更少能耗 更大能效——高效冷凝锅炉技术
前言：在各类综合能源技术中，能效技术是各国能源政策方针中促进节能减排的重要途径之一。锅炉作为能源供应端的一种常见的工业生产和民用设备，利用了燃料燃烧释放的热能或其他热能，将工质水或其他流体加热到一定参数，从而满足了供热的需求。但在这一能量交换的过程中总是会伴随着一部分的能量损失，如何在消耗相同燃气的情况下产生更多的能量，提升能源效率，是供能领域一个重点探究方向。在这一过程中，高效冷凝锅炉技术应运而生。除此之外，与普通锅炉相比，冷凝锅炉的温室气体排放也显著偏低，因而还具有环保优势。
一、技术原理简介
锅炉主要分为“锅”和“炉”两个部分。前者是装水的容器，由锅筒和许多钢管组成。后者是燃料燃烧的场所，所得热量通过换热传递到水中。传统锅炉的排烟温度在110℃-200℃之间，烟气中的水处于过热状态，以水蒸气的形式存在。要进一步实现高效节能，可以进一步“压榨”燃烧产物，回收烟气中的热量，将烟气的温度降低到50℃左右以获取其中的汽化潜热，并仍将其应用于锅炉。总而言之，冷凝锅炉就是利用高效的冷凝余热回收装置收集高温烟气中的显热和水蒸气凝结释放的潜热，从而实现提高锅炉效率的目的。
图一：冷凝锅炉工作原理图
二、技术发展及成熟度
世界上第一台冷凝锅炉于1979年在荷兰由理查德·维特（Rid Vetter）开发，1982年用于天然气，1984年用于石油。自1990年以来，全气体冷凝锅炉技术一直是最先进的技术。最初的锅炉材料和烟囱管没有足够的耐腐蚀性，来自冷凝锅炉的冷却烟气不再加热烟囱，而是将可冷凝成分冷凝在温度较低的烟囱上。但由于冷凝作用导致排烟温度过低，当低于临界点时会产生冷凝水，从而产生酸性冷凝物侵蚀基础材料。为了避免这一情况，除了要控制排烟温度外，具有非吸收性、无孔表面的耐酸管（由最高耐120°C高温的聚丙烯-S、最高耐160°C高温的的PTFE制成或不锈钢管）也被广泛应用于冷凝锅炉设备的生产中去。此外，为了经济地制造冷凝锅炉的热交换器，并使设备在安装时易于管理，、往往会采用最小的实际应用尺寸。但这种方法会导致热交换器的燃烧侧阻力变高，通常需要使用燃烧风扇来使废气通过狭窄的通道。排出的燃烧气体通常低于100°C，密度接近于空气，几乎没有浮力，因此还需要安装燃烧风扇将废气泵送到外部。另外还需要安装热交换器冷凝水排放系统，烟气中的冷凝物在密封管的内壁上向下回流，从热交换器中排出，最终按照法律法规排入污水系统。
三、技术优势
1.高效节能：
使用高热值燃料的传统锅炉热效率一般为70%-80%，同等条件下冷凝锅炉的热效率在实际生产中可达到98%，理论上甚至能达到更高水准。从下面图表中我们可以看出，冷凝锅炉在较低温度工作状况下热效率较高。
图二：不同工况冷凝锅炉热效率（来源[3]）
2.全预混式燃烧
常规锅炉风量不能自动调节，所以在小火时空气供给量大，而大火时可能会过小，从而不完全燃烧，浪费燃气；而冷凝锅炉是全预混式燃烧，空气量可以自动调节，使空气量与燃气量的比例更加合适燃烧。
3.全封闭式燃烧
常规锅炉只有火焰上方有主热交换器，周围会造成热量损失；而冷凝锅炉采用全封闭燃烧，燃烧火焰周围全是热交换器，从而有效的降低了炉体自身的热量。
4.环保，减少有害排放
冷凝锅炉与常规锅炉相比，使用了很多新的技术，而这些技术除了能提高锅炉的热效率，达到节能的目的之外，也能够减少锅炉使用时对于环境的污染和破坏。独特的水冷燃烧器+全预混燃烧技术以及换热原理，确保有害物NOx以及CO排放比常规锅炉低。
5.更长的使用寿命
冷凝锅炉与常规锅炉在外形上并没有什么区别，但冷凝锅炉的燃烧室一般由不锈钢或者硅铝合金材料制造，相比常规锅炉的主要材质为铜加铝材料制造，具有更的抗酸性抗腐蚀性。虽然受到国内水质、燃气内杂质和空气质量等因素的影响，但冷凝锅炉寿命一般还是可达到25年左右。锅炉使用寿命大致情况如下表：
图三：锅炉使用寿命大致情况表（来源[4]）
四、技术经济性案例分析
低温冷凝锅炉技术在提高效率，节约燃料的同时也增加了设备成本。这部分的成本主要包括换热器材料成本、阀门及管道费用、设备安装费用、加装换热器后带来的维修费用以及加装换热器后阻力增加导致的风机耗功增加，以下将从国内国外两个案例的角度来呈现冷凝锅炉的投资经济效益。
国内案例
以国内某项目投资为例，不同材质的安装设备投资成本和投资回报期也有所不同。如下图所示，如果将180℃的排烟温度降低到50℃,回收余热的冷凝式热能回收装置采用普通钢管时回收期为300h ,采用不锈钢回收期为900h ,采用PTFE塑料管投资回收期则为1800h。从计算结果还可以看出材料寿命分别为3、5和10年时对投资回收期的影响不大。
图四：不同冷凝式热能回收装置的投资回报曲线（来源[2])
1 - PTFE管(寿命10年)的投资回收期;
2 ,3 ,4 -不锈钢寿命分别为3、5、10年时的投资回收期;
5 -普通钢寿命分别为3、5、10年时的投资回收期(由于很接近几乎成一条曲线)
（数据图表来源：[2]）
国外案例
在德国的能源转型中，对老旧建筑进行翻新和能效改造是十分重要的手段，其中对能源生产设备的更新换代是常见的措施之一。下图所示为德国勃兰登堡州的一个始建于1903年的农场民用住宅，该建筑物提升能效的重要途径之一就是利用高效冷凝锅炉替换低效的老旧锅炉。
图五：德国老建筑能源设备更换案例
在锅炉改建前，该建筑地下室配备有5个油箱，每个油箱容量为1500升。该特殊供暖锅炉始于1991年，热量输出范围为32至40千瓦，并且集成了热水供应的功能。旧锅炉需要由于设备老化常常需要修理，并且必须时不时更换排气管，这其中产生了不少的维修费用。在将该锅炉进行更换改造后，拆除了5个旧油箱，为此还为地下室节约了更多使用面积。
新的冷凝锅炉输出功率为26千瓦时，其功率可在30%到100%之间进行调节。改装所产生的设备购置和安装费约12000欧元。在改造之后，该住宅每年将消耗大约3000立方米的天然气，而旧锅炉每年需要消耗约3500升机油。下图为2014年11月锅炉改造前后耗能变化，预期数据为该建筑2013年同期使用传统锅炉的消耗燃料热值。据计算可以减少约15％到20％的能源支出，具体的回收期长短将取决于未来天然气的价格变化。
图六：德国老建筑能源设备更换案例（来源[6]）
五、政策现状
目前，冷凝式锅炉在欧洲已经大范围取代了传统常规锅炉，北美也有部分家用中央供暖系统由高效冷凝锅炉提供动力。荷兰是第一个广泛采用该技术的国家。欧洲与环保节能有关的团体和政府机构强烈建议安装冷凝式锅炉。例如，英国要求自2005年以来在英格兰和威尔士安装的所有新型燃气中央供暖锅炉都必须是高效冷凝锅炉。根据德国政府2015年最新的《节能条例》，30年以上的锅炉（低温锅炉或冷凝锅炉除外）必须由冷凝锅炉代替。在美国，某些州为安装冷凝锅炉的住户和能源公司提供额外相关税收优惠。在加拿大西部，当高效冷凝锅炉系统安装在多单元住宅中时，能源供应商提供服务收费方面的优惠。近二十年来，北美天然气价格的下降也在一定程度上导致冷凝式锅炉改造的增加。
近年来，我国大约有60%的能源来自煤的燃烧，政府正在实行积极的能源政策。其核心要素是提高能效和从根本上减少污染物排放，从而改善空气质量。高效冷凝锅炉有助于实现这一政策目标。在中国市场，有90%以上的燃气锅炉使用的是传统技术。使用的装置大多是壁挂式低温锅炉，价格相对便宜，但无法达到较高的效率水平，大部分效率不到85%。目前，我国一些机构对冷凝式锅炉、冷凝式燃气热水器已经有所研究，设计了冷凝式烟气热能回收装置并应用于实际工程。随着节能减排政策的实行，全民低碳意识的提高，冷凝技术是未来的发展趋势。从能源结构看，天然气作为一种洁净环保的优质能源必定会被广泛应用，我国的“煤改气”政策就是例证。高效冷凝燃气锅炉未来的发展将会显现出更明显的优势。
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