qi)不(bu)再加熱(re)煙囪，而是(shi)將可冷(leng)凝(ning)(ning)成分冷(leng)凝(ning)(ning)在溫(wen)(wen)度(du)(du)較低的(de)(de)(de)煙囪上(shang)。但由(you)于(yu)(yu)冷(leng)凝(ning)(ning)作用(yong)(yong)導致排煙溫(wen)(wen)度(du)(du)過(guo)低，當低于(yu)(yu)臨界點時會產生(sheng)冷(leng)凝(ning)(ning)水，從而產生(sheng)酸(suan)性冷(leng)凝(ning)(ning)物(wu)侵(qin)蝕基礎材(cai)料。為(wei)了(le)避免這一(yi)情(qing)況，除了(le)要控(kong)制(zhi)排煙溫(wen)(wen)度(du)(du)外(wai)(wai)，具(ju)有(you)非吸收性、無孔表(biao)面的(de)(de)(de)耐(nai)酸(suan)管（由(you)最(zui)高(gao)(gao)耐(nai)120°C高(gao)(gao)溫(wen)(wen)的(de)(de)(de)聚丙烯(xi)-S、最(zui)高(gao)(gao)耐(nai)160°C高(gao)(gao)溫(wen)(wen)的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)PTFE制(zhi)成或不(bu)銹鋼(gang)管）也被廣泛應用(yong)(yong)于(yu)(yu)冷(leng)凝(ning)(ning)鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)設備(bei)的(de)(de)(de)生(sheng)產中去。此外(wai)(wai)，為(wei)了(le)經(jing)濟(ji)地制(zhi)造冷(leng)凝(ning)(ning)鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)的(de)(de)(de)熱(re)交(jiao)換器，并(bing)使設備(bei)在安裝(zhuang)時易于(yu)(yu)管理(li)，、往往會采用(yong)(yong)最(zui)小的(de)(de)(de)實際應用(yong)(yong)尺寸(cun)。但這種方法(fa)(fa)會導致熱(re)交(jiao)換器的(de)(de)(de)燃(ran)燒側阻力(li)變高(gao)(gao)，通(tong)(tong)常需(xu)要使用(yong)(yong)燃(ran)燒風扇來(lai)使廢氣(qi)通(tong)(tong)過(guo)狹窄(zhai)的(de)(de)(de)通(tong)(tong)道。排出(chu)的(de)(de)(de)燃(ran)燒氣(qi)體通(tong)(tong)常低于(yu)(yu)100°C，密度(du)(du)接近于(yu)(yu)空氣(qi)，幾乎沒有(you)浮力(li)，因此還需(xu)要安裝(zhuang)燃(ran)燒風扇將廢氣(qi)泵送(song)到(dao)外(wai)(wai)部。另外(wai)(wai)還需(xu)要安裝(zhuang)熱(re)交(jiao)換器冷(leng)凝(ning)(ning)水排放(fang)系統，煙氣(qi)中的(de)(de)(de)冷(leng)凝(ning)(ning)物(wu)在密封管的(de)(de)(de)內(nei)壁上(shang)向下回流，從熱(re)交(jiao)換器中排出(chu)，最(zui)終按照(zhao)法(fa)(fa)律(lv)法(fa)(fa)規排入污水系統。
三、技術優勢
1.高(gao)效(xiao)節能：
使用高(gao)熱(re)值燃料的傳(chuan)統鍋爐(lu)熱(re)效(xiao)率一般為(wei)70%-80%，同等條件下冷凝鍋爐(lu)的熱(re)效(xiao)率在(zai)實際(ji)生產(chan)中可(ke)達(da)到98%，理論上甚(shen)至能達(da)到更高(gao)水準(zhun)。從下面圖表中我們可(ke)以看(kan)出(chu)，冷凝鍋爐(lu)在(zai)較低(di)溫度工作狀況下熱(re)效(xiao)率較高(gao)。
圖二：不同工況冷凝鍋爐熱效率（來源[3]）
2.全預混(hun)式燃(ran)燒
常規鍋爐(lu)風量(liang)(liang)不(bu)能(neng)自動(dong)調節(jie)，所以(yi)在小火時空氣(qi)(qi)(qi)(qi)供給量(liang)(liang)大(da)，而大(da)火時可能(neng)會過小，從(cong)而不(bu)完全燃(ran)燒(shao)，浪(lang)費燃(ran)氣(qi)(qi)(qi)(qi)；而冷(leng)凝鍋爐(lu)是全預混式燃(ran)燒(shao)，空氣(qi)(qi)(qi)(qi)量(liang)(liang)可以(yi)自動(dong)調節(jie)，使空氣(qi)(qi)(qi)(qi)量(liang)(liang)與燃(ran)氣(qi)(qi)(qi)(qi)量(liang)(liang)的比例更加合適(shi)燃(ran)燒(shao)。
3.全封閉式燃燒
常規鍋爐只有(you)火(huo)焰(yan)上(shang)方有(you)主熱交換(huan)器，周圍會造成(cheng)熱量(liang)損失；而(er)(er)冷(leng)凝鍋爐采(cai)用全封閉(bi)燃(ran)(ran)燒(shao)，燃(ran)(ran)燒(shao)火(huo)焰(yan)周圍全是熱交換(huan)器，從(cong)而(er)(er)有(you)效的(de)降低了爐體自身的(de)熱量(liang)。
4.環(huan)保，減少有害排(pai)放(fang)
冷凝鍋(guo)(guo)爐與常規鍋(guo)(guo)爐相比，使用了(le)很多新的(de)技術，而這些技術除了(le)能(neng)提高鍋(guo)(guo)爐的(de)熱(re)(re)效率，達到(dao)節能(neng)的(de)目的(de)之外，也能(neng)夠減少鍋(guo)(guo)爐使用時對于環(huan)境(jing)的(de)污染和(he)破壞。獨特的(de)水冷燃燒器(qi)+全預混燃燒技術以及換熱(re)(re)原理，確保(bao)有害物NOx以及CO排(pai)放比常規鍋(guo)(guo)爐低(di)。
5.更長(chang)的使(shi)用(yong)壽命
冷凝鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)與常規(gui)鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)在外形上并沒有什么區別，但冷凝鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)的(de)燃燒室一般由不銹鋼(gang)或者(zhe)硅(gui)鋁(lv)合金(jin)材(cai)料(liao)制造，相比(bi)常規(gui)鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)的(de)主(zhu)要材(cai)質(zhi)為銅(tong)加鋁(lv)材(cai)料(liao)制造，具有更(geng)的(de)抗(kang)酸性(xing)抗(kang)腐(fu)蝕性(xing)。雖然受(shou)到(dao)國內(nei)水質(zhi)、燃氣(qi)內(nei)雜質(zhi)和空氣(qi)質(zhi)量等因素的(de)影響，但冷凝鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)壽命一般還是可達到(dao)25年左右。鍋(guo)爐(lu)(lu)(lu)使用壽命大致情況如下表：
圖(tu)三：鍋爐(lu)使用壽(shou)命大致情況表（來源[4]）
四、技術經濟性案例分析
低(di)溫冷凝鍋爐技(ji)術在(zai)提高效率，節(jie)約燃料的(de)同時(shi)也增(zeng)加了設備成本(ben)(ben)。這(zhe)部(bu)分的(de)成本(ben)(ben)主要(yao)包括(kuo)換(huan)熱器(qi)材料成本(ben)(ben)、閥門(men)及管道(dao)費(fei)(fei)用、設備安裝(zhuang)費(fei)(fei)用、加裝(zhuang)換(huan)熱器(qi)后帶來的(de)維修(xiu)費(fei)(fei)用以(yi)及加裝(zhuang)換(huan)熱器(qi)后阻力增(zeng)加導致的(de)風機耗功(gong)增(zeng)加，以(yi)下將從(cong)國內(nei)國外兩個案(an)例的(de)角(jiao)度來呈現冷凝鍋爐的(de)投資經濟效益。
國內案例
以國內某項目投(tou)資(zi)為例，不(bu)同材質的(de)(de)安裝(zhuang)設(she)備投(tou)資(zi)成本和投(tou)資(zi)回(hui)(hui)報(bao)期也有所不(bu)同。如下圖所示(shi)，如果將180℃的(de)(de)排煙(yan)溫(wen)度降低到50℃,回(hui)(hui)收余熱的(de)(de)冷凝式(shi)熱能回(hui)(hui)收裝(zhuang)置采(cai)用(yong)(yong)(yong)普通(tong)鋼管(guan)時回(hui)(hui)收期為300h ,采(cai)用(yong)(yong)(yong)不(bu)銹鋼回(hui)(hui)收期為900h ,采(cai)用(yong)(yong)(yong)PTFE塑料管(guan)投(tou)資(zi)回(hui)(hui)收期則為1800h。從計算結果還可以看出材料壽(shou)命分別為3、5和10年(nian)時對(dui)投(tou)資(zi)回(hui)(hui)收期的(de)(de)影響不(bu)大。
圖(tu)四：不同冷凝式熱能回收裝(zhuang)置(zhi)的投資回報曲線（來(lai)源[2])
1 - PTFE管(壽命(ming)10年)的(de)投資回收(shou)期(qi);
2 ,3 ,4 -不銹鋼壽命分別(bie)為3、5、10年時的投資回收(shou)期;
5 -普通鋼壽命分別為3、5、10年(nian)時的投(tou)資回收(shou)期(由(you)于(yu)很接(jie)近幾乎成一條(tiao)曲線)
（數(shu)據圖表來(lai)源：[2]）
國外案例
在德國(guo)的(de)(de)能源(yuan)轉型中(zhong)，對老舊建(jian)筑(zhu)(zhu)進行翻(fan)新和能效(xiao)(xiao)改造是十分(fen)重(zhong)要的(de)(de)手(shou)段，其中(zhong)對能源(yuan)生產設(she)備的(de)(de)更新換(huan)代是常見(jian)的(de)(de)措(cuo)施之(zhi)一(yi)。下圖(tu)所示(shi)為(wei)德國(guo)勃蘭登堡州的(de)(de)一(yi)個(ge)始建(jian)于1903年的(de)(de)農場民用住(zhu)宅，該建(jian)筑(zhu)(zhu)物(wu)提升能效(xiao)(xiao)的(de)(de)重(zhong)要途徑之(zhi)一(yi)就是利用高效(xiao)(xiao)冷(leng)凝鍋(guo)爐替換(huan)低效(xiao)(xiao)的(de)(de)老舊鍋(guo)爐。
圖五：德(de)國老建筑能源設備(bei)更換案例
在鍋爐(lu)改建(jian)(jian)前，該建(jian)(jian)筑地(di)(di)下室配備(bei)有5個(ge)油(you)箱(xiang)(xiang)，每個(ge)油(you)箱(xiang)(xiang)容量為(wei)(wei)1500升(sheng)。該特(te)殊(shu)供暖鍋爐(lu)始于1991年(nian)，熱量輸出范(fan)圍為(wei)(wei)32至40千瓦，并且集成(cheng)了熱水供應的(de)功能。舊(jiu)鍋爐(lu)需要由于設(she)備(bei)老化常常需要修理(li)，并且必須時(shi)(shi)不時(shi)(shi)更(geng)換排氣管(guan)，這其中(zhong)產生了不少的(de)維修費(fei)用(yong)。在將該鍋爐(lu)進行(xing)更(geng)換改造(zao)后，拆除了5個(ge)舊(jiu)油(you)箱(xiang)(xiang)，為(wei)(wei)此還(huan)為(wei)(wei)地(di)(di)下室節約了更(geng)多使用(yong)面積。
新的(de)冷凝鍋爐輸出功率(lv)為26千瓦時，其功率(lv)可在30%到100%之間(jian)進(jin)行調節。改(gai)裝所產(chan)生的(de)設備購置和安裝費約(yue)12000歐元(yuan)。在改(gai)造之后，該住宅(zhai)每年將消耗大約(yue)3000立方米的(de)天(tian)然氣(qi)，而舊鍋爐每年需要消耗約(yue)3500升機油。下圖為2014年11月(yue)鍋爐改(gai)造前后耗能(neng)變(bian)化，預期數據(ju)為該建筑2013年同期使用傳統(tong)鍋爐的(de)消耗燃料熱值。據(ju)計算可以減少約(yue)15％到20％的(de)能(neng)源支(zhi)出，具體的(de)回收期長短將取決于未來(lai)天(tian)然氣(qi)的(de)價格變(bian)化。
圖(tu)六：德國老建筑能源(yuan)(yuan)設(she)備更換案例（來源(yuan)(yuan)[6]）
五、政策現狀
目前(qian)，冷(leng)(leng)凝(ning)(ning)(ning)式鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)在(zai)(zai)(zai)歐洲已(yi)經大范(fan)圍取代了傳統(tong)常規鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)，北(bei)美(mei)(mei)也有(you)(you)部(bu)分家(jia)用中(zhong)央供暖系統(tong)由高效(xiao)冷(leng)(leng)凝(ning)(ning)(ning)鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)提供動(dong)力。荷蘭是(shi)第(di)一個廣泛采用該(gai)技術的國家(jia)。歐洲與(yu)環保節(jie)能有(you)(you)關(guan)的團(tuan)體和政府機(ji)構強烈(lie)建議安裝冷(leng)(leng)凝(ning)(ning)(ning)式鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)。例如，英國要求自2005年以來(lai)在(zai)(zai)(zai)英格(ge)蘭和威爾士安裝的所(suo)有(you)(you)新型燃氣中(zhong)央供暖鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)都必須是(shi)高效(xiao)冷(leng)(leng)凝(ning)(ning)(ning)鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)。根據德(de)國政府2015年最新的《節(jie)能條例》，30年以上(shang)的鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)（低(di)溫鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)或冷(leng)(leng)凝(ning)(ning)(ning)鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)除外）必須由冷(leng)(leng)凝(ning)(ning)(ning)鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)代替。在(zai)(zai)(zai)美(mei)(mei)國，某些州為安裝冷(leng)(leng)凝(ning)(ning)(ning)鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)的住戶和能源公(gong)司(si)提供額外相關(guan)稅收優(you)惠。在(zai)(zai)(zai)加拿大西部(bu)，當高效(xiao)冷(leng)(leng)凝(ning)(ning)(ning)鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)系統(tong)安裝在(zai)(zai)(zai)多(duo)單(dan)元住宅中(zhong)時，能源供應商(shang)提供服務收費方面的優(you)惠。近二(er)十年來(lai)，北(bei)美(mei)(mei)天然氣價格(ge)的下降也在(zai)(zai)(zai)一定程(cheng)度上(shang)導致冷(leng)(leng)凝(ning)(ning)(ning)式鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)改造的增加。
近年(nian)來(lai)，我國(guo)大(da)約有(you)60%的(de)(de)(de)能(neng)源(yuan)(yuan)來(lai)自煤(mei)的(de)(de)(de)燃燒(shao)，政府正在實(shi)行積(ji)極的(de)(de)(de)能(neng)源(yuan)(yuan)政策(ce)。其核心要素(su)是提高(gao)(gao)能(neng)效(xiao)和從根本(ben)上(shang)減(jian)少(shao)污染物排(pai)放(fang)，從而改(gai)(gai)善空氣(qi)(qi)(qi)(qi)質量(liang)。高(gao)(gao)效(xiao)冷(leng)(leng)凝鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)有(you)助(zhu)于(yu)實(shi)現(xian)這一政策(ce)目標(biao)。在中國(guo)市場，有(you)90%以上(shang)的(de)(de)(de)燃氣(qi)(qi)(qi)(qi)鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)是傳統技術。使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)裝置大(da)多是壁掛(gua)式低溫鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)，價格(ge)相(xiang)對(dui)便宜，但無法達到較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)效(xiao)率水平，大(da)部(bu)分效(xiao)率不到85%。目前，我國(guo)一些機(ji)構(gou)對(dui)冷(leng)(leng)凝式鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)、冷(leng)(leng)凝式燃氣(qi)(qi)(qi)(qi)熱(re)(re)水器已經有(you)所(suo)研(yan)究，設計了冷(leng)(leng)凝式煙氣(qi)(qi)(qi)(qi)熱(re)(re)能(neng)回(hui)收裝置并應用(yong)于(yu)實(shi)際工程。隨著節能(neng)減(jian)排(pai)政策(ce)的(de)(de)(de)實(shi)行，全(quan)民低碳(tan)意識的(de)(de)(de)提高(gao)(gao)，冷(leng)(leng)凝技術是未來(lai)的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)(zhan)趨勢(shi)。從能(neng)源(yuan)(yuan)結構(gou)看，天然氣(qi)(qi)(qi)(qi)作為一種潔凈環保的(de)(de)(de)優質能(neng)源(yuan)(yuan)必定(ding)會被(bei)廣泛應用(yong)，我國(guo)的(de)(de)(de)“煤(mei)改(gai)(gai)氣(qi)(qi)(qi)(qi)”政策(ce)就(jiu)是例證。高(gao)(gao)效(xiao)冷(leng)(leng)凝燃氣(qi)(qi)(qi)(qi)鍋(guo)(guo)爐(lu)(lu)未來(lai)的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)(zhan)將(jiang)會顯現(xian)出更明(ming)顯的(de)(de)(de)優勢(shi)。
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