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摘要随着我国的不断发展，能源的消费量逐渐增大，这也带来了严重的环境污染问题，所以我国施行节能减排和能源结构的调整。如今，在我国社会能源环境领域，推行使用天然气等清洁能源、新技术，已经成为重要的研究课题。近几年来，燃气锅炉正逐渐的取缔燃煤锅炉在生活与生产方面。但是，目前燃气锅炉的排烟温度都很高，烟气中的余热得不到回收与利用。因此，如何使锅炉的排烟热损失降低与提高燃气的利用率，已经成为了节能环保工作中的重要的研究课题。普通的燃气锅炉，排烟温度通常为180℃左右，烟气中存在大量的过热态的水蒸气，其体积分数在10%左右，是烟气热量损失的主要部分。回收利用排烟显热与烟气凝结潜热可极大的提高能源利用率。本文首先对我国的能源利用现状、节能形势、燃气冷凝式锅炉的工作原理、国内外研究现状和天然气的利用进行了概述。其次，分析了天然气燃烧后烟气中的产物，分析了烟气中可以回收的显热量和潜热量的关系，提出了烟气中汽化潜热能否有效回收是确保冷凝式换热器回收效果的关键因素。然后，本文对各种换热器进行了介绍，对冷凝换热器进行设计与分析，冷凝式换热器采用H型鳍片管换热器，鳍片管顺列布置，H型鳍片管的优点是耐磨性能好，积灰少，体积小，空气阻力小，综合性能好。最后对燃气锅炉加装冷凝换热器的经济效益进行了分析。研究表明，常规燃气锅炉加装冷凝换热器后，锅炉排入大气的污染物大大减少，环保效益显著。关键词：燃气冷凝式锅炉、锅炉热效率、热管、余热AbstractKeywords：gascondensingboilers,boilerthermalefficiency,heatpipes,wasteheat.第一章绪论1.1我国能源利用状况及节能环保紧迫性1.1.1能源利用现状社会进步和经济发展和能源密不可分，也是一个国家综合国力和人民生活水平的重要表现。随着社会经济的不断发展，环境污染与经济发展的协调问题日益严重。能源和环境问题是如今社会最关注的问题。人类有3次能源利用结构的调整[1]：(1)18世纪，因为第一次世界能源结构转变：原始的柴薪能源逐渐的被以煤为主的化石能源取代。到1990年，世界的煤炭产量大约为7.45亿吨，比当时的一次能源总量的94%还要高。这次能源结构改变打破了16世纪欧洲文艺复兴文明发展停滞不前的局面，推动了资本主义工业的迅猛发展。(2)20世纪，石油、天然气的生产与使用量迅猛的增长。这推动了内燃机等的发展，所以许多西方国家经济得到快速发展。到了20世纪60年代，石油的消耗量每十年就可提高一倍。石油消耗量的不断增长，使我们进入了现代文明和世界经济的新阶段。(3)环境污染问题和能源危机使人们意识到调整能源结构的紧迫性，通过降低化石能源的消耗来实现经济的可持续发展。我国是世界上拥有能源资源最丰富的国家之一，但也是能源消耗量也很大，能源的一次消耗的总量接近于美国。截止到2014年，我国投入1145亿元在地质勘查上，新发现的大中型矿产地有249处。油气勘查取得了巨大突破，首次探明页岩气的地质储量约为1068亿m3，新探明的石油地质储量10.6亿吨，天然气9438亿m3[2]。这与2011年以来我国实施的勘探矿物突破战略行动的关系重大。我国有非常丰富的再生能源资源，其中，水能资源的可开发量理、论储藏量和经济可开发量都处在世界首位。煤在我国的能源结构所占的比重很高，其比重高达70%~80%，比其它发达国家煤仅占20%~30%的水平高得多。从这十年我国能源消耗与生产结构来看，原煤生产与煤炭消费的比重占了极其重要的地位，石油消费与原油生产比重不断下降，天然气和其他能源(水电、核电、风能)的消费与生产比重总体呈现出了上升的趋势。表1-1中列举了我国从1990~2014年的能源消费总量及构成的数据。从这些数据变化中可以看出，随着我国经济的迅速发展，消费水平不断的提高，我国能源消费量一直在迅猛增长。其中煤占能源消费量的比重是最高的，占比约为70%，从2000年开始我国煤消费量正逐渐的降低，天然气与新能源的消费量一直在迅猛增长，预计到2020年天然气占比将达到10%，而煤的占比可能下降到60%，其它一次电力与新能源的消费占比也会逐渐增高。表1-1能源消费总量及构成[3]年份能源消费总量(万吨标准煤)占能源消费量的比重(%)煤炭石油天气一次电力及其它能源19909870376.216.62.15.1199110378976.117.12.04.8199210917075.717.51.94.9199311599374.718.21.95.2199412273775.017.41.95.7199513117674.617.51.86.1199613519273.518.71.86.0199713590971.420.41.86.4199813618470.920.81.86.5199914056970.621.52.05.9200014696468.522.02.27.3200115554768.021.22.48.4200216957768.521.02.38.2200319708370.220.12.37.4200423028170.219.92.37.6200526136972.417.82.47.4200628646772.417.52.77.4200731144272.517.03.07.5200832061171.516.73.48.4200933612671.616.43.58.5201036064869.217.44.09.4201138704370.216.84.68.4201240213868.517.04.89.7201341691367.417.15.310.2201442600066.017.15.711.21.1.2节能环保的紧迫性“十二五”期间，我国通过调整经济结构、转变发展方式来节省能源的消耗，并且出台了一系列的政策和措施，使国内单位生产总值能耗量累计降低大约19.06%，支持了国民经济年均大约11.2%的增长，能源消耗弹性系数由1.05下降到0.58在“十一五”期间。然而我国得能源消耗总量却由24.6亿吨标准煤升高到32.5亿吨标准煤，且和西方发达国家相比，能源加工、贮运、转换和终端科用综合效率依然比较低，到2007年时这个效率为33%，而西方发达国家在20世纪90年代初就达到了41%。而能源消耗平均热效率还比较低，在发达国家火电厂的能源利用的效率通常为35%~40%，工业锅炉的效率约为80%；而我国依次为30%以下和60%~70%，我国燃用石油、煤炭、天然气的平均热效率比发达国家都要低。因此提高能源的利用率和节能减排是当务之急。在我国，最主要的能源消耗领域是工业，工业的能耗量约占能耗总量70%，显然，只有从根本上缓解我国能源消耗量大，资源供应紧张的问题才能解决好工业设备节能的问题[4、5]。化石能源滥用不仅是带来能源危机，而且还对大气、水体、土壤等生态系统带来很多严重的影响，是环境污染的主要根源[6]，已经危及自身生存环境。因为化石燃料被大量使用，造成了酸雨、温室效应、臭氧层破坏以及生态环境破坏等严重的环境污染问题，都急需去解决。而节省能源，降低化石能源的消耗量，可以从根本上缓解这些问题。我国的能源结构调整为努力扩大收入来源、降低支出、节约优先、保护环境的方式，建立一个较为稳定，经济，安全和清洁的能源供应体系[7]。我国的经济发展形式转变由原来以资源消耗、能源为基础的粗放型模式改变为环境友好型和资源节约型。1.2天然气消费及利用天然气是一种清洁、高品质、高效的燃料，在所有化石能源中碳排放系数是最小的。天然气被普遍的应用在各个领域，在世界能源消耗的结构中所占比重约为24%。天然气通常指气田气和油田气，此外还有煤系天然气。其主要由烃类，主要是甲烷，还有乙烷、丙烷和丁烷等组成。1.2.1天然气消费与发达国家的平均水平进行比较，我国天然气的使用率还特别低。主要是因为我国的天然气工业基础还较微弱，从图1-1可以看出近十年我国能源消费结构中天然气的比例正逐渐的增大，但我国天然气在一次能源消耗中的比例仅约为6%，更是比世界平均24%的水平和27%的美国水平低得多，同时比亚洲平均8.8%的水平低。目前世界人均天然气消费量约为403m3/a，但是我国仅仅为25m3/a。但是“西气东输”管道工程的商业运作，表明我国的天然气市场由发育阶段进入发展阶段，并且估计这一阶段可能会持续到2030年[8]。在这时期中，我国天然气的管网、储气库等基础设施的建设不断地加快，将逐步在全国形成天然气主干管网；天然气产量和产能建设将快速增长，将不断扩展进口天然气的渠道，因此将会形成多元化的供气格局。在这基础之上，天然气消费量在我国能源结构中所占的比例将会不断增长。图1-1能源消费比例根据大多数城市处理大气污染的经验可知，减少大气污染的主要途径是去改变一次能源的消费结构。天然气燃烧后产物中基本不存在烟尘和S02；氮氧化物的排放量比燃煤降低约47％、燃油降低约61％；CO2排放量比燃煤的低约53％、比燃油的低26％左右。天然气再供暖、工厂供热的应用上有显著的节能效益。大、中型燃煤锅炉房，运行时平均的热效率只有76％，小型燃煤锅炉运行效率更加低；集中供热热效率约为80.7％，火力发电厂的约为35％，能源转换总效率约为39％；因为燃气锅炉的自动控制水平较高等，其热效率基本上可超过85％[9]。为了节省能源、保护环境、实现可持续发展，提高天然气等清洁能源的消费比例，降低煤炭的消费比例，实行能源结构调整极其重要，也是许多城市实行环境保护和节约能源的重要的课题。于用于城市生产生活的供热锅炉，推荐使用燃气锅炉来取缔中小型的燃煤锅炉。在我国的大多数城市，煤炭正逐步被天然气等比较清洁的能源取代[10]。在推广使用天然气的同时也应该注意节约用气，而研发高效利用天然气的技术是目前当务之急。1.2.2天然气利用技术我国天然气在化工、油气田开采和发电等地方所占比最大，其占比87%以上，其中化肥领域约占38.5%，而居民用气量在天然气消费结构中占比10%还低。从2005年开始我国的天然气的产量极大的增长，主要是由于有几个新的大气田被发现。2005年我国天然气的产量累计约为38m10449.5，增长了21.9%。2006年天然气需求量达到38m10680。我国天然气的使用依然处在起步阶段，因为天然气的产量比较低，天然气利用一般是以产定用。主要利用天然气的地区是天然气产地邻近的城镇及工业区。在世界上天然气主要被用在工业、发电、居民燃料等领域，而我国主要利用在化肥工业中，由于天然气工业的发展和环保的要求，天然气的利用方向应以发展“以气代油”、“以气发电”、“城市气化”为主[11]。通过能源的利用方式可把天然气分为工业燃料、城市燃气、发电和化工等四类。在工业燃料领域，天然气较多的被用在冶金、玻璃、建材等领域；在城市燃气领域，能分为公工商业、民用生活、小工业企业燃料用气等领域；在发电领域，天然气较多的被用于热电厂；而在化工领域的用气主要包括甲醇、化肥以及制氢等。在“十五”以前，有50%以上的天然气都被用在化工行业。近几年，天然气的使用不断的增多，利用的方向也是多种多样，随着环保要求的不断提高，消费结构得到了极大的优化，特别是在建设与完善大型基础设施管道的方面，天然气的消费面逐渐变广。除用于化工原料外，天然气己开始大量地用在城市燃气和替代燃煤、燃油等其他的工业燃料。通过逐渐完善我国天然气的消费结构，把原来化工占主导地位的单一结构向工业燃料、城市燃气等多个方面的结构调整。随着社会的不断发展，天然气被越来越多的城镇居民作为燃料，天然气的消耗量迅猛增长。将来在我国城市燃气中天然气将逐渐的成为最重要的燃料。由统计可知，我国2008年使用民用天然气人口约为1.4亿，覆盖两百多个地级市及以上城市；在全国城镇人口6.1亿中，城镇天然气的平均气化率只有大约23%。估计到2020年，这个比例可能提高到40%~50%[8]。1.3燃气冷凝式锅炉若锅炉的排烟温度要比烟气露温度低，烟气中水蒸气的汽化潜热就可以释放出来。当排烟温度比