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综述 冷凝式锅炉及工程应用
文章编号:1004-8774 (2003) 04-01-09
冷凝式锅炉及工程应用

赵钦新,查爽,康子晋,郑蕾
(西安交通大学能源与动力工程学院,西安710049
摘要:文章阐述了冷凝式锅炉的工作原理及其应用,分析了冷凝式锅炉在工程应用时可能遇到的问题及其
对策,并根据冷凝式锅炉在欧洲及北美国家的历史和发展状况探讨了在我国发展冷凝式锅炉的市场前景.
关键词:冷凝式锅炉;常规锅炉;霉点温度;热效率
中图分类号TK229文献标识码:A
Condensing Boiler and Its Application
ZHAO Qin-xin, ZHA Shuang, KANG Zi-jin, ZHENG Lei

(Xian haotong University, Xian 710049, China)
Abstract: The paper revealed the fundamentals and applications of condensing boiler, analysed some problems and
solving measures in engineering practice and discussed the market prospect of condensing boiler based on its developed his-
toty and present situation in European and North American countries.
Key words; Condensing boiler; Conventional boiler; Dewpoint; Thermal efficiency
1概念与背景
冷凝式锅炉是指能够从锅炉排放的烟气中吸收
水蒸气所含的汽化潜热的锅炉.常规锅炉将烟气中
大部分显热传递给水或蒸汽,而冷凝式锅炉不仅将
更大一部分显热传递给水或蒸汽,而且还吸收了部
分烟气中的水蒸气冷凝后释放的汽化潜热.冷凝式
锅炉这一概念的实现必须具有冷凝式热交换受热
面,当然这种热交换可以是间壁式,再生式,也可以
是直接接触热交换的结构型式.实际应用中要达到
烟气中水蒸气的冷凝,系统回水温度一般要低于50
一55 `U.按照是否利用烟气中水蒸气的汽化潜热可
以将锅炉分成两类:
(1)冷凝式锅炉冷凝式锅炉因为吸收了烟气
中大部分的物理显热和水蒸气的汽化潜热而具有较
高的热效率,即使在低负荷运行时也是如此,冷凝式
锅炉的排烟温度一般低于7590.
(2)非冷凝式锅炉或称常规锅炉,一直以来,
避免尾部受热面产生冷凝是设计常规锅炉时努力坚
持的基本原则.设计时要使尾部受热面壁温高于水
收稿日期:2003-04-16
露点和酸露点,排烟温度一般在170℃以_L.这种
锅炉在额定负荷下运行时,烟气中水蒸气所含的汽
化潜热随烟气通过烟囱排人大气.
当然,也有人认为在这两种锅炉之间还存在一
种被称为准冷凝式锅炉的情况,如在锅炉启停过程
中或低负荷运行时也有冷凝发生,此时锅炉也具有
较高的热效率.殊不知,任何非冷凝式锅炉在启动
和停炉过程中都存在不同程度的冷凝发生,这是由
于启停过程中,回水(或给水)温度低于额定回水温
度而使热交换受热面壁温低于水露点温度所致,这
仅仅是一个瞬态过程.应该引起注意的是,目前市
场上大多数的燃气热水锅炉在采暖季节大约有1/3
的时间按低负荷冷凝式锅炉的方式运行,因为这些
锅炉一般都采用碳钢板或碳钢管制成,运行几年以
后,碳钢管和钢板以及连接处(焊接残余应力)将产
生严重的点蚀(PC),间隙腐蚀(CC)和应力腐蚀开
裂(SCC).建议锅炉检验部门加强停暖期间的腐蚀
检查,以便发现问题,及时解决.
图1示出了冷凝式锅炉(右)和常规锅炉(左)
的主要结构差异.可以看出,冷凝式锅炉必须具有
冷凝式热交换受热面,采用高性能的外壳保温和密
封材料,锅炉本体和烟囱必须设置冷凝水排放装置,
万方数据
工业锅炉2003年第4期(总第80期)
一般要增设引风机以克服冷凝式热交换受热面的阻
力以及低排烟温度引起的自然通风力的下降.
烟气热交换冷凝器回收的热量和进人热交换器
的人口烟气温度,烟气中水蒸气含量,烟气露点温度
和热交换冷凝器换热面积直接相关,并与热交换冷
凝器冷端人口温度成反比关系,烟气中较高的过量
空气系数会降低水露点温度并对冷凝器的热量回收
产生不利的影响.
羽状汽雾--一洲傲
绝热板密封防腐蚀烟011_
扮浪锄目日洲端认
{
川叫习|夕介刁
常规锅炉冷凝锅炉

图1常规锅炉和冷凝式锅炉的主要差别
水I^7i`u(
邂毗.
烟囱吸换热器口,通风曰燃烧器
1901年,首次在商业文献中报道供热系统中发
生冷凝和腐蚀的现象,当时有许多燃气设备安装在
纽约市和水牛城,"…儿乎所有人都在烟囱中放置
一根铁管接取冷凝水".英国和美国大约在20世
纪20年代和30年代开始部分使用天然气和油代替
煤作为供热燃料.Carlyle Ashley于1928年为Carri-
e:一Lyle公司设计了一个被称为"Weathermaker"的
燃气专利产品,这也是第一个用烟气中水蒸气冷凝
概念进行供热和空调的高效率燃气加热炉(high -
efficiency Gas Furnace),其专利证书详细记载了烟
气中水蒸气冷凝的概念.
第一台用于住宅供热的冷凝式锅炉(condensing
Boiler)是加拿大Luca.一Rotax公司在20世纪50年
代后期开发的Canadian boiler Pulsamatic,使用了脉
动燃烧器( Pulse combustor ),这种冷凝式锅炉到
1966年为止,大约生产了700台.其他欧洲国家20
世纪60年代才开始使用天然气供热,在此之前,广
泛采用城市煤气,但城市煤气的化学成分中具有较
高的硫含量,使得冷凝水具有较强的酸性和腐蚀性,
当时冷凝式锅炉由于必须耗费价格昂贵的耐腐蚀性
材料而被禁止生产.因此天然气的使用成为发展冷
凝式锅炉的先决条件,但其经济性仍受到质疑.
开始于20世纪70年代早期的能源危机迫使人
们重新将注意力集中在能源节约上,因此对能源节
约的追求促进了高效率冷凝式锅炉的发展.整体式
冷凝式锅炉的大规模研究开始于1978年,主要在荷
兰(Holland),法国(France)和英国(Britain ).目
前,荷兰的冷凝式锅炉已占供热锅炉市场的70% o
除传统单用途冷凝式锅炉产品外,国外还相继开发
了双采暖型,联合供热型,辅助太阳能供热型冷凝式
锅炉,其中联合供热型冷凝式锅炉(Comhi Conden-
sing Boiler)在英国已占家用锅炉市场的60%,到
2005年将突破70%.
欧洲国家在冷凝式锅炉技术研究和设备应用的
程度上明显优于北美国家,尽管北美国家在烟气冷
凝技术研究方面的投资都比较大,但普及的程度却
不如欧洲国家.当然这一方面是由于北美国家本土
具有丰富的油,气资源储备,而荷兰等国家的能源大
多依赖于国外,价格比较昂贵;另一方一面欧洲国家多
以湿式采暖(Wet , water)为主,而北美国家则以干
式采暖(dry,warm air)为主.因此,北美国家的采暖
重点是发展冷凝式热风炉(Condensing Furnace) o
2冷凝式锅炉原理
2.1天然气燃烧过程
天然气的主要成分是甲烷(CH4), CH4燃烧的
化学方程式为:CH4+20, = CO, + 2H20+热量
16kg(甲烷)+64 kg氧气)=44kg(二氧化碳)+
36kg(水蒸气)+热量(摩尔质量平衡)
其他碳氢化合物燃烧的类似化学方程式也可以
以同样的方式给出.
2.2夭然气热值
燃料燃烧释放出来的热量被称为燃料发热值,
燃料的发热值可以采用实验测定的方法给出,发热
万方数据
综述 冷凝式锅炉及工程应用
值有高位发热值(HHV或GCV)和低位发热值典型天然气的高位发热值一般在37 MJ/m'
(LHV或NCV)之分.39 MY耐范围内,因为在实际燃烧过程中,燃烧产
天然气的高位发热值(HHV)是指标准状态下物无法冷却至反应的初试温度,因此真正的高位发
(101. 325 kPa,20`C)lm,的干气体和空气完全混合热值无法达到.很明显,燃料中氢的含量越高,低位
燃烧,燃烧产物冷却至初始温度,燃烧后生成的水蒸发热值就越低,对夭然气而言,低位发热值一般为高
气冷凝至液体状态时向环境释放出来的热量.位发热值的90%.表1给出了一些典型燃料在标
天然气的低位发热值(LHV)和高位发热值准状态下的不同发热值,应该说明此表是指北美国
(HHV)的定义类似,但燃烧后生成的水蒸气仍保持家采用的101.325kPa,15'C(我国为200C)的标准状
气体状态,水蒸气的汽化潜热(每lkg水蒸气冷凝的态.
汽化潜热为2453kJ)没有被回收.

表1典型燃料在标准状态下的不同发热值
燃料高位发热值(HHV)低位发热值(LHV)一}(HHV一.V)/HHV x100(%)
无烟煤34.60 MJ/kg}33.90 MJ/kg2.0
烟煤33.50 MJ/kg}32.45 MJ/kg}3.
汽油46.80 MJ/kg43.70 MJ/kg6.6
内燃机油一}46.00 MJ/kg43.25 MJ/kg6.0
轻质燃料油44.80 MJ/kg42.10 MJ/kg}
液化石油气123.5 MJ/m'114. 9 M口/m'7. 0
天然气38.60 MJ/m'}34.90 MJ/m'9.6
煤气一20.00 MJ/m'17.85 MJ/m'},.75
氢气11.85 MJ/m'}9.97 MJ/m'15.86
2.3燃烧及产物燃烧过程中,不可能使燃料和完全燃烧需要的
完全燃烧需要的空气量为理论李注气量,可以通空气量立即混合,完全燃烧.必须加一定量的过量
过燃气成分及反应方程计算得到,为便于理解表2空气保证燃气在离开燃烧室之前完全燃烧,必须保
给出了典型天然气成分及其空气量及烟气中水蒸气持最低的过量空气,才能获得最高的锅炉效率,因为
含量的计算结果.从表2中可以计算得到烟气中水需要耗费相当多的热量才能将过量空气加热到排烟
蒸气的体积份额,得到水蒸气的分压力,就可以求得温度.
水露点温度.
表2典型天然气成分及其空气t及烟气中水燕气含A
前混合气体/m'或kmol燃烧产物/扩或kmol
组成成分
燃烧
气体份额所需.2
1.896
所需空气CO,总和干烟气H20
CHn
C, H6
C,H,
C, H,a
co,
0.948
0.029
0.008
0.002
0.001
0.012
0.102
0.040
0.013
1.896
0.087
0.032
0.010
0.948
0.058
0.024
0.008
0.001
于空气2.051/0.21 =9.767
H,0 (,p二40%
a=1.0
.二1.1
a=1.2
剩余0.0
剩余0.205
剩余0.410
2.051
2.256
2.46110.82011.803
0.069
2.094
2.101
2.108
9. 767 x 0. 79 7

一0
1.039
:::
7.728
8.499
9.271
101112
844-145一056一018一001一012一716一069一861844828
仇仇仇
2.4理论冷凝水最计算
气体燃料在(101325Pa,20`C)时单位体积内的
n P 101325
V二WT= 8314. 4 x 293二0.04158 kmol/m'
摩尔数可用下式获得: 因此a=1.2时理论上能够获得的单位体积燃
料水蒸气冷凝的最大质量为:
万方数据
工业锅炉2003年第4期(总第80期)
典型冷凝式锅炉

尹户户
高效常规锅炉
_庆-一二~~呵___L娜[一_」一
30 40 50 60 70 80
回水温度(℃)
满负荷时热效率和回水温度的关系
外叼盯的巧
断锌象划蒸洲妇炯今衅言握召辉
一11一一弓
图2
W}一
冷凝式锅炉
巴铃拼燕
18 X 2. 108 X 0. 04158=1.578k彭m3m
作为估计,天然气燃烧过程中理论上生成的冷
凝水的量一般为40 V GJ,每kW每小时的冷凝水量
大约为150m1;一般的燃气冷凝式锅炉可以将30%
一50%的水蒸气冷凝下来.
2.5锅炉效率
冷凝式锅炉的热效率存在很多的误解,在此需
要加以澄清:
(1)在排烟温度35℃左右时,按高位发热值计
算的冷凝式锅炉的热效率一般可以达到95%左右.
因为我国多采用低位发热值进行计算,天然气的高
低位发热值之差约为10%,因此,使得很多文献资
料中出现了按低位发热值计算的热效率超过100%
的情况,实际上烟气中的水蒸气一旦发生冷凝,继续
沿用低位发热值计算热效率就显得不合理了,也就
是说,无论什么锅炉,其热效率均不可能超过
100%.
(2)在排烟温度220℃时,按高位发热值计算的
常规燃气锅炉的热效率一般在80%左右,由此可
知,冷凝式锅炉的热效率可比常规锅炉提高11%
15%.应该强调指出的是,15%的效率增益有40%
一50%是由排烟温度的降低引起的显热回收带来
的,其余的50%一60%的效率增益才是水蒸气汽化
潜热回收的结果.严格地讲,目前新投运的冷凝式
锅炉的效率增益是由显热回收十潜热回收+外壳密
封和保温十控制功能改善(如减少备用损失)四部
分的总和,在这四部分构成当中,外壳密封及保温和
控制功能的改善一般可提高效率1%一3%.所以
把冷凝式锅炉的高效率完全归功于冷凝,是以讹传
讹的结果.
(3)冷凝式锅炉并不是只有在冷凝模式状态运
行时才具有较高的热效率.冷凝式锅炉具有较大面
积的热交换器,总是能够吸收烟气中的显热,因此即
使工作在非冷凝模式仍然具有高于常规锅炉的热效
率.
锅炉负荷,系统回水温度,过量空气系数都直接
影响冷凝式锅炉的热效率.图2和图3分别示出了
系统回水温度和锅炉负荷对冷凝式锅炉热效率的影
响趋向.应该说明的是:当冷凝发生时,热效率不会
突然发生变化,而是随着回水温度的下降平稳地升
高(如图2).热效率随负荷的变化是锅炉性能的实
际评价,测试的是燃烧器输出功率降低后一段时问
的平均效率,可以看到冷凝式锅炉在低负荷时具有
更高的热效率.

00--一J--一一上-一_一司一一」_一___一一__匕一____'_卫

010 70 30 10 50 60 70 80 90 100

负荷(%)

图3热效率随负荷的变动关系
冷凝式锅炉热效率71二100一4z一4s(%)
式中}92一排烟热损失;9s-散热损失.
以下计算一台燃用以上燃料的冷凝式锅炉的热
效率,其他数据可参考表2.若锅炉排烟温度为
40`10,过量空气系数.二1.2,冷凝水排放量为
0. 70k酬m'(燃料),冷凝水温度为3590.
排放的冷凝水烩值可以认为近似等于3590时
饱和水焙,执= 146. 6 kJ/kg;排烟中过热水蒸气的
焙值决定于其分压力或水蒸气的体积份额,但在较
低的水蒸气分压力下,将过热水蒸气的焙值取为相
同混度下的干饱和水蒸气的烙值,具有很好的近似
1性,因此当排烟温度为40℃时,排烟中的水蒸气的
恰值为h.二2573.7k]/kgo a二1.2时,所需干空气
量为1.2 x9.767二11. 72kmol/kmol,反应生成的氮
气量为0.012+(11. 72 x O. 79) = 9. 271 kmol/kmol ,
烟气中的剩余氧含量为11.72x0.21-2.051=
0. 410kmol/kmol,总的干烟气的摩尔数为(0.410十
9. 271 + 1. 039) =10. 72kmol/kmol,因此干烟气中各
气体份额分别为:1.039/10.72二0.(3969002,0.410/
10.72二0.038202,9.271/10.72二0. 865N2 0
摩尔比热容C.二(0. 0969 x 44 x 0. 858 ) +
(0.0382,32 x 0, 92)+(0. 865 x 28 x 1. 04)二
29. 972kJ/kmol K
万方数据
综述 冷凝式锅炉及工程应用
摩尔质量M=(0.0969 x44)+(0.0382 x32)
+(0. 865 x 28)二29.706k盯kmol K
干烟气的质量比热容cp =几/M = 29.972/
29.706二1.00895kJ/kg K
单位燃料的干烟气质量二10. 72 x 29. 706 x
0.04158=13.241 k盯m3m
则排烟处的焙值损失:
h,二干烟气烙+排烟中水蒸气的焙+冷凝水排
放量的焙一人炉空气的烩一人炉空气温度下水蒸气
的焙
二(13. 241 x 1. 008 x 40)+{(1.578一0.70) x
2573.7}+0. 7 x 146. 6一11. 72 x 0. 04158 x 29 x
1. 0042 x 20)一(1.578 x83.9) =2480kj/m3
4z=排烟烩值损失/高位发热值=2480/38600
=6.42%
取4s =1.0%;
按高位发热值计算的冷凝式锅炉热效率为刀=
100一4:一 5 = 100一6.42一1.0=92.58%,计算表
明,如果测量了冷凝水量,就可以计算热效率,冷凝
水量越多,热效率就越高.按低位发热值计算的热
效率应为(38600一2480一38600 x 0. 01 ) /34900 x
100二102.4%,可见这一计算公式没有什么直接的
物理意义.
3冷凝式锅炉结构
目前,国外生产的冷凝式锅炉多数是用于供热
的容量小于1. 4MW的锅炉,其中用于家庭中央供
热系统的小容量锅炉占70%以上,鉴于国外50%a以
上的居民都拥有自己独立的住宅和独立的中央供热
系统,多数采用容量较小的结构紧凑的整体型冷凝
式锅炉;只有那些居住在公寓的人们以及商业网点,
宾馆,饭店,学校,医院才使用分散的锅炉房供热或
集中供热,此时可以在常规锅炉尾部附加二次冷凝
热交换器的分离型冷凝式锅炉,表3是国外常用的
冷凝式锅炉结构分类方法.
表3冷凝式锅炉的结构分类
种类}名称一一释义
1
Purpose一Built
Add一on
专业型,专门按照冷凝式锅炉特点设计的结构,集成优化设计,能效最高
附加型,在常规锅炉的尾部附加二次冷凝热交换器的结构,效率不及专业型
2
Integral HE
Split HE
整体型有一个热交换器,分为主换热(显热)和二次换热区(潜热),同种材料,图4左
分离型,有两个热交换器,分为主热交换和二次冷凝热交换器,不同材料制成.图4右
3
Domestic
Non一domestic
家庭型,适用于家庭中央供热,有单采暖型,双采暖型及联合供热型
非家庭型一般为单一日的设计分别实现采暖和供应热水,较大容量
图4示出了整体型热交换器和分离型热交换器
在冷凝式锅炉中的布置情况,根据冷凝的机理和成
本的核算,建议采用分离型热交换器,减少耐腐蚀材
料的使用量和维护成本.
pk}燃烧器1 }Iles.Jes"尽妇们一翩州
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热交换器一手,冷凝水

整体型热交换器分离型热交换SS

图4整体型和分离型热交换器的结构示意图
根据燃烧火焰的方向,也可分为上燃,下燃和水二次热交换器的设计.
平燃烧方式.上燃设计为了布置二次热交换器,一冷凝式锅炉一般需要配备不同型式的通风设备
般采用M型,N型,U型双通道,炉体宽度增加,如以克服布置冷凝热交换器而增加的附加阻力,同时
图1(右)所示.下燃设计多采用预混燃烧器方式,弥补烟温降低引起的自生通风力的降低.通风设备
烟气在冲刷翅片热交换器之前与水套(主热交换可布置在锅炉的进口(强制鼓风)和出n(强制引
器)进行辐射换热,形成一种单通道的轻型紧凑结风),也可以布置在主,副热交换器之间,依设计而
构,如图5所示.瑞士Hoval就采用整体冷凝式锅定.
炉.水平燃烧方式多用于大容量的锅壳式锅炉附加
万方数据
工业锅炉2003年第4期(总第80期)
此日曰日川日
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二T-
睡协热交换韶

一几味一冷凝水

图5下燃燃烧方式结构示意图
4问题及对策
冷凝式锅炉的高能效使很多研究者不顾其使用
条件过分估计了冷凝式锅炉的市场前景.殊不知,
理论研究和生产实践往往会有较大的差距,理论上
的问题解决了,但在工程实际应用过程中,冷凝式锅
炉却面临着以下必须解决的问题:
(1)冷凝式锅炉并不适应某些高温供热系统;
(2)冷凝式锅炉需要特殊设计的控制系统;
(3)冷凝水一般具有轻微酸性,需要耐腐蚀的
铁素体不锈钢,奥氏体不锈钢,铝合金等;
(4)年运行当量时间对投资及其回收年限的评
估问题;
(5)冷凝水的回收,处理与排放问题.
4.,供热系统的选型
冷凝式锅炉的使用必须满足一些条件才具有
高能效的经济价值,不能过分强调其能效而忽略其
他方面的能源损耗.CIBSE评价了影响冷凝式锅炉
使用的因素,给出了选择冷凝式锅炉时的要求,如表
4所示.可以看到,年供热的当量时间不能少于
1500小时.国外的宾馆,医院,老年人居住的房屋
公共建筑一般可以达到2500一3500小时,仓库,休
闲中心的商店,某些办公室一般可以达到1500
2500小时,其他情况下,冷凝式锅炉的经济性应进
行客观分析.如我国家庭使用的燃气热水器主要用
于淋浴,其每年使用时间不超过700小时,因此专门
用于淋浴的冷凝式热水器不具有高能效的经济性.
只有既采暖又供应热水的联合供热型冷凝式锅炉才
具有高能效的经济性.
表4冷凝式锅炉选型的影响因素
评价目标供热水系统设计温度}年供热当量时间设计的室内温度
理想的效果
地板采暖
温水供应
2500一3500小时
每天24小时,每周7天
大于20`C
宾馆,医院,游泳池
良好的效果
有天气补偿的变动温度工况
(83/72-C)
1500一2500小时,每天10一15
小时,每周6天
16 -20cC
大多数的建筑物
差的效果恒定热水温度供应系统(83/
72弋)
少于1500小时,每天少于10小
时,每周少于5天
小于1610隐蔽式供热
冷凝式锅炉的设计准则是控制回水温度低于露
点温度(52一55-C).表5表明,目前存在三种常用的
供热系统,而冷凝式锅炉最适合的供热系统是地板采
暖或供应温水的热水锅炉.我国采用传统的95/707
供热系统,相当多的锅炉按80/70℃运行,要完成冷
凝,必须采用新的供热方式.蒸汽锅炉若采用常温水
除氧(如氮气除氧等)方式(而不是热力除氧),也可
以实现连续的冷凝,具有相当的经济效益.

表5常用的供热系统
传统供热系统}冷凝供热系统
出水温度805;K)
Ca水温度7ocC (K)
系统温差109C (K)
出水温度7WU(K)
回水温度50`C (K)
系统温差20T (K)地板辐射供热系统
出水温度50T(K)
回水温度40-C (K)
系统温差1W: (K)
4.2控制的特殊性
要充分发挥冷凝式锅炉高能效的优势,必须采
用区别于常规锅炉的控制系统,具体有以下几点:
(I)具有可变出力调节(VCO, Variable Con-
trolled Output)控制功能,WO是冷凝式锅炉最新的
控制技术,可调负荷从30%一100%,如典型的家用
联合供热冷凝式锅炉负荷变动范围为5kW一24kW o
该功能同时具有天气补偿的作用,当用于加热建筑
物的热量随着天气条件的变化升高或降低时,该功
能能在确保锅炉高效运行的基础上自动调节锅炉的
出力,一般要采用比例调节的燃烧器才能达到.
(2)当采用常规和冷凝式锅炉的混合供热系统
(见4.5)和顺序控制时,控制冷凝式锅炉在低温回
水温度下工作较长的时间,而非冷凝式锅炉只在热
需求量较高时运行相对较短的时间.
4.3冷凝热交换器材料
冷凝式锅炉在欧洲大规模安装使用开始于
1981年,目前已经获得了一些和使用寿命相关的数
据.加拿大燃气研究所(CGRI)从1970年开始进行
万方数据
综述 冷凝式锅炉及工程应用
材料的抗腐蚀性研究,后来美国能源部(DOE)和新蚀.钢中添加铬含量能抵抗冷凝水的一般腐蚀(如
成立的燃气研究所(GRI)也相继加人到研究的行列50不,N仇,N氏等),高铝含量能抵抗不锈钢的
中.cGRI早期的工作主要研究用于冷凝式热风炉PC,cc及scc(cl).表6列出了几种常用材料的
〔CondensingFumace)的抗腐蚀材料,初步研究发现化学成分,表6中实际烟气中折算的腐蚀速率单位
普通的奥氏体不锈钢如304,304L,314,314L,316,为m耐年.因为A比9一4c是一种不含昂贵的镍合
430,439,444具有较好的抗腐蚀性.之后工业界开金的超级铁素体不锈钢,其材料成本低于含镍的奥
始采用普通的低碳奥氏体不锈钢如304L生产冷凝氏体不锈钢和镍基合金,因此,A砚9一4C具有极高
式热交换器,但不久就在换热器的存在加工应力的的市场竞争力,但应该清楚的是,该钢不适合高硫燃
区域发现了严重的点蚀(PC),间隙腐蚀(CC)和应料.目前除了304L发生点蚀外,还相继发现碳钢的
力腐蚀开裂(SCC).严重腐蚀,塑料管的开裂和撕裂,铝及常规奥氏体不
DoE/GRI联合对这一问题进行了研究,发现腐锈钢的腐蚀,316不锈钢的腐蚀开裂等问题,但从
蚀起源于氯离子腐蚀机理.经过试验认证,含有高1980年开始连续使用的Ao9一4c一直没有诸如此
铬和高钥的铁素体不锈钢,如A比9一4C,还有镍基类的问题发生.另外,铜(Cu)一般不用来制造冷凝
合金,如Hastelloyc27,以及高钥含量的奥氏体不锈式热交换器.因为一些国家,如英国标准规定,排放
钢,如AL一6xN,254SMO和654SMo(城市垃圾焚的冷凝水中的cu含量须低于sm留L.
烧锅炉的烟气冷凝)可以成功地抵抗冷凝水的腐

表6抗冷凝水腐蚀合金的名义化学成份及评价
钢号C151Mnl一sPNil}cr一}M.1W一v一}Nb一
}c.}一N腐蚀速率评价
1丫PE304L
TYP〔316L
TYPE317L
All恻904L
AL一6XN
254SM0
654SM0
AL29一4C
HastelioyC276
0,03
0.02
0.03
002
0.02
0.02
0.01
0.02
0.02
0t45
0_50
030
030
030
042
042
035
100
1.30
171
0.80
080
0.80
0.49
3.00
0.50
2.00
〕_015
〕023
〕.004
〕004
0.01
〕015O03
003
0,02
0.02
003
〕.025
8伪
11.0
140
25.0
24.0
184
22.0
030
B目.
18.0
16.5
18.5
20.5
20.5
20.1
24.0
29.0
160
2.18
310
4.50
6.20
642
730
4.00
16.0
40
035
035Cu
15CI〕
077Cu
0.50Cu
06(毛+比)
0(拓N
OtO7N
0t06N
0.05N
O22N
0.ZIN
0.50N
0.02N
5.0』飞
310
160
1.13
068
051
0.17
013
015
0.12
点蚀/间隙腐蚀
点蚀/!句隙腐蚀
点蚀/间隙腐蚀
点蚀/}旬隙腐蚀
轻微点蚀
均匀腐蚀
均匀腐蚀
均匀腐蚀
均匀腐蚀
对于天然气而言,因为燃料中硫含量较低,冷凝项目的冷凝式锅炉冷凝水pH值的现场测试值(单
液仅呈弱酸性,但油燃料中往往含有一定的硫,具有值为平均值).可以看出,冷凝水的酸性的变化和
较强的酸性.表7是对国际上一些组织实施的工程燃料直接相关.

表7典型冷凝式锅炉冷凝水的pH值和CI一值
燃料Nat盯alG二一}Na:uralc叱一}NaturalG朋一一1于洲三一NG一}涩北天然气
pH值(酸性)3.6~6.9
一}3.7一43一}2..3.0}3.5一}54一6..
Cl一(m『L)一一
一}0一5..一}}1.一},6.5
50'(呵L)一}2..一}2..一4o..一{30一46..一}:4.
N',;(m口L)一一2.514.0一}30一1500一},0一180.0一},7.67
研究单位}IcGRll}G二一}NetherlandGa.一}c工B渺B*tio1,.,一1一二_,一尸
}四女父大/新大乐
4.4燃烧产物排放
冷凝式锅炉的燃烧产物排放主要包括50:,
NO:,Co,coZ,CH.,水气,挥发有机物(vOC.),卤代
化合物等大气排放物,冷凝水液体排放物及烟尘或
烟灰粒子,微量元素等固体排放物.其中50:,Nox
能在大气中形成酸雨;COZ,CH4,卤代化合物直接造
成地球暖化;水气在大气中形成云雾;co,挥发有机
物(vocs)及烟尘或烟灰粒子在大气中形成烟雾;另
外,微量元素和卤代化合物是潜在的致癌物.目前
世界发达国家用于供热的能源已经超过总能源消费
的1/3,供热产品减排已成为重要的组成部分.高
效率冷凝式锅炉的采用能够大大减少燃料消耗量,
减少50:,No,,Co:的排放,具有重要的现实意义.
据英国1991年的统计,采用冷凝式锅炉每年节约
40,000万英镑,每年减少co:的排放600万吨.
研究已经证实,冷凝水及杂质等固体和液体排
放物对城市污水处理系统的影响是微不足道的,一
些酸性较强的冷凝水经过化学物质中和或降低酸性
万方数据
工业锅炉2003年第4期(总第80期)
以后方可排到污水系统,如奥地利(Au卖ia)已经要
求燃油冷凝式锅炉的冷凝水应降低到可以接受的酸
性程度.但对广泛采用天然气的国家,如荷兰,英国
等对此没有要求.但要求冷凝水排放应满足污水检
测部门的要求,如英国水质管理部门提出的污水排
放控制指标为:硫酸盐含量不超过巧oom留L,二氧
化硫含量不超过sm群L,铜,铅,镍,锌含量不超过
sm酬L,银含量不超过10m斟L.
冷凝水的温度一般接近锅炉的回水温度,但当
烟气向上流过冷凝热交换器时,冷端形成的冷凝水
会被热端再加热到高于露点温度,但一般不超过
70℃左右.因此冷凝水的排放通道推荐使用塑料管
及其配件,如PVC,ABS,聚丙烯,聚乙烯等,也可以
采用具有一定壁厚的碳钢管或不锈钢管.

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锅炉

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开式漏斗附加u形水封最小坡度1龙.傀5

图6冷凝水排放的附件结构
冷凝水排放通道的堵塞,会引起停炉,因此运行
中产生的冷凝水应尽快排去.根据

表8CIBSE的工程
经验,对家庭冷凝式燃气设备,可采用中25的管道
排放冷凝水;对商业用的容量高达500kw的冷凝
式锅炉,推荐巾38的管道;容量大于500kw后,建议
采用科5及以上的管道.图6示出了冷凝水排放
的附件结构.
4t5成本增加与回收
冷凝式锅炉由于增加了二次冷凝热交换器,强
化了外壳密封和保温以及增加了更高的控制功能,
使得制造成本大大增加.和常规锅炉相比,如果增
加的成本能够在短期内收回,则冷凝式锅炉能效的
提高才具有经济价值.有鉴于此,必须对冷凝式锅
炉和常规锅炉进行成本和投资回收分析.表8为
CIBSE给出的按年供热量为2250GJ的冷凝式锅炉
和常规锅炉,以及50%冷凝十50%常规,50%冷凝
+50%高效非冷凝锅炉的供热系统的成本和简单投
资回收评估表.经过冷凝式锅炉的长期运行实践,
专家认为联合常规和冷凝式锅炉的混合供热系统也
是一种具有较高经济性的供热方式,此时选择冷凝
式锅炉在低温回水温度下工作较长的时间,使其供
热能力达到总供热量的60%一70%是最优化的运
行方案,而非冷凝式锅炉只在热需求量较高时运行
相对较短的时间,表8的分析可以看出联合供热的
投资回收时间短,尽管其热效率低干纯冷凝式锅炉.
表9是加拿大矿产与能源技术中心(CANMET)对实
际运行的冷凝式锅炉的成本回收分析数据,和表8
的分析具有类似的投资回收期.
英国冷凝式锅炉成本和简单投资回收评估
锅炉类型年供热量
(哪)
燃料价格
(£/GJ)黔热输人量
(GJ)
燃料成本
(£)
增加成本
(£)
节省燃料
(£)
简单回收期
(年)
A常规锅炉(非冷凝)22503.207231251〕)洲)一}0基准值
B高效锅炉(非冷凝)22503.208l2778一}58902500』11025(洲)门110二2.2
C冷凝式锅炉2250}}320872586眨80450017204500/1,20二2_6
D半冷凝半常规22503208327118675225013252250/1325二17
E半冷凝半高效{{225032085264784703500巧3035(城)门530二2.3
表9加拿大实际运行的冷凝式锅炉成本和简单投资回收评估
锅炉类型年输人热量
(臼)
排烟温度
(℃)
效率
(%)
燃料价格
(CAD/Gj)
节省燃料
(CAD)
冷凝器价格
(CAD)
安装费用
(CAD)
简单回收期
(年)
热交换器
生产商
CB蒸汽锅炉1239.73595.03t754649512430741.76
SH热水锅炉1855.5359323.756958}一67243800151
B&W蒸汽锅炉209591①149②8834.0584884482692:}{1'8:叫}}2.37CHX③
B&W蒸汽锅炉{1912.①149②8794.0577461948493011471662.10FGn
B&w蒸汽锅炉一}527肠3①149⑦86.54.055272价230690988266231AIR
注①年节省的热量;
②进人冷凝热交换器的烟气温度;
③由三家冷凝热交换器生产商对同一台锅炉提出的改造方案,cHx,UsA,采用706铜合金外徐特弗龙防腐;FcR,usA采
用硅酸硼玻璃防腐;AFR,Switzedand采用川51304奥氏体不锈钢防腐.
万方数据
综述 冷凝式锅炉及工程应用
简单成本增加与回收分析,只能简单表明能效
提高带来的经济效益,要彻底衡量投资回收效益,需
要考虑锅炉使用寿命期内的所有维护成本,并考虑
利率变动指数,才能对冷凝式锅炉进行长期效益分
析.我们认为,按目前的技术发展,选择性能优异的
耐腐蚀材料,冷凝式锅炉达到巧年的使用寿命是可
以企及的,而且欧洲已经有相当多的冷凝式锅炉已
超过15年的使用寿命.
5结论
冷凝式锅炉并不是简单地增加一个二级冷凝热
交换器就可以实现其整体功能的.它是综合了冷凝
换热,抗腐蚀材料,可变出力调节控制,燃烧比例调
节,供热模式转换等多个新型工程概念的应用技术.
我国的住房结构,供热模式与欧洲,北美大不相同,
是否能够形成大规模生产整体冷凝式家用锅炉的市
场,尚待认真的市场调查分析,但有一点可以肯定,
将现有的常规燃气锅炉改造成冷凝运行模式是切实
可行的.冷凝式锅炉的投资成本一般为常规锅炉的
1.5一2倍,即使发达国家普通经济收人的家庭都认
为比较昂贵.因此我们建议政府应尽快推出用户使
用高效节能供热产品的基金补助方案,如英国为支
持用户采用冷凝式锅炉设立了节能信托基金(EST)
补助方案,对安装冷凝式锅炉的家庭补贴200至
250英镑.目前我国在冷凝式锅炉的材料,控制,系
统设计等方面缺乏必要的技术储备,锅炉制造业可
以通过引进国外已经完善的技术,加以消化,积极完
善制造能力,提高技术水平,只有这样才能改变目前
在冷凝式锅炉技术上的落后局面.在采用冷凝式锅
炉技术时,一定要认真分析使用条件,选择合理的供
热方式,核算投资成本及回收期,才能充分发挥其高
能效和节约能源的优势.so
参考文献
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future Spring, England,2001.
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land,1989.
[7]Z. A. Siddiqi and H. S. Divauji. Evaluation of the potential
for the application of flue gas condensing systems to gas-
fired industrial bollem,CANMET,Canada,1986
作者简介:赵钦新(工963一),男,山东胶州人,西安交通
大学博士,副教授,1986年获热能工程专业学士学位,1989
年获实验力学专业硕士学位,同年留校任教至今,1998年获
金属材料及热处理专业博士学位,2002年赴加拿大西安大
略大学做访问学者.编著有2动力机械与设备制造工艺
学》,《燃油燃气锅炉》,《工业锅炉安全经济运行》等五部作
品,目前主要从事锅炉专业教学,科研及产品设计开发工作,
发表相关专业论文近40余篇.
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更正
本刊第3期郑志凌的《热水锅炉与供暖系统一起采用化学方法清洗水垢》一文中的图5应更正为:
供}1川}回
水曰Af-i水
管I I器!1管
图5反洗流程示意图
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