更少能耗 更大能效——高效冷凝鍋爐技術
前言：在各類綜合能源技術中，能效技術是各國能源政策方針中促進節能減排的重要途徑之一。鍋爐作為能源供應端的一種常見的工業生產和民用設備，利用了燃料燃燒釋放的熱能或其他熱能，將工質水或其他流體加熱到一定參數，從而滿足了供熱的需求。但在這一能量交換的過程中總是會伴隨著一部分的能量損失，如何在消耗相同燃氣的情況下產生更多的能量，提升能源效率，是供能領域一個重點探究方向。在這一過程中，高效冷凝鍋爐技術應運而生。除此之外，與普通鍋爐相比，冷凝鍋爐的溫室氣體排放也顯著偏低，因而還具有環保優勢。
一、技術原理簡介
鍋爐主要分為“鍋”和“爐”兩個部分。前者是裝水的容器，由鍋筒和許多鋼管組成。后者是燃料燃燒的場所，所得熱量通過換熱傳遞到水中。傳統鍋爐的排煙溫度在110℃-200℃之間，煙氣中的水處于過熱狀態，以水蒸氣的形式存在。要進一步實現高效節能，可以進一步“壓榨”燃燒產物，回收煙氣中的熱量，將煙氣的溫度降低到50℃左右以獲取其中的汽化潛熱，并仍將其應用于鍋爐？偠灾淠仩t就是利用高效的冷凝余熱回收裝置收集高溫煙氣中的顯熱和水蒸氣凝結釋放的潛熱，從而實現提高鍋爐效率的目的。
圖一：冷凝鍋爐工作原理圖
二、技術發展及成熟度
世界上第一臺冷凝鍋爐于1979年在荷蘭由理查德·維特（Rid Vetter）開發，1982年用于天然氣，1984年用于石油。自1990年以來，全氣體冷凝鍋爐技術一直是最先進的技術。最初的鍋爐材料和煙囪管沒有足夠的耐腐蝕性，來自冷凝鍋爐的冷卻煙氣不再加熱煙囪，而是將可冷凝成分冷凝在溫度較低的煙囪上。但由于冷凝作用導致排煙溫度過低，當低于臨界點時會產生冷凝水，從而產生酸性冷凝物侵蝕基礎材料。為了避免這一情況，除了要控制排煙溫度外，具有非吸收性、無孔表面的耐酸管（由最高耐120°C高溫的聚丙烯-S、最高耐160°C高溫的的PTFE制成或不銹鋼管）也被廣泛應用于冷凝鍋爐設備的生產中去。此外，為了經濟地制造冷凝鍋爐的熱交換器，并使設備在安裝時易于管理，、往往會采用最小的實際應用尺寸。但這種方法會導致熱交換器的燃燒側阻力變高，通常需要使用燃燒風扇來使廢氣通過狹窄的通道。排出的燃燒氣體通常低于100°C，密度接近于空氣，幾乎沒有浮力，因此還需要安裝燃燒風扇將廢氣泵送到外部。另外還需要安裝熱交換器冷凝水排放系統，煙氣中的冷凝物在密封管的內壁上向下回流，從熱交換器中排出，最終按照法律法規排入污水系統。
三、技術優勢
1.高效節能：
使用高熱值燃料的傳統鍋爐熱效率一般為70%-80%，同等條件下冷凝鍋爐的熱效率在實際生產中可達到98%，理論上甚至能達到更高水準。從下面圖表中我們可以看出，冷凝鍋爐在較低溫度工作狀況下熱效率較高。
圖二：不同工況冷凝鍋爐熱效率（來源[3]）
2.全預混式燃燒
常規鍋爐風量不能自動調節，所以在小火時空氣供給量大，而大火時可能會過小，從而不完全燃燒，浪費燃氣；而冷凝鍋爐是全預混式燃燒，空氣量可以自動調節，使空氣量與燃氣量的比例更加合適燃燒。
3.全封閉式燃燒
常規鍋爐只有火焰上方有主熱交換器，周圍會造成熱量損失；而冷凝鍋爐采用全封閉燃燒，燃燒火焰周圍全是熱交換器，從而有效的降低了爐體自身的熱量。
4.環保，減少有害排放
冷凝鍋爐與常規鍋爐相比，使用了很多新的技術，而這些技術除了能提高鍋爐的熱效率，達到節能的目的之外，也能夠減少鍋爐使用時對于環境的污染和破壞。獨特的水冷燃燒器+全預混燃燒技術以及換熱原理，確保有害物NOx以及CO排放比常規鍋爐低。
5.更長的使用壽命
冷凝鍋爐與常規鍋爐在外形上并沒有什么區別，但冷凝鍋爐的燃燒室一般由不銹鋼或者硅鋁合金材料制造，相比常規鍋爐的主要材質為銅加鋁材料制造，具有更的抗酸性抗腐蝕性。雖然受到國內水質、燃氣內雜質和空氣質量等因素的影響，但冷凝鍋爐壽命一般還是可達到25年左右。鍋爐使用壽命大致情況如下表：
圖三：鍋爐使用壽命大致情況表（來源[4]）
四、技術經濟性案例分析
低溫冷凝鍋爐技術在提高效率，節約燃料的同時也增加了設備成本。這部分的成本主要包括換熱器材料成本、閥門及管道費用、設備安裝費用、加裝換熱器后帶來的維修費用以及加裝換熱器后阻力增加導致的風機耗功增加，以下將從國內國外兩個案例的角度來呈現冷凝鍋爐的投資經濟效益。
國內案例
以國內某項目投資為例，不同材質的安裝設備投資成本和投資回報期也有所不同。如下圖所示，如果將180℃的排煙溫度降低到50℃,回收余熱的冷凝式熱能回收裝置采用普通鋼管時回收期為300h ,采用不銹鋼回收期為900h ,采用PTFE塑料管投資回收期則為1800h。從計算結果還可以看出材料壽命分別為3、5和10年時對投資回收期的影響不大。
圖四：不同冷凝式熱能回收裝置的投資回報曲線（來源[2])
1 - PTFE管(壽命10年)的投資回收期;
2 ,3 ,4 -不銹鋼壽命分別為3、5、10年時的投資回收期;
5 -普通鋼壽命分別為3、5、10年時的投資回收期(由于很接近幾乎成一條曲線)
（數據圖表來源：[2]）
國外案例
在德國的能源轉型中，對老舊建筑進行翻新和能效改造是十分重要的手段，其中對能源生產設備的更新換代是常見的措施之一。下圖所示為德國勃蘭登堡州的一個始建于1903年的農場民用住宅，該建筑物提升能效的重要途徑之一就是利用高效冷凝鍋爐替換低效的老舊鍋爐。
圖五：德國老建筑能源設備更換案例
在鍋爐改建前，該建筑地下室配備有5個油箱，每個油箱容量為1500升。該特殊供暖鍋爐始于1991年，熱量輸出范圍為32至40千瓦，并且集成了熱水供應的功能。舊鍋爐需要由于設備老化常常需要修理，并且必須時不時更換排氣管，這其中產生了不少的維修費用。在將該鍋爐進行更換改造后，拆除了5個舊油箱，為此還為地下室節約了更多使用面積。
新的冷凝鍋爐輸出功率為26千瓦時，其功率可在30%到100%之間進行調節。改裝所產生的設備購置和安裝費約12000歐元。在改造之后，該住宅每年將消耗大約3000立方米的天然氣，而舊鍋爐每年需要消耗約3500升機油。下圖為2014年11月鍋爐改造前后耗能變化，預期數據為該建筑2013年同期使用傳統鍋爐的消耗燃料熱值。據計算可以減少約15％到20％的能源支出，具體的回收期長短將取決于未來天然氣的價格變化。
圖六：德國老建筑能源設備更換案例（來源[6]）
五、政策現狀
目前，冷凝式鍋爐在歐洲已經大范圍取代了傳統常規鍋爐，北美也有部分家用中央供暖系統由高效冷凝鍋爐提供動力。荷蘭是第一個廣泛采用該技術的國家。歐洲與環保節能有關的團體和政府機構強烈建議安裝冷凝式鍋爐。例如，英國要求自2005年以來在英格蘭和威爾士安裝的所有新型燃氣中央供暖鍋爐都必須是高效冷凝鍋爐。根據德國政府2015年最新的《節能條例》，30年以上的鍋爐（低溫鍋爐或冷凝鍋爐除外）必須由冷凝鍋爐代替。在美國，某些州為安裝冷凝鍋爐的住戶和能源公司提供額外相關稅收優惠。在加拿大西部，當高效冷凝鍋爐系統安裝在多單元住宅中時，能源供應商提供服務收費方面的優惠。近二十年來，北美天然氣價格的下降也在一定程度上導致冷凝式鍋爐改造的增加。
近年來，我國大約有60%的能源來自煤的燃燒，政府正在實行積極的能源政策。其核心要素是提高能效和從根本上減少污染物排放，從而改善空氣質量。高效冷凝鍋爐有助于實現這一政策目標。在中國市場，有90%以上的燃氣鍋爐使用的是傳統技術。使用的裝置大多是壁掛式低溫鍋爐，價格相對便宜，但無法達到較高的效率水平，大部分效率不到85%。目前，我國一些機構對冷凝式鍋爐、冷凝式燃氣熱水器已經有所研究，設計了冷凝式煙氣熱能回收裝置并應用于實際工程。隨著節能減排政策的實行，全民低碳意識的提高，冷凝技術是未來的發展趨勢。從能源結構看，天然氣作為一種潔凈環保的優質能源必定會被廣泛應用，我國的“煤改氣”政策就是例證。高效冷凝燃氣鍋爐未來的發展將會顯現出更明顯的優勢。
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