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「供暖系統漫談」冷凝壁掛爐與常規壁掛爐的區別及應用(下)

時間:2019-06-02    來源:博容節能    閱讀數:
導讀:常規壁掛爐比起冷凝壁掛爐來,主要的劣勢在于效率低,但冷凝壁掛爐較之常規壁掛爐來說,則有成本高、技術難度高、維護麻煩、售后成本高等一系列問題。那么,有沒有一種方式能夠將兩者的優點結合起來呢?
 
如果在常規壁掛爐的結構上,結合冷凝壁掛爐的煙氣熱量回收結構,提高一些效率,而其他部分基本保持不變,是否既可以提高效率,也不會帶來那些麻煩呢?
 
上期內容說過,導致壁掛爐效率只能做到92%左右的主要原因是排煙溫度較高,高溫煙氣熱損失加上排煙中水蒸氣帶走的熱量,降低了壁掛爐的熱效率,如果能夠將排煙溫度直接冷卻到露點溫度以下,讓煙氣中的水蒸氣凝結放熱,則不但排煙損失更少,而且高溫煙氣中的水蒸氣潛熱被回收,也可以提高壁掛爐效率。
 
事實上,基于這種思路構建的產品叫做大氣式煙氣回收冷凝爐,也是在“真假冷凝”之戰中被稱為“假冷凝”的一方。
 
                                                                                                                圖1 大氣式煙氣回收冷凝爐結構示意圖
 
 
其實這種冷凝方式并非中國人獨創,在80年代末90年代初,該方式最早在歐洲開發出來,后來隨著全預混冷凝技術的廣泛普及,這種結構如今在歐洲已基本淘汰。
 
從圖1看出,大氣式煙氣回收冷凝爐就是在常規壁掛爐基礎上增加了一個煙氣回收換熱器,通過低溫水換熱的方式將煙氣溫度降低,使得里面的蒸汽產生凝結,隨后回水汽化潛熱,同時降低排煙溫度,提高熱效率。
 
                                                                                                                             圖2 全預混冷凝爐結構示意圖
 
對比一下全預混冷凝爐的結構,兩者還是有很大不同的。全預混冷凝過程是在換熱器中將煙氣冷卻到冷凝溫度以下,排出的就是低溫煙氣,無需進行二次煙氣冷卻;而大氣式冷凝在燃燒室和主換熱器部分和常規壁掛爐一樣,只是在排煙管道中設置煙氣回收冷凝器,通過二次降溫來實現冷凝。 
 
從上圖可以看出,兩種方式都有冷凝產生,既然如此憑什么你叫得冷凝爐我就叫不得?不叫冷凝壁掛爐讓我叫什么?
 
兩種冷凝爐的核心差別
 
實際上兩種冷凝爐的核心差別倒不是是否“冷凝”上,而是冷凝方式和燃燒方式上的差異,冷凝方式前面已經分析過,那么燃燒方式的差別是什么呢?
 
1、大氣式燃燒
 
是指燃氣在燃燒前預先混合一部分空氣,但達不到燃燒時所需的氧氣,一般預混量控制在所需氧量的50%~60%,然后在燃燒管口與周圍的氧氣再次混合并發生燃燒。
 
特點:火焰溫度較高、長度中等。有明顯的外焰、熱效率比沒有預混的擴散式高、燃燒比較充分、設備簡單。
 
缺點:空氣過剩系數過大,熱量浪費較大。
 
2、全預混式燃燒
 
是指燃氣燃燒反應發生前將燃氣和燃燒所需要的全部空氣按燃燒最佳值一次性混合均勻,在到達燃燒區后能瞬間完全燃燒。
 
特點:呈紅外線燃燒狀態,火焰短或幾乎看不到火焰、溫度高、燃燒充分、有害氣體化合物少、熱效率高。
 
缺點:控制設備及程序復雜。
 
 

 
上表為之前有人圍繞兩者性能差異所做的一個對比圖,基本上比較客觀,

        除了上述差異之外,補充一些對用戶使用影響較大的知識點:
 
1、兩種冷凝爐冷凝溫度的不同
 
由于大氣式冷凝爐空氣過剩系數較大,改變了煙氣中的水蒸氣分壓比,導致大氣式排煙溫度的冷凝點要低于全預混,比如在空氣系數1.8時煙氣要冷卻到49℃才能產生冷凝,而全預混冷凝爐的冷凝溫度在58℃,這就意味著大氣式冷凝爐要想產生冷凝現象,回水溫度必須更低,保持幾度溫差的話意味著回水溫度要低于45℃才可以,而全預混在回水溫度55℃就可以產生冷凝了。
 
上面這個特點決定了全預混冷凝爐即使在散熱器采暖中也可以有效冷凝,而大氣式冷凝只有在地暖中才可能產生冷凝現象,使用范圍受到限制。
 
從這個角度來說,全預混冷凝爐適應性好于大氣式冷凝爐,加上熱功率輸出的差異,全預混具有更好的適用性。
 
2、熱交換器的低溫腐蝕問題
 
常規壁掛爐是將天然氣和空氣混合經燃燒排出約170℃的高溫煙氣。煙氣中含有水蒸氣、CO2,同時天然氣中還含有硫化物,經燃燒后生成SO2,繼續燃燒氧化后產生約占SO2的5%左右的SO3,SO2與水結合生成亞硫酸,SO3與水結合生成硫酸,其酸露點溫度約在140℃到160℃(根據SO3的含量提升),當常規壁掛爐的排煙溫度在170℃時,氣態的酸蒸汽對主熱交換器的腐蝕是非常輕微的。
 
當對煙氣進行潛熱回收排煙溫度降為50℃,酸蒸汽相變為酸性液體,將會對熱交換器產生極強的低溫腐蝕。低溫腐蝕嚴重時可以達到1mm/年的腐蝕能力,造成接觸面穿孔,就目前的科學技術尚無法完全腐蝕,只能盡量減輕程度。
 
全預混壁掛爐的低溫腐蝕出現在主熱交換器中。為了降低這種腐蝕的影響,目前全預混壁掛爐的主換熱器一般采用特種不銹鋼或者硅鑄鋁材質,抗腐蝕性比較好。
 
而對于大氣式冷凝爐主要的低溫腐蝕產生在煙氣換熱器,通常材質受到成本限制,耐腐蝕性沒有那么好,使用壽命較低,同時過多的過剩空氣會增大氮氧化物和酸性物質的產生,導致大氣式冷凝爐使用壽命降低。
 
3、冷凝壁掛爐的灰塵堆積問題
 
空氣中含有灰塵等雜質,這些雜質在燃燒室內可能生成絮狀的灰塵產生堆積,如果在換熱器表面出現冷凝水則很容易讓這些灰塵生成粘稠的污垢,附著在換熱器表面影響換熱效果。這些現象會在全預混冷凝爐的主換熱器和大氣式冷凝爐的二次換熱器中出現,因此兩種冷凝爐都會比常規爐更需要定期維護,否則容易降低壽命。
 
上面講到的優缺點都是理論上的對比,特別是冷凝爐的效率和低氮排放方面,與其空氣過量系數有著密切的關系。上述結論是建立在冷凝爐空氣過剩系數在理想值的前提下,但是實際工作中很有可能不是這種情況。
 
為什么這樣說呢?
 
全預混壁掛爐在出廠前,空燃比已由生產廠家預先設置好,在設置時是根據預設的標準工況和標準燃氣校正的,如果燃氣組成發生變化,導致燃氣熱值、密度、燃燒特性等超出設計范圍,則此氣種對應的最合理空燃比也會發生變化。
 
在歐洲天然氣的品質比較穩定,也就是一定量的天然氣配比多少空氣是比較容易確定的,而中國各地氣源復雜,不同地方燃氣成分各不相同,供氣壓力不同、海拔不同都會導致大氣壓力不同等問題,如此實際運行中燃氣需要的空氣量也不盡相同,同時由于實際安裝工人技術水平和操作流程的問題,很多時候需要現場根據具體燃氣情況調節的工作沒有真正落實,導致全預混壁掛爐不能達到最佳燃燒工況,甚至出現熱效率降低、點火噪聲大、燃燒噪聲大、CO排放量升高等異常現象。
 
如何解決這個問題呢?
 
如果壁掛爐能根據不同的燃氣自動調整空氣過剩系數,則能適應不同地區、不同氣源下的最佳空燃比,這就是所謂的燃氣自適應技術。
 
聽起來不錯,但是如何實現上述目的呢?
 
能夠實現自適應的技術方案有兩種:一種是離子電流檢測法,一種是二氧化碳檢測法。但是后者由于檢測元件的成本較高,并且在高溫環境下,使用壽命有限,后期需要經常更換,因此壁掛爐上幾乎沒有使用的。
 
主流的自適應技術是離子電流檢測法。研究表明,碳氫化合物在燃燒時會產生熱電離子使燃燒火焰具有電導性。由于氣體的導電能力有限,需要在燃氣火焰與火孔之間附加一個直流電場,用于驅動火焰中的帶電粒子,使帶電粒子沿電場方向移動,這樣就形成了離子電流。通過離子電流探測器檢測燃氣燃燒時產生的離子電流,來反饋火焰燃燒信號,判定燃燒是否異常。
 
燃氣燃燒時產生的離子電流大小,與離子的濃度有關,離子濃度越大,產生的離子電流就越大;離子濃度越小,產生的離子電流就越小。
 
離子濃度又與火焰溫度有關——火焰溫度越高,產生的活化能就越大,氣體原子被擊活的數量就越多,產生的離子就越多,離子濃度就越大。
 
全預混燃燒空燃比過大或者過小都會對燃燒造成不利影響。空燃比過大時,多余的空氣會帶走熱量,而隨著火焰溫度的降低,多余的空氣會稀釋離子,離子電流降低;空燃比過小時,燃燒不充分,火焰溫度及熱效率亦降低,由于未能充分反應,燃燒過程未能產生足夠多的離子,離子電流也會降低,因此,通過檢測離子電流的變化,可以間接的檢測出空燃比是否合理。
 
火焰溫度與過剩空氣系數的關系見圖3。由圖3可知,當空燃比最佳時,火焰溫度達到峰值,火焰離子電流也達到峰值。這是離子電流檢測法用于判斷全預混燃燒空燃比的理論依據。
 
                                                                                                                                             圖3 火焰溫度與過剩空氣系數的關系
 
綜合看來,根據上述原理通過控制方式的改進可以解決全預混壁掛爐燃氣自適應的問題,讓全預混壁掛爐的安裝調試及運行效率都有很好的改進,是一種非常重要的核心技術。可以說在中國結合了燃氣自適應技術的全預混冷凝爐才是適合中國國情的冷凝爐。

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