小型工業(yè)鍋爐煙氣余熱利用新技術(shù)

楊群峰，曹 穎，董 哲，譚兆強(qiáng)

(山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 濟(jì)寧分院，山東 濟(jì)寧272025)

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)正在改變以往簡(jiǎn)單地從能源供給側(cè)考慮滿足能源需求的狀況，將節(jié)能作為滿足能源需求的一個(gè)組成部分［1］。因此，對(duì)現(xiàn)有高耗能設(shè)備的節(jié)能改造具有重要意義。

小型工業(yè)鍋爐由于設(shè)計(jì)效率低、用戶的運(yùn)行管理水平差和節(jié)能意識(shí)不強(qiáng)等原因，實(shí)際運(yùn)行效率與大型工業(yè)鍋爐有顯著差別［2］。目前，小型工業(yè)鍋爐在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，數(shù)量眾多。以濟(jì)寧地區(qū)為例，在用鍋爐近1千臺(tái)［3］，其中小于等于4蒸噸的工業(yè)鍋爐為705臺(tái)，大于4蒸噸為257臺(tái)，而以煤為燃料的工業(yè)鍋爐約占在用鍋爐總數(shù)的96%。

我們?cè)跈z驗(yàn)工作中發(fā)現(xiàn)，很多排煙溫度設(shè)計(jì)值為160℃的鍋爐，實(shí)際排煙溫度都接近200℃，小型工業(yè)鍋爐排煙溫度會(huì)更高。小型工業(yè)鍋爐在使用中，通常是間斷給水，運(yùn)行工況差異較大，這就對(duì)鍋爐的節(jié)能改造提出了更高的要求。目前，多數(shù)工業(yè)鍋爐用煤的含硫量都小于1%(濟(jì)寧地區(qū)鍋爐用煤的含硫量一般為0.6%)，只要其排煙溫度不低于130℃，尾部受熱面就不會(huì)發(fā)生低溫腐蝕［4］，因此煙氣余熱利用的空間很大。目前，余熱利用設(shè)備多種多樣［5］，但很難找到適用于小型工業(yè)鍋爐運(yùn)行狀況、投資少、見效明顯、簡(jiǎn)單易用的改造方案。針對(duì)這種狀況，我們研制了應(yīng)用于小型工業(yè)鍋爐的余熱利用新技術(shù)。

1 有省煤器鍋爐的余熱利用技術(shù)

1.1 改造工藝及數(shù)據(jù)

該技術(shù)是對(duì)已有專利［6］的應(yīng)用。圖1為其系統(tǒng)圖，圖2為應(yīng)用實(shí)例。改造后的煙氣流程為:

圖1 燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能裝置系統(tǒng)圖(有省煤器)

圖2 節(jié)能裝置應(yīng)用實(shí)例

爐膛→對(duì)流受熱面→省煤器→無壓換熱器→除塵器→引風(fēng)機(jī)→煙囪

供水流程為:

水處理→水箱→無壓換熱器→水泵→省煤器→鍋筒

根據(jù)工業(yè)鍋爐經(jīng)常間斷式給水的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)上使水泵與啟閉閥聯(lián)動(dòng)。當(dāng)水泵啟動(dòng)時(shí)，啟閉閥自動(dòng)關(guān)閉，切斷換熱器與水箱之間熱水管的通路，使水箱中的水經(jīng)過無壓換熱器被吸入水泵，經(jīng)水泵進(jìn)入省煤器;當(dāng)水泵停用時(shí)，啟閉閥打開，水箱通過冷水管、熱水管與無壓換熱器形成閉路系統(tǒng)，利用水箱中水的蓄熱能力，通過自然循環(huán)冷卻換熱器，降低排煙溫度。

我們選取了一臺(tái)型號(hào)為KHSS0.5－0.7－AⅡ的臥式鍋爐進(jìn)行改造。該鍋爐采用引風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，使用壓力為0.5 MPa，設(shè)計(jì)效率為70%。無壓換熱器采用立式直水管，錯(cuò)列布置。安裝上為保證自然循環(huán)能有效建立，使水箱底部高于換熱器頂部［7］。經(jīng)計(jì)算［8］，換熱面積為3.9 m2，阻力為23 Pa，換熱器出口水溫為50.8℃，排煙溫度為173℃。改造前后穩(wěn)定工況下測(cè)量的數(shù)據(jù)如表1。

可以看出，鍋爐排煙溫度下降了34℃。省煤器出口水溫提高了28℃。

在低負(fù)荷間斷給水的工況下，無壓換熱器出口的水溫一直在45℃到60℃之間，水箱溫升明顯。

1.2 數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

(1)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的節(jié)能效果。由于實(shí)際煙氣焓值和計(jì)算用煙氣焓值有一定偏差;設(shè)計(jì)時(shí)，未考慮省煤器進(jìn)水溫度升高后，平均溫壓降低，省煤器換熱量下降的情況，造成省煤器出口煙氣溫度上升了7℃，實(shí)際排煙溫度比計(jì)算值高了16℃。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)情況，可以將改造前測(cè)試的排煙溫度增加一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值予以修正，來減少設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)際情況的差異。

(2)無壓換熱器的煙風(fēng)阻力對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響可以忽略。

(3)無壓換熱器的應(yīng)用提高了省煤器的出口水溫，只要選擇合理，仍然有足夠的安全余量，能避免省煤器出口處出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。本例中省煤器出口水溫比0.5 MPa下的飽和水溫低67℃。

(4)工業(yè)鍋爐常用給水泵耐熱溫度上限為80℃［9］(本例中給水泵入口最高水溫為60℃)，有足夠的裕量。使用情況也表明，改造后對(duì)原有水泵運(yùn)行無不利影響。

(5)在低負(fù)荷間斷給水的工況下，鍋爐多利用的熱值包括給水期間正常換熱獲得的熱量，還包括在停泵期間，換熱器和水箱中的水因自然循環(huán)通過換熱器多吸收的熱量，因此鍋爐效率的提高值比穩(wěn)定工況要高。該工況下，水箱有蓄熱功能，因此應(yīng)有足夠的容水量，以減緩水箱中水的溫升速度，使下次給水泵運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入水泵的水溫不會(huì)太高。

2 立式鍋爐的余熱利用技術(shù)

2.1 改造工藝及數(shù)據(jù)

立式鍋爐一般是自然通風(fēng)，不設(shè)置省煤器。當(dāng)增加無壓換熱器后，換熱器位置較高，而水箱一般安裝位置通常都低于換熱器，為解決該問題，我們對(duì)上述專利進(jìn)行了改進(jìn)。目前，改進(jìn)后用于立式鍋爐的余熱節(jié)能技術(shù)已獲得專利授權(quán)［10］。圖3為其系統(tǒng)圖，圖4為橫水管結(jié)構(gòu)的無壓換熱器。改造后的煙氣流程為:

圖3 立式鍋爐節(jié)能裝置系統(tǒng)圖(無省煤器)

圖4 立式鍋爐用換熱器

爐膛→爐排管→橫水管→沖天管→無壓換熱器→煙囪

供水流程為:

水處理→無壓換熱器→水箱→水泵→鍋爐本體

由于鍋爐在使用時(shí)，經(jīng)常間斷式給水，水處理設(shè)備也經(jīng)常間斷運(yùn)行，為避免換熱器干燒，在換熱器上部受熱面設(shè)計(jì)有溫度測(cè)點(diǎn)，同時(shí)增加了旁路系統(tǒng)。在水處理設(shè)備停止上水后，可以通過旁路系統(tǒng)利用水箱中的水冷卻換熱器，避免其過熱。同時(shí)能有效地降低排煙溫度，利用煙氣余熱。

我們選取了一臺(tái)型號(hào)為L(zhǎng)SC0.5－0.4－AII的立式鍋爐進(jìn)行改造，該鍋爐為自然通風(fēng)，使用壓力為0.3 MPa，設(shè)計(jì)效率≥65%。無壓換熱器采用橫水管，錯(cuò)列布置。經(jīng)計(jì)算［8］，換熱面積為3.5 m2，煙氣阻力為28 Pa(如采用熱管設(shè)計(jì)阻力會(huì)更小)，換熱器出口水溫為52.4℃，排煙溫度為230℃。改造后穩(wěn)定工況下測(cè)量的數(shù)據(jù)如表2。

表2 改造后數(shù)據(jù)(軟水給水溫度為20℃，水處理連續(xù)上水)

可以看出，鍋爐排煙溫度下降了46℃，換熱器出口水溫提高了34℃。

在水處理設(shè)備停止上水后，旁通管打開，鍋爐仍在運(yùn)行的20 min時(shí)間里，無壓換熱器的出水溫度由54℃升至70℃，水箱溫度由42℃上升至51℃。

2.2 數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

(1)實(shí)際情況和計(jì)算結(jié)果基本接近，排煙溫度與設(shè)計(jì)值相差8%。

(2)未發(fā)現(xiàn)串煙現(xiàn)象，新增設(shè)備的煙風(fēng)阻力對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響可以忽略。實(shí)際使用中可以增加一節(jié)煙囪，以提高自生通風(fēng)力，也有利于爐內(nèi)煤炭的燃燒。

(3)給水泵入口最高水溫為51℃，與水泵耐熱溫度上限80℃比，有足夠的裕量。

(4)立式鍋爐改造前排煙溫度較高，在排煙溫度的設(shè)計(jì)選取上，應(yīng)低一些，使改造后的排煙溫度不高于230℃［11］。

(5)水處理設(shè)備停用期間，水箱有蓄熱功能，因此要足夠的容水量，才能有效的延緩換熱器溫升至下一次水處理設(shè)備開啟。

3 投資與回收周期

以上述KHSS0.5－0.7型鍋爐為例，其節(jié)煤率為4.3%，改造前其每小時(shí)煤耗為83 kg。以一天運(yùn)行10 h，全年運(yùn)行300天計(jì)算，年節(jié)煤量為:10×300×83×4.3%=10 707 kg=10.7 t。按目前市場(chǎng)價(jià)格節(jié)約資金約1萬元。該裝置制造和安裝總費(fèi)用為5 097元?；厥罩芷诩s為半年。

對(duì)于長(zhǎng)期24 h生產(chǎn)的鍋爐，節(jié)能效果更為明顯。在一臺(tái)4蒸噸鍋爐上，將排煙溫度降低40℃(目前在用鍋爐中運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的4蒸噸鍋爐，排煙溫度都在200℃左右，新出廠的鍋爐也在170℃)，節(jié)煤率將在3%以上，換熱器制造費(fèi)用在2萬元左右，安裝費(fèi)用約為1萬元左右。如果按全年運(yùn)行300天計(jì)算，年節(jié)煤量為632.5×24×300×3%=136 620 kg=136.6 t，市場(chǎng)價(jià)值約為13萬元?；厥罩芷诓坏?個(gè)月。

4 小型工業(yè)鍋爐余熱利用新技術(shù)的特點(diǎn)

(1)采用了無壓設(shè)計(jì)，設(shè)備制造成本有效降低，也有利于現(xiàn)場(chǎng)改造的實(shí)施。換熱后的介質(zhì)進(jìn)入原系統(tǒng)給水泵的入口，避免了新設(shè)備承壓爆炸的危險(xiǎn)，保證了安全性。

(2)對(duì)于有省煤器的鍋爐，省煤器出口水溫會(huì)升高，但不會(huì)使省煤器出口出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行沒有影響。

(3)有效地利用水箱中的水的蓄熱能力，在鍋爐停止給水后，繼續(xù)吸收煙氣余熱，降低排煙溫度，達(dá)到了冷卻換熱器、提高水溫、吸收余熱、節(jié)約能源的目的。

(4)試驗(yàn)證明，采用該技術(shù)改造后，對(duì)整個(gè)鍋爐煙風(fēng)阻力基本沒有影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

小型工業(yè)鍋爐煙氣余熱利用新技術(shù)基本覆蓋了燃煤小型工業(yè)鍋爐的主要類型，在未改變?cè)性O(shè)備基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過簡(jiǎn)單改造，獲得了滿意的節(jié)能效果。目前，該技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于十多家單位，由于給水溫升明顯，設(shè)備投資少，回收周期短，操作人員也無需培訓(xùn)，取得了用戶的一致認(rèn)可，推廣應(yīng)用前景較好。

［1］林伯強(qiáng).中國(guó)能源戰(zhàn)略調(diào)整和能源政策優(yōu)化研究［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2012(1):1－3.

［2］張科，余德祖.我國(guó)工業(yè)鍋爐行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.中國(guó)鍋爐壓力容器安全，2004(2):17－21.

［3］山東金質(zhì)特種設(shè)備管理系統(tǒng)［CP］.濟(jì)南:山東金質(zhì)信息技術(shù)有限公司，2009.3.

［4］王鳳榮.關(guān)于鍋爐煙氣露點(diǎn)溫度計(jì)算的探討［J］.鍋爐技術(shù)，1997，(6):19－20.

［5］連紅奎，李艷，束光陽(yáng)子，等.我國(guó)工業(yè)余熱回收利用技術(shù)綜述［J］.節(jié)能技術(shù)，2011，(3):123－128，133.

［6］楊群峰，曹穎，譚兆強(qiáng).燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能裝置:中國(guó)，ZL200920226226.8［P］.2010－5－19.

［7］JB/T 8659－1997熱水鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法［S］.

［8］馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及計(jì)算［M］.2版.北京:科學(xué)出版社，1992，7.

［9］GB 5659－85多級(jí)離心水泵技術(shù)條件［S］.

［10］楊群峰，董哲，陳瑞廣.立式鍋爐余熱節(jié)能利用裝置:中國(guó)，201120477049.8［P］.2011－11－25.

［11］TSG G0002－2010鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程［S］.