关键词：冷凝换热；铸铝换热器；全预混燃烧系统；过量空气系数；露点

 

    1 引言

 

    随着国家环保、节能政策的发布实施，发展低碳经济，在全社会积极实施节能减排措施已经成为我国经济与社会发展的总目标之一。然而，目前我国燃气热水锅炉以大气式燃烧热水炉为主。

 

    此类热水炉整机热效率低、排放污染物高、耐久性较差。当前环境污染越来越严重，尤其雾霾天气因对置身其中的每个人产生的直接危害而受关注程度最高。为了解决雾霾天气，2007年9月北京市颁布了DB11/139-2007《锅炉大气污染物排放标准》代替了DB11/139-2002《锅炉污染物综合排放标准》，新标准中大大提高了锅炉烟气氮氧化物排放标准。而新型铸铝全预混冷凝燃气热水锅炉以其高效节能、低污染物排放、形体尺寸小等优良品质而受到市场青睐，成为燃气锅炉中节能减排的领军产品。

 

    相对于传统大气式燃烧的铸铁锅炉，全预混式冷凝铸铝锅炉在能效、排放、体积方面都有显著提高。本文就以天然气为燃料的全预混冷凝铸铝锅炉在这些方面的优势做具体分析，推进高效节能冷凝燃气铸铝锅炉的发展。

 

    2 全预混冷凝铸铝锅炉的能效分析

 

    新型的全预混冷凝铸铝锅炉高能效主要依靠其以下技术：冷凝换热、全预混燃烧、全新结构铸铝换热器，该三项技术的结合使全预混冷凝铸铝锅炉的冷凝能效可达到107%，下面我们就从这三方面分析全预混冷凝铸铝锅炉相对于传统大气式燃气锅炉所具备的优势。

 

    2.1 冷凝换热

 

    要分析锅炉的能效，首先我们要清楚锅炉热量损失在哪里。对于所有锅炉而言，其热损失可用以下几方面涵盖：锅炉的排烟热损失、燃料物理不完全燃烧热损失、锅炉的散热损失、燃料的化学不完全燃烧热损失。对于不同燃料类型的锅炉，其各项热损失所占的比重有较大区别。

 

    就中小型燃气锅炉而言，其热损失主要来源于排烟热损失，占总热损失的95%以上。这是因为燃气类燃料，燃烧产物中有大量水蒸气，会随烟气带走大量的热量。

 

    我们以天然气燃料为例子，其化学燃烧方程式：

 

    CH4+2O2→CO2+2H2O+热量

 

    从方程式可以看出，天然气燃烧产物中含有大量水蒸气，按照质量方程式计算：

 

    18×2/(18×2+44)=45%。

 

    因此，天然气燃烧产物中含有大量的水蒸气。水蒸气的汽化潜热在燃气燃烧所放出热量中占有很大比重，约11%。传统大气式燃气锅炉，因其铁质换热器材质的限制（耐弱酸性冷凝水的腐蚀性很差），不允许在换热过程中出现冷凝水。

 

    因此其排烟温度一般保持在130℃以上，燃烧产物中的水全部以水蒸气的形式随烟气排放到大气中，水蒸气的汽化潜热也随烟气全部流失到大气中，排烟热损失严重。

 

    对于冷凝式铸铝锅炉，其换热器材质为硅铝合金，在受到弱酸性的冷凝水的腐蚀时，可在其表面形成一层黑色的致密氧化层，能有效阻止腐蚀的进一步进行。铸铝换热器允许在换热过程中产生冷凝水，回收水蒸气汽化潜热的能量。

 

    冷凝铸铝锅炉耐酸腐蚀性，允许其排烟温度一般在90℃以下，这就从降低排烟温度、回收水蒸气汽化潜热两方面提高了燃气燃烧释放热量的利用率，显著提高了整机热效率。

 

    2.2 全预混燃烧

 

    要使锅炉能够将水蒸气的汽化潜热利用，必须使锅炉排烟温度低于烟气露点。就天然气而言，经实际试验测试，烟气露点TK受过热空气系数影响，其变化规律见图1。由表中数据可以得出，烟气的露点TK随空气系数的降低而降低。

 

    对于大气式铸铁锅炉，由于扩散燃烧方式限制，其过量空气系数一般在1.6～2.0，对应的烟气露点在49℃以下。在我国采暖区域，严冬季节采暖设备一般回水温度在50℃以上（散热器采暖），这就限制了大气燃烧方式的铸铁锅炉很难回收利用燃烧产物中水蒸气的汽化潜热。

 

 

    对于全预混冷凝式铸铝锅炉，锅炉采用全预混低氧燃烧技术，燃烧空气系数控制在1.20以内，其烟气露点在55℃，全预混冷凝铸铝锅炉的排烟温度一般在70℃以内，最高不超过90℃。对于回水温度不超过55℃采暖工况，烟气中的水蒸气将大量冷凝释放汽化潜热，水蒸气的汽化潜热大部分得到利用。同时低燃烧空气系数，使排烟产物中过量空气含量降低，有效降低排烟量，进一步降低排烟热损失，提高整机的换热效率。

 

    2.3 新型铸铝换热器对能效的提升

 

    铝制换热器采用精密先进的砂铸工艺，通过采用变截面交叉扰流技术，在换热器流道内设置扰流柱和壁面扰流纹，使水流呈现空间旋流紊流状态（如图2），有效提高换热效率，同时水流冲刷流道壁面，实现自清洗功能，避免在流道表面积聚水垢，出现局部过热而损坏换热器，在提高换热效率的同时，保证燃气采暖热水炉安全运行。

 

    流道截面面积由低温区到高温区递减，使换热器内高温区水流速度快，换热迅速，同时整体换热片采用全水冷结构设计，避免高温区局部过热，提高换热器的耐用性。低温区流道截面大，流速低，换热时间长，利于吸收低温烟气热量。

 

    在烟气侧，我们通过调整换热销钉的排布方式（如图3），来强化烟气侧对流传热。通过对对流传热的基础研究和试验验证，以叉排换热销钉排布方式作为基础，同时根据换热销钉所处不同温度厂区域，局部调整换热销钉高度和间距，以达到最优化换热效果。

 

    此外铸铝材料的导热系数要远大于铸铁材料导热系数，因此在有限的空间内，铸铝锅炉能够完成更大量的换热。这大大降低了铸铝换热器整体尺寸，就同功率的冷凝铸铝锅炉，其外形尺寸仅为铸铁锅炉的40%，重量约为其32%。这大大降低了运输过程中的能源消耗，间接起到了节约能源的效果。

 

 

    综上分析，全预混冷凝铸铝锅炉在非冷凝（80/60℃）满负荷运行状态下，热效率在98%以上，在标准冷凝测试状态下(50/30℃), 全预混冷凝式铸铝锅炉热效率甚至能达到107%以上，而中小型大气式铸铁锅炉满负荷热效率在90%以下，两者热效率差距明显。因此，随着能源的日益匮乏，中小型全预混冷凝铸铝锅炉必将成为小型商业集群采暖设施的主流产品。

 

    3 有害气体排放分析

 

    对于燃用天然气，其燃烧烟气成分中有害气体主要有两种，CO和氮氧化物，氮氧化物中主要是NO和NO2。这两种气体，前者主要对人体产生危害，后者对人体和环境都产生危害。

 

    3.1 一氧化碳

 

    CO主要来源于燃气的不完全燃烧，即燃烧缺氧的情况下产生。对于大气式铸铁锅炉，其燃烧空气系数为1.6～2.0。理论上来说，燃烧氧含量充足，不应出现不完全燃烧而产生CO。但实际上，大气式铸铁锅炉排放烟气中，CO的含量在100～150ppm之间。生成如此多CO有害气体，主要归因于大气式铸铁锅炉采用大气式燃烧器的燃烧方式。大气式燃烧器的工作过程：燃气通过一定压力引射入文丘里管，在此过程中一定量的燃烧用空气跟随燃气一同被吸入；燃气与空气经过一定程度的混合后到达燃烧器表面。混合气点燃后，由于混入的空气量不足以支持完全燃烧，二次空气会从燃烧器的周围对燃烧过程进行空气量的补充。二次空气对燃烧的补充，发生在燃烧火焰的外表面，空气中氧分子在扩散的作用下进入火焰燃烧区域与燃气发生反应。当火焰燃烧速度大于氧分子扩散速度时，就会出现二次空气中氧分对燃烧补充速度跟不上火焰燃烧，进而在火焰燃烧区域出现缺氧燃烧现象。此外，大气式燃烧器表面火力强度分布不够均匀，引入二次空气在整个燃烧区域也分布不均匀，极易出现局部缺氧现象。因此，采用大气式燃烧器的铸铁锅炉，由于局部缺氧而产生的不完全燃烧，致使CO的排量很高。

 

    对于全预混式冷凝铸铝锅炉，锅炉燃烧方式采用全预混燃烧方式，燃烧器采用金属网燃烧器。燃烧所需空气和燃气在预混器处一次性完全混合后，送至燃烧器表面进行燃烧，燃烧空气系数控制在1.2左右。虽然燃烧空气系数不高，但由于燃气与空气在进入燃烧器前就进行充分混合，燃烧过程基本不存在缺氧燃烧现象。因此全预混冷凝铸铝锅炉CO的排放量在满负荷状态下在35ppm以下，最小负荷下CO的排放约在5ppm以下。就CO的排放而言，全预混铸铝锅炉仅为大气式铸铁锅炉25%。

 

    3.2 氮氧化物

 

    燃气燃烧产生的氮氧化物，主要是NO，NO继续与烟气中氧发生反应生成NO2。因此影响烟气中氮氧化物浓度的主要取决于燃烧过程产生的NO的量。燃烧产生的NO主要来源于空气中的氮气与氧气在高温下氧化而生成的NO。

 

    了解了燃烧产物中NO的来源，就不难看出，降低燃烧温度可有效抑制NO的生成。就全预混冷凝铸铝锅炉而言，由于铸铝材料的导热系数是铸铁材料5倍以上，在单位温差下，等换热面积上单位时间的传热量是铸铁的5倍，因此铸铝锅炉燃烧温度梯度比铸铁锅炉下降迅速，高温段滞留时间短。这就有效减少空气中氮气和氧气的有效反应时间，从而起到降低烟气中NO的含量。同时,铸铝锅炉全预混燃烧方式, 通过适当控制过剩空气系数，全预混燃烧可大大的减少T－NO生成。从而有效降低NOX的排放。经国家燃气具检测中心测试，全预混铸铝锅炉中氮氧化物的含量在25ppm以下,达到国家5级排放标准，大气式铸铁锅炉则在100ppm左右, NOX只能达到国家3级左右排放标准。

 

    4 总结

 

    发展低碳经济，在全社会积极实施节能减排措施已经成为我国经济与社会发展的总目标之一。中小型全预混冷凝铸铝锅炉作为高效节能燃气锅炉代表产品，在欧洲该类锅炉已形成规模化生产和安装，我国尚处于刚刚起步阶段。目前我国中小型燃气锅炉以大气式燃烧铸铁锅炉和火管式锅炉为主，约占该类燃气锅炉的95%以上。此类锅炉炉体由于受限于铁质材料低传热系数和制造工艺影响，一般形体尺寸庞大，体型笨重，因铸铁材料耐酸腐蚀性差，铸铁换热器要求换热过程不生成冷凝水，一般保持排烟温度在130℃以上，排烟热损失严重，整机热效率低下。随着节能减排指令的不断出台，全民环保意识的提高，该类产品必将退出历史舞台，取而代之必将是高能效的中小型全预混冷凝铸铝锅炉。

 

    目前国内品牌的中小型全预混冷凝锅炉燃烧系统都是国外原装进口，成本高，所以在产品价格上不占优势。而目前全预混冷凝锅炉不被广大消费者接纳的重要原因之一就是其价格过高。所以国内企业要想在未来占领中小型商业集群采暖市场，就必须自主研发核心部件，降低产品成本，提高全预混冷凝铸铝锅炉价格市场竞争力。这将是该类锅炉成为市场主体的必经之路。

 

    参考文献

 

    [1]姜正候.燃气工程技术手册.同济大学出版社.1993

 

    [2]GB 25034-2010.燃气采暖热水炉.中国标准出版社.2010

 

    [3]CJ/T 395-2012.冷凝式燃气暖浴两用炉.中国标准出版社.2012

 

    主编点评：

 

    现在全社会都在关注节能减排问题，《锅炉大气污染物排放标准》各地也都在修订的大背景下，本文阐述了全预混铸铝锅炉的优势。不仅仅讲述了冷凝原理，对铸铝锅炉的热交换器工艺和一氧化碳，氮氧化物排放和普通锅炉的也做了详细的比较分析。国内企业可以抱团设计应用此类技术进入中小型商用锅炉市场。