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「供暖系统漫谈」冷凝壁挂炉与常规壁挂炉的区别及应用(下)

时间:2019-07-16    来源:博容节能    阅读数:
导读:常规壁挂炉比起冷凝壁挂炉来,主要的劣势在于效率低,但冷凝壁挂炉较之常规壁挂炉来说,则有成本高、技术难度高、维护麻烦、售后成本高等一系列问题。那么,有没有一种方式能够将两者的优点结合起来呢?
 
如果在常规壁挂炉的结构上,结合冷凝壁挂炉的烟气热量回收结构,提高一些效率,而其他部分基本保持不变,是否既可以提高效率,也不会带来那些麻烦呢?
 
上期内容说过,导致壁挂炉效率只能做到92%左右的主要原因是排烟温度较高,高温烟气热损失加上排烟中水蒸气带走的热量,降低了壁挂炉的热效率,如果能够将排烟温度直接冷却到露点温度以下,让烟气中的水蒸气凝结放热,则不但排烟损失更少,而且高温烟气中的水蒸气潜热被回收,也可以提高壁挂炉效率。
 
事实上,基于这种思路构建的产品叫做大气式烟气回收冷凝炉,也是在“真假冷凝”之战中被称为“假冷凝”的一方。
 
图1 大气式烟气回收冷凝炉结构示意图    
 
 
其实这种冷凝方式并非中国人独创,在80年代末90年代初,该方式最早在欧洲开发出来,后来随着全预混冷凝技术的广泛普及,这种结构如今在欧洲已基本淘汰。
 
从图1看出,大气式烟气回收冷凝炉就是在常规壁挂炉基础上增加了一个烟气回收换热器,通过低温水换热的方式将烟气温度降低,使得里面的蒸汽产生凝结,随后回水汽化潜热,同时降低排烟温度,提高热效率。
 
 图2 全预混冷凝炉结构示意图
 
对比一下全预混冷凝炉的结构,两者还是有很大不同的。全预混冷凝过程是在换热器中将烟气冷却到冷凝温度以下,排出的就是低温烟气,无需进行二次烟气冷却;而大气式冷凝在燃烧室和主换热器部分和常规壁挂炉一样,只是在排烟管道中设置烟气回收冷凝器,通过二次降温来实现冷凝。 
 
从上图可以看出,两种方式都有冷凝产生,既然如此凭什么你叫得冷凝炉我就叫不得?不叫冷凝壁挂炉让我叫什么?
 
两种冷凝炉的核心差别
 
实际上两种冷凝炉的核心差别倒不是是否“冷凝”上,而是冷凝方式和燃烧方式上的差异,冷凝方式前面已经分析过,那么燃烧方式的差别是什么呢?
 
1、大气式燃烧
 
是指燃气在燃烧前预先混合一部分空气,但达不到燃烧时所需的氧气,一般预混量控制在所需氧量的50%~60%,然后在燃烧管口与周围的氧气再次混合并发生燃烧。
 
特点:火焰温度较高、长度中等。有明显的外焰、热效率比没有预混的扩散式高、燃烧比较充分、设备简单。
 
缺点:空气过剩系数过大,热量浪费较大。
 
2、全预混式燃烧
 
是指燃气燃烧反应发生前将燃气和燃烧所需要的全部空气按燃烧最佳值一次性混合均匀,在到达燃烧区后能瞬间完全燃烧。
 
特点:呈红外线燃烧状态,火焰短或几乎看不到火焰、温度高、燃烧充分、有害气体化合物少、热效率高。
 
缺点:控制设备及程序复杂。
 
 

 
上表为之前有人围绕两者性能差异所做的一个对比图,基本上比较客观,

        除了上述差异之外,补充一些对用户使用影响较大的知识点:
 
1、两种冷凝炉冷凝温度的不同
 
由于大气式冷凝炉空气过剩系数较大,改变了烟气中的水蒸气分压比,导致大气式排烟温度的冷凝点要低于全预混,比如在空气系数1.8时烟气要冷却到49℃才能产生冷凝,而全预混冷凝炉的冷凝温度在58℃,这就意味着大气式冷凝炉要想产生冷凝现象,回水温度必须更低,保持几度温差的话意味着回水温度要低于45℃才可以,而全预混在回水温度55℃就可以产生冷凝了。
 
上面这个特点决定了全预混冷凝炉即使在散热器采暖中也可以有效冷凝,而大气式冷凝只有在地暖中才可能产生冷凝现象,使用范围受到限制。
 
从这个角度来说,全预混冷凝炉适应性好于大气式冷凝炉,加上热功率输出的差异,全预混具有更好的适用性。
 
2、热交换器的低温腐蚀问题
 
常规壁挂炉是将天然气和空气混合经燃烧排出约170℃的高温烟气。烟气中含有水蒸气、CO2,同时天然气中还含有硫化物,经燃烧后生成SO2,继续燃烧氧化后产生约占SO2的5%左右的SO3,SO2与水结合生成亚硫酸,SO3与水结合生成硫酸,其酸露点温度约在140℃到160℃(根据SO3的含量提升),当常规壁挂炉的排烟温度在170℃时,气态的酸蒸汽对主热交换器的腐蚀是非常轻微的。
 
当对烟气进行潜热回收排烟温度降为50℃,酸蒸汽相变为酸性液体,将会对热交换器产生极强的低温腐蚀。低温腐蚀严重时可以达到1mm/年的腐蚀能力,造成接触面穿孔,就目前的科学技术尚无法完全腐蚀,只能尽量减轻程度。
 
全预混壁挂炉的低温腐蚀出现在主热交换器中。为了降低这种腐蚀的影响,目前全预混壁挂炉的主换热器一般采用特种不锈钢或者硅铸铝材质,抗腐蚀性比较好。
 
而对于大气式冷凝炉主要的低温腐蚀产生在烟气换热器,通常材质受到成本限制,耐腐蚀性没有那么好,使用寿命较低,同时过多的过剩空气会增大氮氧化物和酸性物质的产生,导致大气式冷凝炉使用寿命降低。
 
3、冷凝壁挂炉的灰尘堆积问题
 
空气中含有灰尘等杂质,这些杂质在燃烧室内可能生成絮状的灰尘产生堆积,如果在换热器表面出现冷凝水则很容易让这些灰尘生成粘稠的污垢,附着在换热器表面影响换热效果。这些现象会在全预混冷凝炉的主换热器和大气式冷凝炉的二次换热器中出现,因此两种冷凝炉都会比常规炉更需要定期维护,否则容易降低寿命。
 
上面讲到的优缺点都是理论上的对比,特别是冷凝炉的效率和低氮排放方面,与其空气过量系数有着密切的关系。上述结论是建立在冷凝炉空气过剩系数在理想值的前提下,但是实际工作中很有可能不是这种情况。
 
为什么这样说呢?
 
全预混壁挂炉在出厂前,空燃比已由生产厂家预先设置好,在设置时是根据预设的标准工况和标准燃气校正的,如果燃气组成发生变化,导致燃气热值、密度、燃烧特性等超出设计范围,则此气种对应的最合理空燃比也会发生变化。
 
在欧洲天然气的品质比较稳定,也就是一定量的天然气配比多少空气是比较容易确定的,而中国各地气源复杂,不同地方燃气成分各不相同,供气压力不同、海拔不同都会导致大气压力不同等问题,如此实际运行中燃气需要的空气量也不尽相同,同时由于实际安装工人技术水平和操作流程的问题,很多时候需要现场根据具体燃气情况调节的工作没有真正落实,导致全预混壁挂炉不能达到最佳燃烧工况,甚至出现热效率降低、点火噪声大、燃烧噪声大、CO排放量升高等异常现象。
 
如何解决这个问题呢?
 
如果壁挂炉能根据不同的燃气自动调整空气过剩系数,则能适应不同地区、不同气源下的最佳空燃比,这就是所谓的燃气自适应技术。
 
听起来不错,但是如何实现上述目的呢?
 
能够实现自适应的技术方案有两种:一种是离子电流检测法,一种是二氧化碳检测法。但是后者由于检测元件的成本较高,并且在高温环境下,使用寿命有限,后期需要经常更换,因此壁挂炉上几乎没有使用的。
 
主流的自适应技术是离子电流检测法。研究表明,碳氢化合物在燃烧时会产生热电离子使燃烧火焰具有电导性。由于气体的导电能力有限,需要在燃气火焰与火孔之间附加一个直流电场,用于驱动火焰中的带电粒子,使带电粒子沿电场方向移动,这样就形成了离子电流。通过离子电流探测器检测燃气燃烧时产生的离子电流,来反馈火焰燃烧信号,判定燃烧是否异常。
 
燃气燃烧时产生的离子电流大小,与离子的浓度有关,离子浓度越大,产生的离子电流就越大;离子浓度越小,产生的离子电流就越小。
 
离子浓度又与火焰温度有关——火焰温度越高,产生的活化能就越大,气体原子被击活的数量就越多,产生的离子就越多,离子浓度就越大。
 
全预混燃烧空燃比过大或者过小都会对燃烧造成不利影响。空燃比过大时,多余的空气会带走热量,而随着火焰温度的降低,多余的空气会稀释离子,离子电流降低;空燃比过小时,燃烧不充分,火焰温度及热效率亦降低,由于未能充分反应,燃烧过程未能产生足够多的离子,离子电流也会降低,因此,通过检测离子电流的变化,可以间接的检测出空燃比是否合理。
 
火焰温度与过剩空气系数的关系见图3。由图3可知,当空燃比最佳时,火焰温度达到峰值,火焰离子电流也达到峰值。这是离子电流检测法用于判断全预混燃烧空燃比的理论依据。
 
图3 火焰温度与过剩空气系数的关系
 
综合看来,根据上述原理通过控制方式的改进可以解决全预混壁挂炉燃气自适应的问题,让全预混壁挂炉的安装调试及运行效率都有很好的改进,是一种非常重要的核心技术。可以说在中国结合了燃气自适应技术的全预混冷凝炉才是适合中国国情的冷凝炉。

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