锅炉系统余热回收优化

锅炉系统余热回收优化

杨优 1 张松 2 张礼花 3

江苏中烟工业有限责任公司徐州卷烟厂      江苏省徐州 221000 江苏中烟工业有限责任公司徐州卷烟厂      江苏省徐州 221000 江苏圣倬建设工程有限公司   江苏省徐州 221000

摘要：通过优化余热回收方式（即改变节能器的换热介质参数，提升换热效果）进一步降低排烟温度，回收利用烟气显热和水蒸汽汽化潜热，从而达到降低排烟温度、提高锅炉系统设备热效率的目的。同时，项目对热循环系统的技术适用性、低温排烟对于污染物排放的影响、受热面弱酸性腐蚀的防腐技术应用等多方面进行了系统研究，最终确定并实施了余热回收设计方案，为同类余热回收技术提供了技术依据。

关键词：余热回收 排烟温度

1 项目背景

本项目基于持续改进我厂的能源绩效水平，不断挖掘耗能设备的节能降耗潜力，有效降低全厂单箱综合能耗水平的目的，从优化锅炉节能器余热利用方式入手，通过对节能器的换热介质参数的研究和试验，寻求节能器最佳的余热回收方式，提升节能器的换热效果，实现排烟温度的降低和锅炉系统能效的提升。

2 国内外发展现状

对于锅炉节能器的节能技术理论及应用的研究，国内外相关机构研究成果较多，换热器的换热技术成熟，已经在锅炉设备上广泛应用。通过对国内外锅炉用户的节能器运行现状的调研情况看，节能器的换热效果不稳定，换热效果差别很大。造成该种现象的有以下几个原因：一是锅炉节能器的设计选型与实际工况产生差异，造成余热利用不彻底；二是锅炉节能器的换热介质参数设置不合理，致使换热不充分；三是锅炉节能器的维护保养不到位，存在结垢、污染等现象，降低换热效果。。

3 系统设备现状

我厂安装了两台20吨/小时/1.27MPa考克兰燃油燃气蒸汽锅炉，总供汽能力40吨/小时。每台锅炉在尾部烟道配置了烟气余热利用设备-节能器。锅炉烟气余热利用的主要工艺流程为：经除氧器加热至104℃的未饱和水进入节能器后与锅炉排放烟气进行热量交换，水温升高后进入锅炉，锅炉排烟温度降低至130-150℃后排放至室外大气中。

4 研究内容

4.1 排烟温度与锅炉热效率的关联性分析

燃气锅炉生产的蒸汽的热量主要来源于燃料燃烧生成的热量，但是燃料燃烧的热量由于种种原因不能完全利用，为了确定锅炉的热效率，就需要建立锅炉在正常运行工况下的热平衡：

(单位:kJ/kg)

式中：为每千克燃料带入锅炉的热量；为锅炉有效利用热量；为排出烟气所带走的热量，又称锅炉排烟损失；为未燃烧可燃气体所带走的热量，称为气体不完全燃烧损失（化学不完全燃烧损失）；为锅炉散热损失；为其他热损失。

根据以上公式，若要提高燃气锅炉的热效率，就必须降低的数值。的数值较小，只占1%、2%以下，现有技术条件下，节能空间较小。是影响燃气锅炉热效率的主要矛盾,占比11%左右，所以尽量减少排烟损失，其效益会是巨大的。

在烟气温度小于露点温度，并且水蒸气分压力高于烟气饱和水蒸气压力的条件下，烟气中的水蒸气会渐渐变为液态，即凝结释放水蒸气的潜热。烟气露点温度一般约为57℃，通过温焓曲线可以看出，在烟气温度低于55℃时，因潜热和显热的同时释放，烟气焓值陡降，所以系统改造目标排烟温度要低于55℃。

4.2 可利用余热量计算

天然气的主要成分是 ，天然气完全燃烧时产生的烟气量即为理论烟气量，理论烟气成分主要有、、和极少量的 。

在实际的锅炉运行中，为了确保天然气可以完全燃烧，供给的实际空气量往往要多于理论空气量，实际空气量与理论空气量之比即为过量空气系数。燃烧室内燃气燃烧后，空气仍会有一定量的剩余，此时的烟气量即为实际烟气量。根据理想气体混合时物性参数的计算方法，可得烟气物性参数的计算方法。 由此可计算得到烟气各组分的质量，每燃烧1Nm³天然气可以产生的烟气质量为 14.354kg。

现用锅炉在大负荷状态下，每小时用天然气量约为1050Nm³，当系统还可回收潜热时，每小时总换热量可达949127kJ，折合标煤0.0275吨。

4.3 低温排烟与低氮排放协同作用的研究

烟气余热回收不仅可以回收排烟显热，还可回收天然气燃烧时产生的水蒸气凝结放出的大量潜热，同时冷凝水还可对烟气中、、等有害气体有一定的吸收作用，与原系统相比，其环境效益主要是减少了氮氧化物等污染物的排放量。燃气锅炉废气中氮氧化物中主要是，在水中溶解度较高，溶解后形成硝酸和亚硝酸水溶液。

4.4 低温排烟受热面防腐设计的研究

每燃烧1Nm³天然气，产生烟气凝结水的质量为1.69kg，但凝结水中会出现微弱酸性，PH值约为5±0.5，对低温受热面可能会出现轻度酸性腐蚀。为应对烟气低温冷凝形成对节能器的酸性腐蚀，一般有以下几种方法：深镀耐腐金属图层、化学中和法、烟垢防护法及使用耐腐蚀金属材质。我厂在用的油气两用锅炉选取了316不锈钢材质作为节能器材质，其材质特性可起到阻滞金属腐蚀作用。

4.5 余热回收方案设计与实施

烟气节能器布置在锅炉排烟的管道中，锅炉产生的烟气从其底部进入，软水从软水箱经循环水泵从侧面接管进入。在高温烟气与软水形成的错流体系中，烟气通过间壁（管壁或板壁）将热量转移给软水，热软水自然回流经锅炉给水泵进入锅炉。如此循环运作，高温烟气的热量不断地转移给软水，实现了烟气的余热回收。

该系统余热最终用于加热锅炉给水，包括烟气余热回收系统、PLC 控制系统两个系统。由于本系统中给水加热属于辅助加热，对其流量无特殊要求，故可直接使用变频泵控制其流量。为避免二次换热造成的热量损失，故本系统设计中，仅使用一次侧的余热回收器进行换热，通过调整循环水泵的频率达到调整换热效果的目的。

在可利用余热量较多的工况下，余热回收器处，烟气侧，锅炉产生的高温烟气流至余热回收器，将热量传递给冷水，烟气则冷却为低温烟气随烟道排至室外，余热回收器出口处温度及流量传感器将信息发送给 PLC 控制器；给水侧，PLC 发出指令，调控变频给水泵的频率，使其以较高频率运行，流量较大的冷水流经余热回收器，受热成为热水送回至软水箱，与回水及软水进水混合后，共同由给水泵送至锅炉加热。

在可利用余热量较少的工况下，余热回收器处，烟气侧，锅炉产生的高温烟气流至余热回收器，烟气则冷却为低温烟气随烟道排至室外，余热回收器出口处温度及流量传感器将信息发送给 PLC 控制器；给水侧，PLC 发出指令，调控变频循环水泵的频率，使其以较低频率运行，流量较小的冷水流经余热回收器，受热成为热水送回至软水箱，与回水及软水混合后，共同由给水泵送至锅炉加热。

5 项目成果

5.1 经济效益

增加余热回收系统后，烟气的余热得到了充分利用和回收。排烟温度由原来的130℃左右降低至45℃左右，烟气量也随之大为减少。

改造完成后，项目组邀请上海市工业锅炉质量监督检测中心对锅炉热效率进行了测定。结果显示锅炉热效率为96.21%，对比同期94.44%，锅炉热效率提高1.77%。

5.2 环保效益

通过降低排烟温度，烟气结露析出冷凝水，由于氮氧化物易溶于水的特性，减少了污染物的排放，氮氧化物由原来的32mg/m³降低为15.19 mg/m³，环保效果显著。

参考文献：

[1]张泉根. 燃油燃气锅炉房设计手册［M］.北京：机械工业出版社，1998.

[2]童景山. 流体热物性学基本原理与计算. [M]. 北京:中国石化出版社. 2011