冷凝式換熱器就是增設(shè)在天然氣鍋爐尾部的余熱回收裝置，當(dāng)煙氣在通道內(nèi)通過傳熱面，溫度降至露點(diǎn)溫度以下，從而使排煙中的水蒸氣凝結(jié)釋放潛熱傳遞給回收工質(zhì)，可以將排煙中大量的能量加以回收利用，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。隨著制造工業(yè)的不斷發(fā)展，各種新型高效的冷凝換熱裝置層出不窮，不論從結(jié)構(gòu)還是實(shí)際余熱回收效果來看都有了非常大的改進(jìn)。

　　1 煙氣的特性分析

　　天然氣成分絕大部分為烴，燃?xì)忮仩t排煙中水蒸氣的含量較高，分析表明，排煙中可利用的熱能中，水蒸氣的汽化潛熱所占的份額相當(dāng)大。每1m3天然氣燃燒后可以產(chǎn)生1. 55 kg水蒸氣，具有可觀的汽化潛熱，大約為3 700 kJ/Nm3，占天然氣的低位發(fā)熱量的10%以上。傳統(tǒng)鍋爐中，排煙溫度一般在160～250℃，煙氣中的水蒸氣仍處于過熱狀態(tài)，不可能凝結(jié)成液態(tài)的水而放出汽化潛熱。因此傳統(tǒng)的天然氣鍋爐理論熱效率一般只能達(dá)到95%左右，利用冷凝式換熱器只要把煙氣溫度降到煙氣露點(diǎn)溫度以下，就可回收煙氣中的顯熱和水蒸氣的凝結(jié)潛熱，按低位發(fā)熱量為基準(zhǔn)計(jì)算，天然氣鍋爐熱效率可達(dá)到和超過110%。

　　1.1露點(diǎn)計(jì)算

　　通過觀察可知，煙氣露點(diǎn)溫度隨過量空氣系數(shù)的變化而變化。因?yàn)楦鶕?jù)道爾頓分壓定律，露點(diǎn)溫度的高低與煙道中水蒸氣的分壓量（即水蒸氣的含量）成正比，隨著過量空氣系數(shù)的增加，煙道中水蒸氣的相對體積減小，水蒸氣的容積份額會有所下降，其露點(diǎn)溫度也隨之降低。實(shí)際上，雖然各地方天然氣中成分含量有所不同，但由于其主要成分均為甲烷且占絕大部分，其他成分影響很小，經(jīng)計(jì)算的露點(diǎn)溫度誤差不超過0.3%（符合實(shí)際要求的范圍），并且由于實(shí)際燃燒的影響因素較多，也使得計(jì)算不可能達(dá)到很精確，通常是在理論值附近的一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，在實(shí)際應(yīng)用中還需根據(jù)不同情況進(jìn)行修正分析。

　　在水蒸氣分壓力不變的情況下，使空氣冷卻至飽和濕蒸汽狀態(tài)時(shí)，將有水滴析出，此時(shí)的溫度即為露點(diǎn)溫度。天然氣燃燒特性分析（以1 m3天然氣計(jì)算）煙氣中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)達(dá)17·4%，若燃燒在大氣壓力下進(jìn)行，當(dāng)空氣過量系數(shù)α為1.1時(shí)（本文中的計(jì)算均以此作為計(jì)算依據(jù)），其相應(yīng)的煙氣露點(diǎn)溫度是57℃。

　　1.2熱效率分析

　　煙氣中的熱量以顯熱和潛熱2種形式存在，因此鍋爐的熱損失也由煙氣的顯熱損失和潛熱損失組成。而顯熱損失取決于煙氣的溫度和煙氣組分的熱容量；潛熱損失則取決于煙氣中以水蒸氣形態(tài)存在的水量的多少。當(dāng)水蒸氣冷凝時(shí)，煙氣中存在復(fù)雜的現(xiàn)象：由于水蒸氣分壓力較低，并且在冷凝液膜附近主要是不凝氣體，如N2、CO2、O2等，煙氣中水蒸氣需要穿過不凝氣體層才能達(dá)到液膜表面發(fā)生冷凝。煙氣中水蒸氣冷凝率等于由單位體積天然氣燃燒生成煙氣所產(chǎn)生的凝結(jié)水量與燃燒所生產(chǎn)的水蒸氣量的比值，其中，燃燒所產(chǎn)生的水蒸氣包括天然氣燃燒生成的水蒸氣及空氣和燃?xì)馑鶐氲乃魵狻８鶕?jù)能量守恒來進(jìn)行換熱效率的計(jì)算：

　?。?）其中：Q為燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量；Ha為空氣在進(jìn)口端的焓；Hg為燃?xì)庠谶M(jìn)口端的焓；Hf為排煙焓；Φ為水蒸氣的凝結(jié)率；ρh為標(biāo)準(zhǔn)狀況下水蒸氣的密度；r為氣化潛熱；Vh為標(biāo)準(zhǔn)狀況下煙道中的水蒸氣體積。

　　僅煙氣中的潛熱就對鍋爐的熱效率影響如此巨大，倘若能將排煙溫度降低到露點(diǎn)以下對潛熱加以回收利用，對以低位發(fā)熱量為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算的熱效率至少可提高到10%以上。并且隨著排煙溫度的降低，煙氣的顯熱損失也會相對減小，那么熱效率的提高將更為明顯，進(jìn)一步證明降低排煙溫度對鍋爐效率提高的重要意義。

 　　排煙中的水蒸氣潛熱在57℃以下才能得以回收，能夠回收的熱量依賴于所要求的利用溫度和利用率。如果利用溫度接近排煙的露點(diǎn)溫度，僅能回收較少的熱量。利用溫度越低，回收的熱量越多。因此，低溫下余熱冷水可獲得高的回收率，而在較高的溫度下輸出熱能會降至可以回收的能量數(shù)量。

　　2余熱回收其它影響因素

　　2.1 余熱回收器受熱面的磨損問題

　　將余熱回收器管排設(shè)計(jì)成膜式管排（或 H 型管排），這種結(jié)構(gòu)迫使煙氣流動(dòng)趨于層流，管排間沒有煙氣擾動(dòng)，在同樣煙速下，與螺旋肋片式和光管式相比較是最不易磨損的受熱面布置形式。而且由于每個(gè)煙道的邊界管排與煙氣的磨擦，而形成中間流速高，兩邊流速低的分布方式。因此，管壁附近煙氣流速低于平均值，煙氣擾動(dòng)比較弱，緩解了飛灰對省煤器的磨損。另外，煙氣流速對受熱面的磨損影響最大，布置受熱面時(shí)煙氣流速不宜過大，設(shè)計(jì)時(shí)通過調(diào)整管排橫向截距，來改變受熱面的煙速，可有效避免余熱回收器管排的磨損問題。

　　2.2余熱回收器管內(nèi)壁結(jié)垢問題

　　受熱面管內(nèi)壁結(jié)垢主要發(fā)生在蒸發(fā)段，因?yàn)檎羝娜茺}能力與水比較相差很大。而在余熱回收系統(tǒng)中最高點(diǎn)溫度也不會超過 120 ℃，整個(gè)系統(tǒng)仍處于液相，管內(nèi)壁結(jié)垢問題較小。