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【摘 要】燃气锅炉的烟气冷凝器能够显著提高锅炉燃烧效率，是燃气锅炉节能降耗的主要研究课题，但存在着冷凝液腐蚀受热面，温差应力大，烟气冷凝器烟气侧阻力大等问题，设计一种新型紧凑型烟气冷凝器，将304L波纹换热管应用到烟气冷凝器中，既解决了烟气冷凝器发生晶间腐蚀、使用寿命短等问题，同时，由于波纹管的特殊形状，减少了换热管膨胀节的设置和污垢的处理，以回收燃气锅炉的烟气余热，提高锅炉的燃烧效率。
【关键词】燃气锅炉，烟气冷凝器，304L，波纹管
一、项目背景
近年来，世界能源结构发生了巨大的变化，由于燃料煤的使用，对地球环境造成了巨大的环境灾难，节能减排成为当前中国乃至世界能源工作的中心议题，随着新能源的开发使用，煤炭已经逐渐退出了民用供热领域，石油、天然气、电能已经成为民用供热的主要能源。其中，天然气作为一种高效、环保的能源在能源消费结构上占有越来越重要的地位，高效利用天然气的新设备、新技术逐渐成为能源环境工程领域的一个热门课题。
随着我国吸气东输、川气东送和北气南下等一批天然气主干管网的建成投产，我国天然气消费将呈现持续高速增长的态势。又燃气锅炉具有效率高、环保、易实现自动化、作业性好等优点。尤其是在排烟成分上，因气体燃料基本上无灰分，含氮量和含硫量低，故燃料烟气中硫化物和氮氧化物的含量都很低，同时燃气锅炉采用管道输送，没有灰渣。故中部地区城市热水蒸汽锅炉大量采用燃气锅炉。
但是，因燃气锅炉是以天然气为原料进行燃烧提供热的，而天然气主要成分为甲烷（CH4），燃气锅炉的排烟中水蒸气的含量较高，资料表明，排烟中可利用的热能中，水蒸气的气化潜热所占份额相当大。每1m3天然气燃烧后可产生1.55kg水蒸气，具有大约3700kJ/Nm3热量，占天然氣的低位发热量的10%以上。排烟温度在160℃～270℃，烟气中的水蒸气仍处于过热状态，大量的显热和潜热被排放到大气层，其中硫、氮的氧化物容易引起酸雨酸雾，破坏了生态环境，同时大量高温气体的排放，降低锅炉的燃烧热效率，提高运行费用。
二、新型烟气冷凝器设计
（一）新型烟气冷凝器材料的选择
304L不锈钢是一种通用性的不锈钢，被广泛应用于制作要求良好综合性能的设备和机件。
化学成分：C≤0.03，Si≤1.0，Mn≤2.0，Cr：17.0～19.0，Ni：8.0～11.0，S≤0.03
主要特性
1.具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。
2.具有优良的冷热加工和成型性能。
3.低温性能较好。
4.具有良好的焊接性能
与304相比，304L含镍量比304高，并且更重要的是304L比304含碳量小很多。304L在焊接点上或者其他处理的地方放点蚀上面比304更胜一筹。304L更耐腐蚀， 比304用途广泛，具有良好的耐腐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性。冲压弯曲等热加工性好。无热处理硬化现象，无磁性，使用温度-196℃～800℃。304L焊接后或消除应力后其抗晶界腐蚀能力优秀，在未进行热处理的情况下亦能保持良好的耐腐蚀性。
（二）新型烟气冷凝器形式的选择
波纹管换热器的设计是基于管壳式换热器结构的基础上，对传热元件进行开发设计，用专用设备将薄壁不锈钢管加工成内外均为连续波纹状曲线的波纹管。波纹管因其特殊结构而具有以下特点：
1.传热系数高。当介质在波纹管及管外流动时，因其流动面积和流速方向不断变化，使介质受到了强烈的扰动，这种扰动来自管外介质的三维运动，因此其扰动程度更为强烈和彻底，即使介质流速很低，也能达到充分湍流，所以传热系数很高。
2.可承受中低压，耐腐蚀，寿命长。波纹管由于本身的波纹曲线和冷加工变形，即使管壁较薄，也能承受较大的压力，对化工行业中的中低压换热工况，是安全可靠的；对于不同的介质以选用不同的不锈钢，可以使用优质材料提高设备的抗腐蚀能力，减少运行费用，延长设备的使用寿命。
3.适应大温差工况，可以实现自我补偿温差应力。 波纹管是有连续的波纹组成的，管壁薄，且不锈钢材质韧性好，使它具有一定的轴向伸缩能力，进而补偿和吸收换热器和简体在工作状态下由于温差应力和压差应力产生的变形。根据国家锅炉压力容器标准化委员会出版的锅炉压力容器标准案例-奥氏体不锈钢波纹管换热器设计案例中推荐，规格为φ32/25×0.8的波纹管换热管单波刚度值达到了56300N/mm。
4.可以防垢、清垢。在波纹管内外，流体对管壁的冲刷较强烈，同时不锈钢材质表明光洁度较高，因而可以在一定程度抑制水垢的生产，另外，由于波纹管的特殊形状和污垢与金属的热膨胀系数相差较大，会促使污垢脱落，实现自动清理。
5.维修方便。由于该产品不污染、不堵塞、不腐蚀、不结垢、因此不必每年维修，即使需维修，工作量也很小。
6.价格合理。由于该产品传热系数高，所需换热面积小；而且，波纹管的管壁较薄，结构紧凑。按换热能力计算，总造价不高。
（三）新型烟气冷凝器设计
该烟气冷凝器主要有波纹换热管、管套和筒体组成，其中，波纹管端部与具有一定饶度的管套焊接，管套再与筒壁进行强度焊接，这样的结构既可以保证波纹管的结构牢固，又可以使其具有原来很好的弹塑性。
烟气冷凝其工作时，使烟气锅炉的烟气从下至上通过该冷凝器的壳程，冷却水在管程中流动，通过烟气与波纹管的对流传热、波纹管自身的热传导及波纹管与水的对流传热，使得烟气温度降低，水的温度升高，实现对烟气余热的回收利用。
参考文献：
[1]穆连波.烟气冷凝余热深度回收利用装置的研究与应用研究[D].北京建筑工程学院，2011.3
[2] 张继宁，潘慧敏.专利：一种用于烟气处理的冷凝器.申请号：201120482655.9.公开号：CN202432526U
[3]赵钦新，王宇峰，王学斌，惠世恩，徐通模.我国余热利用现状与技术进展[J].工业锅炉.2009， 5
[4] 吕晓岚.实施节约优先的能源发展战略一《中国的能源状况与政策》白皮书解读.天然气技术，2008， 2（2）
【关键词】燃气锅炉，烟气冷凝器，304L，波纹管
一、项目背景
近年来，世界能源结构发生了巨大的变化，由于燃料煤的使用，对地球环境造成了巨大的环境灾难，节能减排成为当前中国乃至世界能源工作的中心议题，随着新能源的开发使用，煤炭已经逐渐退出了民用供热领域，石油、天然气、电能已经成为民用供热的主要能源。其中，天然气作为一种高效、环保的能源在能源消费结构上占有越来越重要的地位，高效利用天然气的新设备、新技术逐渐成为能源环境工程领域的一个热门课题。
随着我国吸气东输、川气东送和北气南下等一批天然气主干管网的建成投产，我国天然气消费将呈现持续高速增长的态势。又燃气锅炉具有效率高、环保、易实现自动化、作业性好等优点。尤其是在排烟成分上，因气体燃料基本上无灰分，含氮量和含硫量低，故燃料烟气中硫化物和氮氧化物的含量都很低，同时燃气锅炉采用管道输送，没有灰渣。故中部地区城市热水蒸汽锅炉大量采用燃气锅炉。
但是，因燃气锅炉是以天然气为原料进行燃烧提供热的，而天然气主要成分为甲烷（CH4），燃气锅炉的排烟中水蒸气的含量较高，资料表明，排烟中可利用的热能中，水蒸气的气化潜热所占份额相当大。每1m3天然气燃烧后可产生1.55kg水蒸气，具有大约3700kJ/Nm3热量，占天然氣的低位发热量的10%以上。排烟温度在160℃～270℃，烟气中的水蒸气仍处于过热状态，大量的显热和潜热被排放到大气层，其中硫、氮的氧化物容易引起酸雨酸雾，破坏了生态环境，同时大量高温气体的排放，降低锅炉的燃烧热效率，提高运行费用。
二、新型烟气冷凝器设计
（一）新型烟气冷凝器材料的选择
304L不锈钢是一种通用性的不锈钢，被广泛应用于制作要求良好综合性能的设备和机件。
化学成分：C≤0.03，Si≤1.0，Mn≤2.0，Cr：17.0～19.0，Ni：8.0～11.0，S≤0.03
主要特性
1.具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。
2.具有优良的冷热加工和成型性能。
3.低温性能较好。
4.具有良好的焊接性能
与304相比，304L含镍量比304高，并且更重要的是304L比304含碳量小很多。304L在焊接点上或者其他处理的地方放点蚀上面比304更胜一筹。304L更耐腐蚀， 比304用途广泛，具有良好的耐腐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性。冲压弯曲等热加工性好。无热处理硬化现象，无磁性，使用温度-196℃～800℃。304L焊接后或消除应力后其抗晶界腐蚀能力优秀，在未进行热处理的情况下亦能保持良好的耐腐蚀性。
（二）新型烟气冷凝器形式的选择
波纹管换热器的设计是基于管壳式换热器结构的基础上，对传热元件进行开发设计，用专用设备将薄壁不锈钢管加工成内外均为连续波纹状曲线的波纹管。波纹管因其特殊结构而具有以下特点：
1.传热系数高。当介质在波纹管及管外流动时，因其流动面积和流速方向不断变化，使介质受到了强烈的扰动，这种扰动来自管外介质的三维运动，因此其扰动程度更为强烈和彻底，即使介质流速很低，也能达到充分湍流，所以传热系数很高。
2.可承受中低压，耐腐蚀，寿命长。波纹管由于本身的波纹曲线和冷加工变形，即使管壁较薄，也能承受较大的压力，对化工行业中的中低压换热工况，是安全可靠的；对于不同的介质以选用不同的不锈钢，可以使用优质材料提高设备的抗腐蚀能力，减少运行费用，延长设备的使用寿命。
3.适应大温差工况，可以实现自我补偿温差应力。 波纹管是有连续的波纹组成的，管壁薄，且不锈钢材质韧性好，使它具有一定的轴向伸缩能力，进而补偿和吸收换热器和简体在工作状态下由于温差应力和压差应力产生的变形。根据国家锅炉压力容器标准化委员会出版的锅炉压力容器标准案例-奥氏体不锈钢波纹管换热器设计案例中推荐，规格为φ32/25×0.8的波纹管换热管单波刚度值达到了56300N/mm。
4.可以防垢、清垢。在波纹管内外，流体对管壁的冲刷较强烈，同时不锈钢材质表明光洁度较高，因而可以在一定程度抑制水垢的生产，另外，由于波纹管的特殊形状和污垢与金属的热膨胀系数相差较大，会促使污垢脱落，实现自动清理。
5.维修方便。由于该产品不污染、不堵塞、不腐蚀、不结垢、因此不必每年维修，即使需维修，工作量也很小。
6.价格合理。由于该产品传热系数高，所需换热面积小；而且，波纹管的管壁较薄，结构紧凑。按换热能力计算，总造价不高。
（三）新型烟气冷凝器设计
该烟气冷凝器主要有波纹换热管、管套和筒体组成，其中，波纹管端部与具有一定饶度的管套焊接，管套再与筒壁进行强度焊接，这样的结构既可以保证波纹管的结构牢固，又可以使其具有原来很好的弹塑性。
烟气冷凝其工作时，使烟气锅炉的烟气从下至上通过该冷凝器的壳程，冷却水在管程中流动，通过烟气与波纹管的对流传热、波纹管自身的热传导及波纹管与水的对流传热，使得烟气温度降低，水的温度升高，实现对烟气余热的回收利用。
参考文献：
[1]穆连波.烟气冷凝余热深度回收利用装置的研究与应用研究[D].北京建筑工程学院，2011.3
[2] 张继宁，潘慧敏.专利：一种用于烟气处理的冷凝器.申请号：201120482655.9.公开号：CN202432526U
[3]赵钦新，王宇峰，王学斌，惠世恩，徐通模.我国余热利用现状与技术进展[J].工业锅炉.2009， 5
[4] 吕晓岚.实施节约优先的能源发展战略一《中国的能源状况与政策》白皮书解读.天然气技术，2008， 2（2）