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天然氣煙氣冷凝式余熱利用技術(shù)

文檔作者：劉長征m．沈勝強1 文檔來源： 1．大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院 2．大連測控技術(shù)研究所，		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月16日
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2012年第4期
(總第355期)
節(jié)能
ENERGY coNSERVAll0N 一'一
天然氣煙氣冷凝式余熱利用技術(shù)
劉長征m．沈勝強1
(1．大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，遼寧大連116024；2．大連測控技術(shù)研究所，遼寧大連116013)
摘要：介紹天然氣冷凝式余熬回收原理，分析天然氣燃燒產(chǎn)物的組成，對排煙熱損失、節(jié)能量、冷凝率
進行了計算和分析。結(jié)果顯示，煙氣中可回收的蒸氣潛熱達到煙氣低位熱值的11．2％。排蟈熱損失
隨排煙溫度的升高而增加．當(dāng)排煙溫度低于露點溫度時，排煙熱損失隨排煙溫度的升高急劇增加，水
蒸氣冷凝率隨排煙溫度的升高而降低。此外，對這種方法降低煙氣中NO。排放的環(huán)保特性也進行了
撂討。
關(guān)鍵詞：天然氣；余熱回收；節(jié)能；環(huán)保
中圈分類號：TE992．1文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1004—794812012104—000r7—03
doi：103969／j．issn．1004—7948．2012．04．002
引言
近年來隨著我國內(nèi)陸天然氣主干管網(wǎng)和沿海
一批天然氣接收碼頭的相繼建成投產(chǎn)，我國天然氣
的供給和消費呈現(xiàn)快速增長的趨勢。天然氣作為
一種清潔能源，在我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和轉(zhuǎn)變過程
中起著重要作用。天然氣燃燒充分，易于獲得較高
的利用效率，其主要成分是CH。，燃燒產(chǎn)物為CO：
和H：O，溫室氣體CO：排放量為各種常規(guī)能源中
最低，燃燒清潔環(huán)保。另外，天然氣易于進行管道
輸送，儲運成本低，便于大規(guī)模商業(yè)利用。
目前我國天然氣消費利用主要由城鎮(zhèn)居民生
活燃氣、燃氣鍋爐供暖、燃氣直燃機空調(diào)、燃氣蒸汽
鍋爐生產(chǎn)、燃機發(fā)電等用途構(gòu)成。天然氣的冷凝余
熱利用始于20世紀(jì)70年代末，自1979年第一臺
天然氣冷凝式鍋爐在荷蘭誕生以來，歐美發(fā)達國家
對天然氣冷凝利用進行了深入的研究開發(fā)，技術(shù)較
為先進和成熟。我國天然氣大規(guī)模開發(fā)利用始于
20世紀(jì)90年代的西氣東輸工程建設(shè)，開發(fā)利用起
步較晚。天然氣冷凝式余熱利用技術(shù)的研究開展也
相對較晚。目前尚未形成完整的研究開發(fā)和商業(yè)利
用的產(chǎn)業(yè)鏈條。本文著重討論燃氣冷凝式余熱利
用技術(shù)在節(jié)能和環(huán)保方面的特性。
l天然氣燃燒產(chǎn)物分析及余熱利用原理
天然氣燃燒產(chǎn)物與天然氣自身成分和過量空
氣系數(shù)有密切關(guān)系。在應(yīng)用較為廣泛的燃氣鍋爐、
直燃機等熱工設(shè)備中。燃燒過程過量空氣系數(shù)較
低，約1．05～1．15。
本文計算燃料采用陜北天然氣作為分析對象，
燃氣成分如表l所示。
表1陜北天然氣成分％
成分CH4 c2l-k cjHs c4Hm C02 H2 N2
含量96．32 0．6 0．08 0．01 2．23 0．04 0．72
當(dāng)過量空氣系數(shù)為1．05時，燃燒產(chǎn)物的計算
結(jié)果如表2所示。
表2過量空氣系數(shù)口=1．惦時燃燒產(chǎn)物計算¨’21
實際體積／m3·m一3(燃氣)體積分散／％
煙氣主要產(chǎn)物中水蒸氣隨著溫度降低會發(fā)生
凝結(jié)現(xiàn)象，其他氣體在煙氣放熱過程中均屬不凝氣
體。煙氣溫度逐漸降低的過程中．水蒸氣逐漸接近
其分壓力下的飽和溫度，即露點溫度(根據(jù)表l煙
氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)，計算煙氣露點溫度為
59．1℃)。當(dāng)煙氣溫度低于露點溫度，水蒸氣分壓
力大于煙氣飽和水蒸氣壓力時，煙氣中部分水蒸氣
萬方數(shù)據(jù)
一8一
節(jié)能
ENERGY CONSERVATION
2012年第4期
(總第355期)
逐漸凝結(jié)成為液態(tài)，釋放汽化潛熱。水蒸氣凝結(jié)量
越大，釋放熱量也越多。冷凝式余熱利用技術(shù)即利
用這一現(xiàn)象對余熱進行回收利用。
冷凝式余熱利用技術(shù)要求被加熱介質(zhì)人I=I溫
度低于露點溫度，以便實現(xiàn)冷凝換熱，且被加熱介
質(zhì)入口溫度越低，對數(shù)溫差越大，越有利于傳熱。
實際工作過程中，煙溫高于露點溫度的情況下，也
有可能出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象，這是由于被加熱介質(zhì)溫度
低，造成貼近換熱器壁面的煙氣溫度低于露點溫
度，冷凝液首先出現(xiàn)并附著于換熱器表面，釋放汽
化潛熱。冷凝液的出現(xiàn)能夠在一定程度上強化傳
熱，凝液量與煙氣流速、壁面形式、被加熱介質(zhì)溫度
等因素有關(guān)。
本文以熱平衡的方式對冷凝式余熱利用的節(jié)
能特性進行分析，考察煙氣傳熱前后能量平衡狀
態(tài)，對于傳熱方式不同造成的微小偏差不作討論。
2排煙熱損失和冷凝率計算分析
燃氣鍋爐、直燃機等熱工設(shè)備排出的煙氣溫度
一般高于130℃，進入余熱回收裝置后先釋放顯
熱，這個過程中煙氣夾帶的水蒸氣仍處于過熱狀
態(tài)，不能凝結(jié)為液態(tài)水而放出汽化潛熱。當(dāng)煙氣溫
度降低到水蒸氣的露點溫度時，煙氣中的顯熱進一
步得到回收，同時煙氣中水蒸氣的部分汽化潛熱也
將得到回收口1。煙氣中永蒸氣的汽化潛熱總量等
于燃氣高位熱值和低位熱值的差，約占煙氣低位熱
值的10％。以陜北天然氣為例，低位熱值為
34972kJ／m’，高位熱值為388901d／m3，可供回收的
水蒸氣汽化潛熱總量為3918kJ／m3，占煙氣低位熱
值的11．2％。
2．1冷凝液質(zhì)量分析
冷凝液質(zhì)量根據(jù)煙氣中水蒸氣含量和不同溫
度下煙氣中的飽和水蒸氣含量的差值計算。
計算公式和計算結(jié)果如下：
實際水蒸氣體積y啪=2．0761m3／m3。
煙氣中水蒸氣質(zhì)量mI．t20有：
m．bo=V00×18+22．4=1．67kg／m’。
煙氣中飽和水蒸氣質(zhì)量計算依據(jù)煙氣冷凝過
程中，不凝氣體的體積不變原則。
出口溫度下，lm3燃氣產(chǎn)生的煙氣中飽和水蒸
氣含量(標(biāo)態(tài))計算如下：
‰’H=2』0-101告325 P×％ (1)
． 一id，‘1
jdz ～1，
式中：蠔20一出I=1溫度下，lm3燃氣燃燒產(chǎn)生
煙氣中的水蒸氣體積，m3／m3；
K一實際煙氣總體積，m3／m3；
常數(shù)101．325一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，kPa；
P。出一出I=I溫度下，水蒸氣飽和壓力，kPa。
出El溫度下，lm3燃氣產(chǎn)生的煙氣中可容納的
水蒸氣質(zhì)量計算：
m：，o=瞻o×18+22．4 (2)
2．2排煙熱損失計算分析
以燃氣低位熱值為基準(zhǔn)，計算不同排煙溫度下
的排煙熱損失占總熱值的百分?jǐn)?shù)，計算公式和結(jié)果
如下：排煙熱損失=排放煙氣的焓值÷燃氣低位熱
值。
當(dāng)煙氣溫度高于露點溫度時，lm3燃氣燃燒產(chǎn)
生的煙氣焓值日。為：
‰=hRoz x‰+‰×¨2+h02 x V02+
h鄴×‰20+h：×m啦o (3)
式中：hR02、hN：、h02、h．20-1分別為三原子氣體、
氮氣、氧氣、水蒸氣的焓值，kJ／m3；‰、‰、％、
yto一分別為三原子氣體、氮氣、氧氣、水蒸氣的體
積，m3／m3；^：一露點溫度下水蒸氣的汽化潛熱，
kJ／kg；m啦。一煙氣中水蒸氣質(zhì)量，wd。
當(dāng)煙氣溫度低于露點溫度時，lm3燃氣燃燒產(chǎn)
生的煙氣焓值計算：
日。=l}lRq×y峨+hN2 x飛+h啦×％+hq×
mCH'o+hy×(mn20—m：20) (4)
式中：l}l?！付囟认?，氣態(tài)水的焓值，ld／kg；
．}l。一指定溫度下，液態(tài)水的焓值，kJ／kg。
圖1所示為不同排煙溫度下的熱損失隨排煙
溫度的變化曲線，曲線的拐點為煙氣露點溫度。從
圖中可以看出，當(dāng)排煙溫度高于露點溫度時，排煙
熱損失與排煙溫度成正比，隨排煙溫度的升高而增
加；當(dāng)排煙溫度低于露點溫度時，排煙熱損失隨排
煙溫度的升高迅速增加，40一59℃(露點溫度)段，
增速約為排煙溫度高于露點溫度段的8倍。這說
明當(dāng)排煙溫度低于露點溫度時回收的熱量應(yīng)以水
蒸氣的潛熱為主，這樣可以使熱工設(shè)備排煙熱損失
顯著減少。
萬方數(shù)據(jù)
2012年第4期
(總第355期)
節(jié)能
ENERGY CONSERVAl"10N
悱朋韞廈，℃
圖1不同排煙溫度下的熱損失
2．3冷凝搴計算分析
計算不同排煙溫度下的冷凝水質(zhì)量占煙氣進
口水蒸氣質(zhì)量的百分比，計算公式和結(jié)果如下：
t， T￡
U=—VH_20---一VH?0×100％ (5)
VH20
式中：ff_出口溫度下，冷凝水質(zhì)量占煙氣進
出口質(zhì)量的百分比，％。
圖2所示為冷凝液占煙氣中水蒸氣的質(zhì)量百
分比隨排煙溫度的變化曲線，可以看出，冷凝率隨
排煙溫度的升高而降低，排煙溫度越高。冷凝率降
低的越快；當(dāng)煙氣溫度由露點溫度(59．1℃)降至
30℃時，冷凝率為81．2％，即每降低1℃，冷凝率增
加2．79％；當(dāng)煙氣溫度由30℃降至10℃時，冷凝
率增加至95％，即每降低1℃，冷凝率增加
0．69％，約為露點降至30℃時冷凝率的1／4。
排煙溫度，℃
圖2不同排煙溫度下冷凝液占煙氣中水蒸氣的質(zhì)量百分比
3環(huán)保特性分析
天然氣燃燒產(chǎn)物中的污染物主要是NO。。
NO，的生成機理復(fù)雜，主要與過量空氣系數(shù)、燃燒
溫度、燃料成分、氣體在高溫區(qū)的停留時間有
關(guān)‘41。一般NO。生成的體積濃度是通過實驗測試
得到的，用實驗數(shù)據(jù)歸納總結(jié)出NO。體積濃度與
過量空氣系數(shù)的關(guān)系的經(jīng)驗公式pJ。
NO。的體積濃度與過量空氣系數(shù)a的關(guān)系
有：
CNo。=93．51114—29．29056a+2．48464a2—
0．00129a3 (6)
經(jīng)計算。當(dāng)過量空氣系數(shù)俚為1．05時，NO。
的體積濃度為87．7mg／in3(65．5 x10“)。
煙氣冷凝過程中產(chǎn)生冷凝液，冷凝液與煙氣接
觸后，吸收煙氣中的氣體，可以減少煙氣中有害氣
體的排放。當(dāng)冷凝液吸收的有害氣體達到飽和時，
所減少的有害氣體體積即為有害氣體的理論最大
減排量，此時有害氣體的最大減排量與冷凝前煙氣
中有害氣體的體積的比值即為有害氣體的理論最
大吸收率。假定在溶解時各種氣體相互之間的作
用可以不考慮，則可以計算冷凝液中最多能溶解的
有害氣體質(zhì)量(見表3)。
表3主要有害氣體NO在不同溫度水中的溶解度¨‘7】
g／1009水
溫度溶解度
25℃
30℃
35℃
40℃
5．6X10—3
4+6 X10_)
3．6 x10一，
3．2 x10。3
現(xiàn)以上述燃氣燃燒生成的煙氣為計算煙氣，計
算不同排煙溫度下，產(chǎn)生的冷凝液吸收污染物的量
(冷凝液吸收污染物的量=冷凝液量×溶解度)，
結(jié)果如圖3所示。
F
罵
，。
2
X
25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
排煙溫度，℃
凰3不同排煙溫度下冷凝液最大理論
暇收污染物的量
由圖3可以看出，當(dāng)排煙溫度為25—40℃時，
由于冷凝液的吸收作用，NO。體積濃度減少量為
2．26 X 10一一5．14 X 10～，減排率為3．45％一
7．85％。
萬方數(shù)據(jù)
一10一
節(jié)能
ENERGY CONSERVATION
2012年第4期
(總第355期)
有機硅在混凝土保護中的試驗研究
閏大偉。孫明赫。王靜。張明
(本溪華夏集團。遼寧本溪117000)
摘要：試驗研究水性有機硅憎水材料、溶荊型有機硅憎水材料、苯丙乳液一水性復(fù)配形成的有機硅憎
水劑對混凝土性能的影響。試驗結(jié)果表明，混凝土添加有機硅憎水材料?？商岣叻浪?、抗水滲透性、
抗凍性以及耐候性；復(fù)配后的有機硅憎水劑性能優(yōu)于其他兩種。
關(guān)鍵詞：有機硅；憎水劑；混凝土
中圖分類號：TUS02．2文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1004—7948【2012)04—00lO一03
doi：103969／j．issn．1004—7948．2012．04．003
1常見混凝土保護材料
堤壩、橋梁、塔、碑等建筑物長期暴露在自然環(huán)
境中。經(jīng)受空氣、雨水、酸霧的侵襲?，水分對混凝
土的浸蝕特別是通過裂縫向混凝土滲透會引起混
凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕，加快混凝土碳化；建筑物吸
水易產(chǎn)生壁面受潮，霜凍危害，風(fēng)化，積灰，生長苔
蘚、霉、地衣，受雨水中的化學(xué)物質(zhì)腐蝕，耐久性差
等損害，從而增加了建筑物的維修工作量，也縮短
了建筑物的使用壽命舊o。因此，對建筑物采取有
效的保護，是確保建筑物長久使用的有效途徑。
混凝土保護不僅可以保護混凝土外層，其良好
的耐酸堿、耐腐蝕性，能防護內(nèi)部鋼筋銹蝕，從而延
長結(jié)構(gòu)壽命，而且解決了老化、搭接不嚴(yán)密、脫層滑
動等傳統(tǒng)問題，使混凝土的吸水率、氯離子吸水率、
抗?jié)B性、通過電量、氯離子擴散系數(shù)、恒電壓氯離子
滲透速率、氯離子降低率均得到明顯改善?；炷?
保護不僅可在混凝土表層形成憎水層，而且可提高
4結(jié)論
本文研究了天然氣冷凝式余熱回收原理，分析
了天然氣燃燒產(chǎn)物的組成，以熱平衡的方式對排煙
熱損失、節(jié)能量和冷凝率進行了計算和分析，并以
陜北天然氣為計算燃氣，計算了燃燒產(chǎn)物和污染物
含量，并以此為依據(jù)，討論不同排煙溫度下，冷凝式
余熱利用天然氣煙氣的節(jié)能特性和環(huán)保特性。
1)排煙熱損失隨排煙溫度的升高而增加，當(dāng)
排煙溫度低于露點溫度時，排煙熱損失隨排煙溫度
的升高急劇增加。
2)煙氣中可回收的蒸氣潛熱總量達到煙氣低
位熱值的11．2％。
3)水蒸氣冷凝率隨排煙溫度的升高而降低。
4)煙氣冷凝過程中水蒸氣的凝結(jié)液可以吸收
煙氣中的污染物，NO。體積濃度減少量為
2．26×10—6．5．14×10-6。
天然氣冷凝式余熱回收技術(shù)可以顯著提高熱
工設(shè)備熱效率，降低煙氣污染物的排放，實現(xiàn)節(jié)能
減排的目的。
參考文獻
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版社．2001．
作者簡介：劉長征(1978一)，男，陜西咸陽人，碩士在讀。研
究方向：天然氣節(jié)能技術(shù)。
收稿日期：2012—03—19

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