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摘要：目前我国的环保政策日趋完善，工业企业中高污染、高能耗的设备已逐渐被燃烧清洁燃料的新型设备所取代，天然气等清洁能源已成为工业企业的首选，但是天然气的价格较昂贵，所以提高天然气锅炉的燃烧效率仍然是一个十分重要的问题。本文提出的浸没式燃烧技术能够预先将燃气与空气送入燃烧室，再将燃烧完全后的高温烟气喷入液相区达到液体与高温烟气直接换热从而与液体二次换热。通过实验与技术经济分析得知，此技术具有节省制造成本、传热效率高、能源利用率高、对锅炉的腐蚀性小等优点。
Abstract： At present， China"s environmental protection policy is becoming more and more perfect. The equipment with high pollution and high energy consumption in industrial enterprises has been gradually replaced by new equipment that burns clean fuel. Clean energy such as natural gas has become the first choice of industrial enterprises， but the price of natural gas is relatively expensive， so increasing the combustion efficiency of natural gas boilers remains a very important issue. The immersion combustion technology proposed in this paper can send gas and air into the combustion chamber in advance， and then spray the high-temperature flue gas after combustion into the liquid phase to directly exchange heat between the liquid and the high-temperature flue gas to exchange heat with the liquid. Through experiments and technical economic analysis， this technology has the advantages of saving manufacturing cost， high heat transfer efficiency， high energy utilization rate， and low causticity to the boiler.
关键词：沉浸式燃烧;天然气锅炉;燃烧技术;燃烧效率
Key words： immersed combustion;natural gas boiler;combustion technology;combustion efficiency
中图分类号：TK229.8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）20-0178-03
0 引言
天然气锅炉因具有设计投资小、运行调节方便、清洁性好、易满足环保要求等优点被用户青睐[1]。
在用天然气相对其它固体燃料具有杂质含量很少、低磨损、少结渣等优点，且能够更好的提高锅炉受热面的烟气流速，而被广大用户积极采用[2]。而国内在用燃气锅炉中保温性能较好的热效率可达90%以上（低位热值），但由于其价格相对昂贵（约为煤5倍、轻柴油1.5倍），所以如何提高然气锅炉热效率极为重要。
提高锅炉热效率，就必须减少各种热损失。对于燃气锅炉，由于气体燃尽时灰分基本为零，更无固体、液体燃料的机械不完全燃烧现象，故机械不完全燃烧热损失q4、灰渣物理热损失q6均为零;在锅炉正常运行的情况下，化学不完全燃烧热损失q3接近于零;散热损失q5和锅炉的炉型及維护结构有关，对于燃气锅炉，一般均为小型快装锅炉，外表面积较小，并采用了高热阻及封闭的外罩壳作为保温层，q5也不大，并且随锅炉容量的增大而减少，如2.8 MW热水锅炉的q5约为2%。因此燃气锅炉最主要热损失是排烟热损失q2。所谓排烟热损失是指烟气离开末级受热面带走的热量，对锅炉排烟温度的高低起决定性作用。
排烟热损失是降低锅炉效率的主要因素。若采用常规的锅炉设计技术，不加装节能器，6t/h以下的锅炉尾部烟温达300℃，10t/h以下的锅炉尾部烟温在230℃左右，而20t/h的锅炉尾部烟温也高达200℃。此外，由于天然气燃料含氢量大，经验分析每产生10万大卡的热量所产生的水蒸气相对燃煤工业锅炉多2倍，较重油高46%左右。又由于标况下水在100℃时汽化，而目前大多数燃气锅炉烟温均超过200℃，因此水蒸气汽化潜热岁尾部烟道损失掉而无法回收。又因水蒸汽凝结会放出大量的热量，如果采用浸没式燃烧技术将排烟温度降低到40℃，不但可以减低排烟热损失，还可以回收大量的水蒸汽凝结所释放的汽化潜热，使锅炉的效率大幅度提高。吉林省能源研究所曾对一台采用浸没式燃烧技术的2t/h天然气锅炉进行了热工测试，其热效率高达98%，若按考虑水蒸汽的凝结热计算，其锅炉热效率达103%。所以，采用浸没式燃烧技术可以极大地提高锅炉热效率，节约大量的资金，值得大力推广。
1 概述
浸没式燃烧是一种新型的燃烧技术，能够预先将燃气与空气送入锅炉的燃烧室完全燃烧，再将燃烧完全后的高温烟气喷入液相区，从而达到与液体的二次换热目的。
浸没式燃烧过程属无焰燃烧的一种，而其换热方式属直接接触式换热。此种燃烧方式的早期应用在于解决锅炉间壁式换热的问题，主要如下：
①气体对流换热系数较小，同等出力下所需传热面多。
②设备大且传热系数较小，投资大。
③加热或蒸发易结晶、易结垢、粘稠的液体时，接触壁面易产生水垢，降低设备热效率，甚至引起安全事故。
④排出的烟气温度高，热损失大，不安全。
⑤设备效率低，能耗高。
浸没式燃烧（直接接触式换热），具有优点如下：
①传热面不固定，解决了间壁式换热器传热面的腐蚀、结垢、结晶等问题。适用于蒸发或加热腐蚀性强、粘稠、易结垢和易结晶的液体。
②高温烟气经液体鼓泡流出，从而能够使气液两相流充分接触换热。又由于气液混合时搅动强烈，大大增加了气液间的换热面，从而强化换热过程，能够使高温的烟气余热以最大限度给液体加热，达到降低排烟温度的目的，其热效率则远高于间壁式换热器。以锅炉为例，采用浸没式燃烧技术的锅炉其热效率（低位热值）可高达103%。
浸没燃烧方式因具有上述诸多优点，极大的提高了能源使用率，至使其已成为节能的重要措施之一。
2 浸没式燃烧系统结构简介
目前，在锅炉上应用的浸没式燃烧系统结构主要有以下两种：
2.1 填充层型浸没式燃烧系统
如图1所示，其壳体多由耐热玻璃所制，并在内部填充拉希环。工作原理如下：
高温烟气进入燃烧室6后，经气体分配器由下往上过填充层。液体则经液体分配器自上往下喷淋，穿过填充层。二者于填充层中相互混合进行接触式换热。换热过程主要受以下几个因素影响：
①填充物的比表面面积，即单位体积填充物所具有的表面积。它为气液两相提供接触面。比表面积与填充物的形状、大小有关。
②液气比，即喷淋液体量与燃烧产物量之比。选用合适的液气比可以保证浓气充分接触。当喷淋液体量过小，液体有可能不能淋过全部填充物表面积，从而使之与气体接触面减小，即减少了传热面积。因此，液气比的大小直接反映传热效率的高低。
③气体空塔速度与进气量和塔径相关。考虑压力损失后适当的进气速度可保持气液两相流持续并充分接触，从而最大增强换热面积提高传热效率。
④液相喷淋分布情况很大程度影响换热过程。当液相喷淋不均时，填充物局部未能润湿，则换热效率降低。当液相自上而下喷淋时，由于动力粘度相对气相较大易沿壁面流动，因此合理的填充物布置和排列也尤为重要。
上述结构阻力小且效率极高，但其缺点为设备产能小，对比同等处理量设备，其体型较大。
2.2 多孔板型浸没燃烧装置
多孔板型浸没燃烧系统如图2所示。
在塔式装置内装有多孔板，液体由塔顶自上而下喷淋，并沿多孔板小孔下沉。热烟气则从塔底送入，经多孔板小孔上升到液相层。气液沿孔板流动的情况也会随塔内两相流的变化状况处于不断变化之中。
液体由于堆积在某一时刻由多孔板部分开孔处向下流动，烟气则经过多孔板另外部分开孔处向上流动。流经气体多孔板开孔周围时，多孔板上气波相即泡沫层高度将逐渐增高。
当压力增加到能够使多孔板上的液体静压与气体自身压力之和大于多孔板下气压时，液体则通过此气流孔向下流;当流经液体的多孔板开孔周围时，液体不断下流使多孔板上部气液相高度慢慢降低，当多孔板下方烟气压力大于上部气压与水静压之和时，烟气则由此开孔强制向上流动，进一步液相与气相顺次自动交换，并与栅板的泡沫层直接接触。在泡沫层中，气液的交替流动多孔板的气液两相接触面能够不断更新，能够为强化换热提供极有利条件。
因此，决定此种强化换热的主要因素为两相流体力学性状及多孔板性能，而两相流又随气液流量、气液性质及孔板结构等因素变化。包括多孔板的孔径、开孔率、泡沫层高度、节距、板厚度、空塔速度、波气比、烟气及液体特性等。
合理的设计取决于多孔板结构及液气比，但与填充式浸没燃烧装置相比，多孔板型浸没燃烧装置生产量比较大，故而此种装置可操作性差、控制范围窄。气、液量的变化也会直接决定两相流换热状况，以至于可能超出正常适用状态，造成传热恶化。
3 浸没燃烧的装置能否对锅炉产生腐蚀探讨
采用浸没式燃烧装置可以极大地提高锅炉热效率，但是由于在锅炉，热水和烟气直接接触，因此采用此技术后能否对锅炉的安全运行产生影响是一个人们普遍关心的问题。表1给出了大庆油田的天然气成分分析（取自长春锅炉厂热力计算书）。
文献[3]又给出了两锅炉常用气体燃料的成分见表2。
不难看出天然气中几乎不含硫元素，所以冷凝水回收装置产生的热水基本呈中性，对锅炉运行不会产生影响。即使个别油田的天然气含有微量的硫元素，进入锅炉的热水也只能呈极弱的酸性，对锅炉运行不但无害，反而有利，其原因分析如下：
众所周知，工业锅炉的给水品质较差，硬度大，很容易在受热面上形成钙镁水垢。水垢是锅炉发生过热爆管的根本原因。如果锅炉给水呈弱酸性，可以发生以下反应：
CaCO3+2H+→Ca+H2O+CO2
MgCO3+2H+→Mg+H2O+CO2
可見，此时给水可以起到去除水垢的作用，不会影响，反而有利于锅炉的安全运行。而且，国家标准规定，常规锅炉运行时锅水的pH值须？叟12，也就是说锅水呈现很强的碱性，即使冷凝水呈弱酸性也不会对锅水的碱度有任何影响，可以保障锅炉的正常运行。
4 技术经济性分析
本文以一台经吉林省能源研究所测试的2t/h天然气锅炉（多孔板型浸没燃烧装置）为例进行探讨。根据文献[4]，如果不采用冷凝水回收装置其排烟大约在180℃左右，效率为88%（低位热值）;而在锅炉尾部安装冷凝水回收装置后，经测试效率提高到103%（低位热值），增加了15%。根据文献[3]，一般天然气的发热量为36533kJ/m3，蒸发量为2t/h的天然气锅炉每小时要消耗大约150m3天然气。由于锅炉效率增加了15%，所以每小时节约天然气22.5m3。每立方米天然气按1.5元计算，每小时节约燃料费34元。按每天运行12小计算，则每天节约408元，一年可节约成本408×365=14.9万元。也就是说，一年可以节约大约15万元的运行费用，其经济效益十分可观。
5 结论
①由于浸没式燃烧法中高温烟气直接与液体接触，因此不需要布置管式受热面。与常规锅炉相比，可以节约大量的钢材，大大降低锅炉的制造成本。
②由于浸没式燃烧法中高温烟气直接与液体进行传热与传质，烟气在液体中形成强烈的搅动，故传热及传质面积大，速度快，传递能力大，传热系数是常规锅炉的5～10倍。一般来说，浸没式燃烧锅炉的体积只有常规锅炉的1/5左右，而且内部也没有管式受热面，因此制造成本远低于常规锅炉大约只有常规锅炉的1/10左右。因此，可以考虑全部采用不锈钢来制造。
③由于浸没式燃烧法中高温烟气直接与液体进行传热与传质，故传热质面积大，速度快，传递能力大，排烟温度极低，能充分利用烟气中水蒸汽的汽化潛热，锅炉效率极高（低位热值热效率可达103%）。
④根据上文对锅炉腐蚀问题的讨论可知，采用浸没式燃烧法对锅炉运行不但无害，反而有利，值得大力推广。
⑤就浸没式燃烧装置的结构而言，填充层式和多孔板式燃烧装置各有其优缺点，填充层式燃烧装置占地面积大，结构复杂，造价略高。但是这种燃烧装置换热效果好，操作简单。多孔板式燃烧装置体积小，结构简单，造价较高。但是其操作复杂，传热效果也略低于填充层式。作为初次采用浸没式燃烧技术的单位，以采用填充层式燃烧装置为宜。
参考文献：
[1]盖德坤.燃气锅炉改造和设计有关问题分析[J].建筑工程技术与设计，2018（36）：4027.
[2]王怀彬，孟莉莉.WNS型燃油、燃气锅炉技术现状与发展方向[J].热能动力工程，2002，17（2）：115-118.
[3]车得福.冷凝式锅炉及其系统[M].机械工业出版社，2002.
[4]亢艳滨，等.超低排烟温度的高效燃气热水锅炉[J].工业锅炉，2001（6）：35-38.
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