船舶垃圾焚燒爐及柴油動力裝置余熱綜合利用系統(tǒng)*

曾廣博，吳 婕，謝明超，陳新恩

（1. 華南理工大學電力學院，廣州 510640；2. 廣州航海學院，廣州 510725）

船舶垃圾焚燒爐及柴油動力裝置余熱綜合利用系統(tǒng)*

曾廣博1?，吳 婕1，謝明超1，陳新恩2

（1. 華南理工大學電力學院，廣州 510640；2. 廣州航海學院，廣州 510725）

從船舶節(jié)能角度出發(fā)，提出了一種綜合利用船舶垃圾焚燒爐及柴油動力裝置余熱的回收系統(tǒng)。對系統(tǒng)各部件和工質(zhì)參數(shù)進行計算，為設(shè)備設(shè)計和選型提供依據(jù)；對系統(tǒng)進行?平衡和熱平衡計算，系統(tǒng)中鍋爐的?損失最大為68.1%，冷凝器的?損失最小為3.17%；對系統(tǒng)進行經(jīng)濟性分析，結(jié)果表明系統(tǒng)能量利用率εE提高了3.54%，動力裝置有效熱效率ηe提高了3.11%，系統(tǒng)獲得額外約1300（萬元/年）的收益，投資回收期約為1.6年，對該余熱回收系統(tǒng)進行投資是切實可行的。

船舶垃圾；柴油動力裝置；余熱；熱經(jīng)濟分析；?分析

0 引 言

目前垃圾焚燒處理作為一種比較成熟的處理斱式已在遠洋船舶上得到廣泛應(yīng)用，但由于實際應(yīng)用中焚燒爐處理量不大，且船上配置能源較多，所以其產(chǎn)生的高溫煙氣均未加以利用[1]。這部分廢熱由于溫度高，可利用潛力巨大，應(yīng)采取措施加以回收利用。

相對于柴油動力裝置余熱開發(fā)利用而言，目前國內(nèi)外有關(guān)船舶垃圾焚燒爐余熱利用的研究較少，而系統(tǒng)地探討如何綜合利用船舶垃圾焚燒爐及柴油動力裝置余熱的文章則更少。本文提出了一種船舶垃圾焚燒爐及柴油動力裝置余熱綜合利用系統(tǒng)，幵著重探討其工作原理及熱經(jīng)濟性。該系統(tǒng)主要針對配置大型柴油機的船舶，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽除了用于加熱和生活雜用，還帶動蒸汽透平發(fā)電機組產(chǎn)生電能，代替或部分代替柴油發(fā)電機組的工作，可降低燃油消耗。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)工作原理及優(yōu)點

本文提出的船舶垃圾焚燒爐及柴油動力裝置余熱綜合利用系統(tǒng)如圖1所示。垃圾焚燒爐和柴油機排出的煙氣通過總熱煙道進行匯合，經(jīng)過排氣渦輪增壓器后進入余熱鍋爐，最后排入大氣中。給水泵將熱井中的低溫給水輸送至一、二次預熱器進行預熱后進入汽包。汽包進行汽水分離，飽和水通過循環(huán)水泵進入二次預熱器，加熱來自一次預熱器的鍋爐給水，接著依次通過經(jīng)濟器和蒸發(fā)器后返回汽包；飽和蒸汽分為兩路，一路通入過熱器變成過熱蒸汽后進入汽輪發(fā)電機做功，做完功后的乏汽在凝汽器冷凝成液態(tài)，經(jīng)過凝結(jié)水泵后返回熱井；另一路直接通向船上各蒸汽加熱設(shè)備，經(jīng)利用完后的部分蒸汽或汽水混合物返回熱井。當上述余熱系統(tǒng)不能滿足全船用電用熱需求時，可啟動輔鍋爐，保證供電供熱。

不再設(shè)置鼓風機以冷卻高溫煙氣，既簡化了垃圾焚燒爐設(shè)備，又可達到節(jié)能的效果。系統(tǒng)設(shè)置了總熱煙道，垃圾焚燒爐和柴油動力裝置的煙氣都經(jīng)總熱煙道集中回收利用，可統(tǒng)一處理后再排出，從而簡化環(huán)保設(shè)備裝置、降低投資成本、提高運行管理效率。此外，利用柴油機冷卻水的熱量預熱給水，提高了余熱利用率，節(jié)能效果更加明顯。

表1 Sulzer 7RTA62U-B型柴油機參數(shù)Table 1 Parameters of Sulzer 7RTA62U-B-type diesel engine

1.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

1.2.1 煙氣參數(shù)

（1）柴油機煙氣

船舶動力裝置選取 Sulzer 7RTA62U-B型柴油機，按 100%MCR工況進行計算，煙氣出口溫度t1′ = 300℃，主要參數(shù)見表1[2]。

（2）垃圾焚燒爐煙氣

船舶垃圾焚燒爐出口煙氣流量qm2根據(jù)船舶垃圾干燥基的元素分析[3]，按工程燃燒學相關(guān)理論進行計算[4]。

對于萬噸級貨輪，船舶每天產(chǎn)生的垃圾量按8噸計算[5]，船舶垃圾焚燒爐出口的煙氣溫度t2′ = 1100℃[6]，對應(yīng)的標準煙氣密度ρ= 0.257 kg/m3，過量空氣系數(shù)α取1.6。

經(jīng)計算得到垃圾焚燒爐出口煙氣流量：

式中，Vy為實際煙氣量，m3/kg。

（3）混合煙氣

混合煙氣總流量：

混合煙氣溫度根據(jù)熱平衡進行計算：

式中，Cp1、Cp2為平均定壓比熱容[7]。

計算得到混合煙氣溫度t= 307℃，考慮管道熱量損失，取300℃作為余熱鍋爐入口混合煙氣溫度。

1.2.2 余熱鍋爐、凝汽器和熱井特性參數(shù)

計算公式見表 2，具體參數(shù)說明見參考文獻[2]和[8]，計算說明和計算參數(shù)具體取值如下：

鍋筒壓力按0.9 MPa計算；

海水入口溫度tsw取為20℃；

給水經(jīng)預熱器后溫度取為75℃；

Gsat為全船加熱蒸汽量，0.54 kg/s[9]；

ηB為余熱鍋爐效率，取為ηB= 0.98；

t1為鍋爐入口煙氣溫度，300℃；

t2為鍋爐出口煙氣溫度，170℃；

tn為凝汽器過冷水出口溫度，過冷度取0.5℃時為32.4℃；

tf2為飽和蒸汽經(jīng)加熱設(shè)備換熱后的溫度，取為80℃；

hid為進入鍋筒的給水熱焓，kJ/kg，一般取tid=tsat- 10℃，取為165℃；

h1ECO為經(jīng)濟器進口水的熱焓，kJ/kg，文中按125℃進行計算；

h2ECO為經(jīng)濟器出口水的熱焓，kJ/kg，一般取低于飽和水溫12℃，取為163℃；

HT2S′為凝汽器壓力下的飽和水焓，凝結(jié)水過冷度取0.5℃時，HT2S′= 135.68 kJ/kg；

tsw′為海水出凝汽器的溫度，一般比凝汽器飽和溫度低5 ～ 6℃，取為27.4℃。

表2 余熱鍋爐、凝汽器和熱井特性參數(shù)計算公式Table 2 Computational formula of waste heat boiler, condenser and hot well's parameters

2 系統(tǒng)余熱能量分析

2.1 系統(tǒng)的余熱能量組成

在柴油機燃燒過程中約35% ～ 50%的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功，27% ～ 40%的熱量被排氣帶走，15% ～30%的熱量被冷卻介質(zhì)帶走，機器表面散熱帶走2%～ 8%的熱量[10]。船舶垃圾焚燒爐目前所產(chǎn)生的高溫煙氣均作廢氣直接排出，未加以利用，造成很大的能源浪費。

2.2 系統(tǒng)的熱分析

為簡化計算，本文不考慮飽和蒸汽產(chǎn)生量及泄漏損失等，煙氣按理想氣體計算，鍋爐工況穩(wěn)定，環(huán)境溫度為20℃。該系統(tǒng)的簡化朗肯循環(huán)T-S圖如圖2所示。系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)按照前面計算所得，見表3。

圖2 朗肯循環(huán)T-S圖Fig. 2 T-S diagram of the Rankine cycle

已知汽輪機的相對內(nèi)效率ηT= 0.85，水泵的相對內(nèi)效率ηP= 0.9，汽輪發(fā)電機組的機械效率ηM= 0.96，發(fā)電機的電效率ηE= 0.97，鍋爐的熱效率ηB= 0.98。由于船舶廢棄物與城市垃圾成分比較相似，主要構(gòu)成為生活廢棄物，其特點是含水量較高、熱值低，故選取典型城市生活垃圾的熱值當作船舶垃圾熱值進行計算，其熱值為6700 kJ/kg[3]。

單位時間里垃圾焚燒爐煙氣在余熱鍋爐中的換熱量為：

煙氣發(fā)熱值為：

1 kg排氣能產(chǎn)生的蒸汽量m為：

式中，Q1為柴油機排氣在余熱鍋爐中的換熱量，4692 kW；q1為1 kg水蒸汽在余熱鍋爐中的吸熱量，q1= h1″ -h2= 2872.6 kJ/kg。

表3 朗肯循環(huán)各狀態(tài)點的參數(shù)Table 3 Rankine cycle parameters for each state point

2.2.1 系統(tǒng)的?平衡分析

根據(jù)熱力學理論和相關(guān)文獻[4,11]，由表3參數(shù)可求得工質(zhì)在系統(tǒng)各部件的?損和?效率。?損以1 kg蒸汽計算，?損率是各部分?損失占煙氣?的百分數(shù)，用ξi表示，詳細計算結(jié)果見表4。

表4 系統(tǒng)各部件?分析Table 4 Exergy analysis for the components of the system

2.2.2 系統(tǒng)的熱平衡分析

由前面分析知，產(chǎn)生 1 kg蒸汽所需煙氣量為m′= 1/m= 15.625 kg，則產(chǎn)生1 kg蒸汽所需煙氣提供的能量為：

裝置輸出有用功為：

輸出有用功占總能量比例為：

蒸汽管道及節(jié)流閥熱損失為：

冷凝器熱損失為：

鍋爐熱損失為：

其他熱損失為：

根據(jù)熱平衡和?平衡計算結(jié)果可得：

（1）從熱平衡角度分析，鍋爐熱效率高達98%，排煙、散熱等損失僅占2%，但從?平衡角度分析，鍋爐內(nèi)?損率達68.10%，是該系統(tǒng)中?損失最大的設(shè)備。其主要原因是煙氣與水和水蒸氣之間傳熱溫差較大。因此，提高余熱發(fā)電系統(tǒng)的?效率的主要途徑是要提高鍋爐的?效率。

（2）冷凝器中乏汽放給冷卻水的熱量占了燃料提供熱量的74.41%，但冷凝器的?損失僅占3.17%?？梢娎淠鞯?損失幵不大，也即損失的做功能力不大。

（3）汽輪機的?損失在整個余熱發(fā)電系統(tǒng)中居第二位，占輸入煙氣?的 3.96%。主要是由工質(zhì)在汽輪機中的不可逆膨脹引起的，提高其相對內(nèi)效率可減少?損失[12]。

3 系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

3.1 船舶能量利用評價

評價整個船舶能量利用優(yōu)劣的指標有能量利用率εE和動力裝置有效熱效率ηe。

根據(jù)船舶動力裝置的熱平衡關(guān)系，整個船舶的有效利用熱能QEF為：

式中：NT為螺旋槳發(fā)出的有效推動功率，NTA為汽輪機發(fā)電機功率；Gsat(hsat″-hfw)為船用加熱蒸汽所消耗的熱能。

當船舶動力裝置傳動效率ηTC= 0.94[13]時，螺旋槳發(fā)出的有效推動功率為：

則可算得：QEF= 17121.39 kW

輸入船舶動力裝置的總熱能 Qin對于未回收余熱的最簡單動力裝置為：

式中：BME、BAE、BAB分別為主柴油機、柴油發(fā)電機和輔鍋爐每小時的耗油量，由相關(guān)資料可查得其分別為4000 kg/h、240 kg/h和185 kg/h[8]；Qp(ME)H、Qp(AE)H、Qp(AB)H分別為主柴油機、柴油發(fā)電機和輔鍋爐所用燃料的低位發(fā)熱值，為簡化計算，均取柴油作為燃料，低位發(fā)熱量為41520 kJ/kg。

則可算得：Qin= 51000 kW。

因此，船舶在未回收余熱時，能量利用率εE為：

當余熱能量能滿足全船用電及用熱時，柴油發(fā)電機及輔鍋爐的耗油量BAE及BAB皆為0，這時能量利用率εE變成為37.11%。

一般用動力裝置有效熱效率ηe來表征動力裝置的經(jīng)濟性，它是動力裝置所發(fā)出的有效推動功率的相當熱量與輸入裝置的總熱量之比，所以也能表征能量利用的優(yōu)劣。

則船舶在未回收余熱時，其動力裝置有效熱效率ηe為29.48%。

當余熱能量能滿足全船用電及用熱時，ηe為32.59%。

船舶在設(shè)置余熱綜合利用系統(tǒng)后，能量利用率εE提高了 3.54%，動力裝置有效熱效率 ηe提高了3.11%，節(jié)能效果顯著。

3.2 經(jīng)濟效益分析

由前面分析可知，船舶在設(shè)置余熱綜合利用系統(tǒng)后，若余熱能量能滿足全船用電及用熱需求，船舶將不再設(shè)置柴油發(fā)電機，輔鍋爐也不用運行，則節(jié)省的燃油量為：

假定船舶每年海上航行的時間為 280天（即6720 h）[14]，則可節(jié)約燃油約2856噸/年。按燃油價格4500元/噸計算，可節(jié)省燃油費用1285 （萬元/年）。

此外，船舶垃圾焚燒爐每天處理8噸船舶垃圾。若按每噸20元[15]的船舶垃圾處理費計算，可節(jié)省垃圾處理費4.32（萬元/年）。

同時，貨輪船舶每年大約可多運載貨物1080噸（假設(shè)按垃圾產(chǎn)生總量的50%計算）。若每噸貨物運費為150元，則每年增加的載貨量收益為10.8萬元。

因此，余熱綜合利用系統(tǒng)獲得額外收益總數(shù)為：1285 + 4.32 + 10.8 = 1300.12（萬元/年）。

3.3 系統(tǒng)投資評估

按照上述費用，再根據(jù)相關(guān)資料[2,16,17]可估算得該余熱綜合利用系統(tǒng)初投資P為1943.22萬元，投資年利息 i為 6%，每年獲得的凈收益 A為1300.12萬元。

設(shè)投資回收年限為n年，據(jù)技術(shù)經(jīng)濟分析的投資年限分析法[18]，有以下公式：

由此可得投資回收期n為：

經(jīng)計算得：n ≈ 1.6年（＜ 5年），表明對該余熱綜合利用系統(tǒng)進行投資切實可行。

4 結(jié) 論

（1）本文提出了一種船舶垃圾焚燒爐及柴油動力裝置余熱綜合利用系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)置總熱煙道，不再設(shè)置鼓風機等改進措施，簡化了環(huán)保設(shè)備裝置、降低投資成本、提高了余熱利用率，節(jié)能效果更加明顯。

（2）

根據(jù)?分析，本系統(tǒng)中鍋爐的?損失最大，為68.1%；其次是汽輪機，為3.96%；冷凝器的?損失不大，僅 3.17%。提高本系統(tǒng)?效率的主要途徑是要提高鍋爐的?效率。

（3）根據(jù)經(jīng)濟性分析，采用本系統(tǒng)后，能量利用率εE提高了3.54%，動力裝置有效熱效率ηe提高了 3.11%，節(jié)能效果顯著。采用本系統(tǒng)獲得額外收益為1300.12萬元/年。投資回收期約為1.6年，對其投資是切實可行的。

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Waste Heat Comprehensive Utilization System of Marine Solid Waste Incinerator and Diesel Power Plant

ZENG Guang-bo1, WU Jie1, XIE Ming-chao1, CHEN Xin-en2
(1. Electric Power College, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. Guangzhou Maritime College, Guangzhou 510725, China)

For the energy saving, a comprehensive waste heat recovery and utilization system was proposed. The parameters of working fluid and system components were calculated to provide a basis for equipment design and selection in this paper. Exergy and heat analysis were applied for the system and the results show that the boiler has the maximum exergy loss of 68.1% while the condenser has the minimal exergy loss of 3.17%. The result of the economic analysis shows that the energy efficiency (εE) is increased by 3.54%, and the effective thermal efficiency (ηe) is increased by 3.11%. The system can gain about 13 million yuan per year and the investment payback period is about 1.6 years which show that this waste heat recovery system is feasible from the economic view.

garbage from ships; diesel power plant; waste heat; exergoeconomic analysis; exergy analysis

2095-560X（2014）01-0070-06

TK2

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.01.012

2013-12-16

2014-02-18

深圳市新型鋰離子電池與介孔正極材料重點實驗室2012年度開放課題（20120212）；廣州市黃埔區(qū)科技計劃項目（201258）；廣東省科技計劃項目（2012B010500030）

? 通信作者：曾廣博，E-mail：zengguangbo1204@163.com

曾廣博（1990-），男，碩士研究生，主要從事高效低污染燃燒研究。

吳 婕（1984-），女，博士，講師、碩士生導師，主要從事固廢能源高效清潔利用。