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天然气烟气冷凝式余热利用技术

文档作者：刘长征m．沈胜强1 文档来源： 1．大连理工大学能源与动力学院 2．大连测控技术研究所，		点击数：	更新时间： 2024年06月16日
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2012年第4期
(总第355期)
节能
ENERGY coNSERVAll0N 一'一
天然气烟气冷凝式余热利用技术
刘长征m．沈胜强1
(1．大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024；2．大连测控技术研究所，辽宁大连116013)
摘要：介绍天然气冷凝式余熬回收原理，分析天然气燃烧产物的组成，对排烟热损失、节能量、冷凝率
进行了计算和分析。结果显示，烟气中可回收的蒸气潜热达到烟气低位热值的11．2％。排蝈热损失
随排烟温度的升高而增加．当排烟温度低于露点温度时，排烟热损失随排烟温度的升高急剧增加，水
蒸气冷凝率随排烟温度的升高而降低。此外，对这种方法降低烟气中NO。排放的环保特性也进行了
撂讨。
关键词：天然气；余热回收；节能；环保
中圈分类号：TE992．1文献标识码：A文章编号：1004—794812012104—000r7—03
doi：103969／j．issn．1004—7948．2012．04．002
引言
近年来随着我国内陆天然气主干管网和沿海
一批天然气接收码头的相继建成投产，我国天然气
的供给和消费呈现快速增长的趋势。天然气作为
一种清洁能源，在我国能源结构的调整和转变过程
中起着重要作用。天然气燃烧充分，易于获得较高
的利用效率，其主要成分是CH。，燃烧产物为CO：
和H：O，温室气体CO：排放量为各种常规能源中
最低，燃烧清洁环保。另外，天然气易于进行管道
输送，储运成本低，便于大规模商业利用。
目前我国天然气消费利用主要由城镇居民生
活燃气、燃气锅炉供暖、燃气直燃机空调、燃气蒸汽
锅炉生产、燃机发电等用途构成。天然气的冷凝余
热利用始于20世纪70年代末，自1979年第一台
天然气冷凝式锅炉在荷兰诞生以来，欧美发达国家
对天然气冷凝利用进行了深入的研究开发，技术较
为先进和成熟。我国天然气大规模开发利用始于
20世纪90年代的西气东输工程建设，开发利用起
步较晚。天然气冷凝式余热利用技术的研究开展也
相对较晚。目前尚未形成完整的研究开发和商业利
用的产业链条。本文着重讨论燃气冷凝式余热利
用技术在节能和环保方面的特性。
l天然气燃烧产物分析及余热利用原理
天然气燃烧产物与天然气自身成分和过量空
气系数有密切关系。在应用较为广泛的燃气锅炉、
直燃机等热工设备中。燃烧过程过量空气系数较
低，约1．05～1．15。
本文计算燃料采用陕北天然气作为分析对象，
燃气成分如表l所示。
表1陕北天然气成分％
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
当过量空气系数为1．05时，燃烧产物的计算
结果如表2所示。
表2过量空气系数口=1．惦时燃烧产物计算¨’21
实际体积／m3·m一3(燃气)体积分散／％
烟气主要产物中水蒸气随着温度降低会发生
凝结现象，其他气体在烟气放热过程中均属不凝气
体。烟气温度逐渐降低的过程中．水蒸气逐渐接近
其分压力下的饱和温度，即露点温度(根据表l烟
气中水蒸气体积分数，计算烟气露点温度为
59．1℃)。当烟气温度低于露点温度，水蒸气分压
力大于烟气饱和水蒸气压力时，烟气中部分水蒸气
万方数据
一8一
节能
ENERGY CONSERVATION
2012年第4期
(总第355期)
逐渐凝结成为液态，释放汽化潜热。水蒸气凝结量
越大，释放热量也越多。冷凝式余热利用技术即利
用这一现象对余热进行回收利用。
冷凝式余热利用技术要求被加热介质人I=I温
度低于露点温度，以便实现冷凝换热，且被加热介
质入口温度越低，对数温差越大，越有利于传热。
实际工作过程中，烟温高于露点温度的情况下，也
有可能出现冷凝现象，这是由于被加热介质温度
低，造成贴近换热器壁面的烟气温度低于露点温
度，冷凝液首先出现并附着于换热器表面，释放汽
化潜热。冷凝液的出现能够在一定程度上强化传
热，凝液量与烟气流速、壁面形式、被加热介质温度
等因素有关。
本文以热平衡的方式对冷凝式余热利用的节
能特性进行分析，考察烟气传热前后能量平衡状
态，对于传热方式不同造成的微小偏差不作讨论。
2排烟热损失和冷凝率计算分析
燃气锅炉、直燃机等热工设备排出的烟气温度
一般高于130℃，进入余热回收装置后先释放显
热，这个过程中烟气夹带的水蒸气仍处于过热状
态，不能凝结为液态水而放出汽化潜热。当烟气温
度降低到水蒸气的露点温度时，烟气中的显热进一
步得到回收，同时烟气中水蒸气的部分汽化潜热也
将得到回收口1。烟气中永蒸气的汽化潜热总量等
于燃气高位热值和低位热值的差，约占烟气低位热
值的10％。以陕北天然气为例，低位热值为
34972kJ／m’，高位热值为388901d／m3，可供回收的
水蒸气汽化潜热总量为3918kJ／m3，占烟气低位热
值的11．2％。
2．1冷凝液质量分析
冷凝液质量根据烟气中水蒸气含量和不同温
度下烟气中的饱和水蒸气含量的差值计算。
计算公式和计算结果如下：
实际水蒸气体积y啪=2．0761m3／m3。
烟气中水蒸气质量mI．t20有：
m．bo=V00×18+22．4=1．67kg／m’。
烟气中饱和水蒸气质量计算依据烟气冷凝过
程中，不凝气体的体积不变原则。
出口温度下，lm3燃气产生的烟气中饱和水蒸
气含量(标态)计算如下：
‰’H=2』0-101告325 P×％ (1)
． 一id，‘1
jdz ～1，
式中：蚝20一出I=1温度下，lm3燃气燃烧产生
烟气中的水蒸气体积，m3／m3；
K一实际烟气总体积，m3／m3；
常数101．325一标准大气压，kPa；
P。出一出I=I温度下，水蒸气饱和压力，kPa。
出El温度下，lm3燃气产生的烟气中可容纳的
水蒸气质量计算：
m：，o=瞻o×18+22．4 (2)
2．2排烟热损失计算分析
以燃气低位热值为基准，计算不同排烟温度下
的排烟热损失占总热值的百分数，计算公式和结果
如下：排烟热损失=排放烟气的焓值÷燃气低位热
值。
当烟气温度高于露点温度时，lm3燃气燃烧产
生的烟气焓值日。为：
‰=hRoz x‰+‰×¨2+h02 x V02+
h邺×‰20+h：×m啦o (3)
式中：hR02、hN：、h02、h．20-1分别为三原子气体、
氮气、氧气、水蒸气的焓值，kJ／m3；‰、‰、％、
yto一分别为三原子气体、氮气、氧气、水蒸气的体
积，m3／m3；^：一露点温度下水蒸气的汽化潜热，
kJ／kg；m啦。一烟气中水蒸气质量，wd。
当烟气温度低于露点温度时，lm3燃气燃烧产
生的烟气焓值计算：
日。=l}lRq×y峨+hN2 x飞+h啦×％+hq×
mCH'o+hy×(mn20—m：20) (4)
式中：l}l。～指定温度下，气态水的焓值，ld／kg；
．}l。一指定温度下，液态水的焓值，kJ／kg。
图1所示为不同排烟温度下的热损失随排烟
温度的变化曲线，曲线的拐点为烟气露点温度。从
图中可以看出，当排烟温度高于露点温度时，排烟
热损失与排烟温度成正比，随排烟温度的升高而增
加；当排烟温度低于露点温度时，排烟热损失随排
烟温度的升高迅速增加，40一59℃(露点温度)段，
增速约为排烟温度高于露点温度段的8倍。这说
明当排烟温度低于露点温度时回收的热量应以水
蒸气的潜热为主，这样可以使热工设备排烟热损失
显著减少。
万方数据
2012年第4期
(总第355期)
节能
ENERGY CONSERVAl"10N
悱朋韫厦，℃
图1不同排烟温度下的热损失
2．3冷凝搴计算分析
计算不同排烟温度下的冷凝水质量占烟气进
口水蒸气质量的百分比，计算公式和结果如下：
t， T￡
U=—VH_20---一VH?0×100％ (5)
VH20
式中：ff_出口温度下，冷凝水质量占烟气进
出口质量的百分比，％。
图2所示为冷凝液占烟气中水蒸气的质量百
分比随排烟温度的变化曲线，可以看出，冷凝率随
排烟温度的升高而降低，排烟温度越高。冷凝率降
低的越快；当烟气温度由露点温度(59．1℃)降至
30℃时，冷凝率为81．2％，即每降低1℃，冷凝率增
加2．79％；当烟气温度由30℃降至10℃时，冷凝
率增加至95％，即每降低1℃，冷凝率增加
0．69％，约为露点降至30℃时冷凝率的1／4。
排烟温度，℃
图2不同排烟温度下冷凝液占烟气中水蒸气的质量百分比
3环保特性分析
天然气燃烧产物中的污染物主要是NO。。
NO，的生成机理复杂，主要与过量空气系数、燃烧
温度、燃料成分、气体在高温区的停留时间有
关‘41。一般NO。生成的体积浓度是通过实验测试
得到的，用实验数据归纳总结出NO。体积浓度与
过量空气系数的关系的经验公式pJ。
NO。的体积浓度与过量空气系数a的关系
有：
CNo。=93．51114—29．29056a+2．48464a2—
0．00129a3 (6)
经计算。当过量空气系数俚为1．05时，NO。
的体积浓度为87．7mg／in3(65．5 x10“)。
烟气冷凝过程中产生冷凝液，冷凝液与烟气接
触后，吸收烟气中的气体，可以减少烟气中有害气
体的排放。当冷凝液吸收的有害气体达到饱和时，
所减少的有害气体体积即为有害气体的理论最大
减排量，此时有害气体的最大减排量与冷凝前烟气
中有害气体的体积的比值即为有害气体的理论最
大吸收率。假定在溶解时各种气体相互之间的作
用可以不考虑，则可以计算冷凝液中最多能溶解的
有害气体质量(见表3)。
表3主要有害气体NO在不同温度水中的溶解度¨‘7】
g／1009水
温度溶解度
25℃
30℃
35℃
40℃
5．6X10—3
4+6 X10_)
3．6 x10一，
3．2 x10。3
现以上述燃气燃烧生成的烟气为计算烟气，计
算不同排烟温度下，产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)，
结果如图3所示。
F
骂
，。
2
X
25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
排烟温度，℃
凰3不同排烟温度下冷凝液最大理论
暇收污染物的量
由图3可以看出，当排烟温度为25—40℃时，
由于冷凝液的吸收作用，NO。体积浓度减少量为
2．26 X 10一一5．14 X 10～，减排率为3．45％一
7．85％。
万方数据
一10一
节能
ENERGY CONSERVATION
2012年第4期
(总第355期)
有机硅在混凝土保护中的试验研究
闰大伟。孙明赫。王静。张明
(本溪华夏集团。辽宁本溪117000)
摘要：试验研究水性有机硅憎水材料、溶荆型有机硅憎水材料、苯丙乳液一水性复配形成的有机硅憎
水剂对混凝土性能的影响。试验结果表明，混凝土添加有机硅憎水材料。可提高防水性、抗水渗透性、
抗冻性以及耐候性；复配后的有机硅憎水剂性能优于其他两种。
关键词：有机硅；憎水剂；混凝土
中图分类号：TUS02．2文献标识码：A文章编号：1004—7948【2012)04—00lO一03
doi：103969／j．issn．1004—7948．2012．04．003
1常见混凝土保护材料
堤坝、桥梁、塔、碑等建筑物长期暴露在自然环
境中。经受空气、雨水、酸雾的侵袭⋯，水分对混凝
土的浸蚀特别是通过裂缝向混凝土渗透会引起混
凝土内部钢筋的锈蚀，加快混凝土碳化；建筑物吸
水易产生壁面受潮，霜冻危害，风化，积灰，生长苔
藓、霉、地衣，受雨水中的化学物质腐蚀，耐久性差
等损害，从而增加了建筑物的维修工作量，也缩短
了建筑物的使用寿命旧o。因此，对建筑物采取有
效的保护，是确保建筑物长久使用的有效途径。
混凝土保护不仅可以保护混凝土外层，其良好
的耐酸碱、耐腐蚀性，能防护内部钢筋锈蚀，从而延
长结构寿命，而且解决了老化、搭接不严密、脱层滑
动等传统问题，使混凝土的吸水率、氯离子吸水率、
抗渗性、通过电量、氯离子扩散系数、恒电压氯离子
渗透速率、氯离子降低率均得到明显改善。混凝土
保护不仅可在混凝土表层形成憎水层，而且可提高
4结论
本文研究了天然气冷凝式余热回收原理，分析
了天然气燃烧产物的组成，以热平衡的方式对排烟
热损失、节能量和冷凝率进行了计算和分析，并以
陕北天然气为计算燃气，计算了燃烧产物和污染物
含量，并以此为依据，讨论不同排烟温度下，冷凝式
余热利用天然气烟气的节能特性和环保特性。
1)排烟热损失随排烟温度的升高而增加，当
排烟温度低于露点温度时，排烟热损失随排烟温度
的升高急剧增加。
2)烟气中可回收的蒸气潜热总量达到烟气低
位热值的11．2％。
3)水蒸气冷凝率随排烟温度的升高而降低。
4)烟气冷凝过程中水蒸气的凝结液可以吸收
烟气中的污染物，NO。体积浓度减少量为
2．26×10—6．5．14×10-6。
天然气冷凝式余热回收技术可以显著提高热
工设备热效率，降低烟气污染物的排放，实现节能
减排的目的。
参考文献
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通大学出版社，2000．
[2]SYT0535—1994，火筒式加热炉热力与阻力计算方法
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[3]车德福，刘艳华，等．烟气热能梯级利用[M]．北京：化
学工业出版社。2006．
[4]岑可法，姚强，等．燃烧理论与污染控制[M]．机械工业
出版社．2004．
[5]刘效洲，由世俊，等．壁挂燃气锅炉污染物排放特性的
实验研究[J]．煤气与热力，2005，(2)：9—12．
[6]陈德昌，实验室实用化学试剂手册[M]．山东：山东科
学技术出版社．1986．
[7]霍然．工程燃烧概论[M】．合肥：中国工业技术大学出
版社．2001．
作者简介：刘长征(1978一)，男，陕西咸阳人，硕士在读。研
究方向：天然气节能技术。
收稿日期：2012—03—19

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