工業(yè)煙氣余熱回收利用方案優(yōu)化分析

羅先輝

摘??要：我國工業(yè)余熱資源較為豐富，但是余熱的回收利用效率不高，其中煙氣余熱的節(jié)能利用潛力巨大。以工業(yè)煙氣余熱回收利用為研究對(duì)象，對(duì)工業(yè)煙氣余熱回收利用方案優(yōu)化進(jìn)行了分析，希望能為相關(guān)研究領(lǐng)域提供借鑒。

關(guān)鍵詞：工業(yè)煙氣;煙氣回收;煙氣余熱;節(jié)能設(shè)備

中圖分類號(hào)：X706????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.022

當(dāng)前，我國資源、能源問題日益嚴(yán)峻，引起了國家與各地政府的高度關(guān)注。在節(jié)能減排的背景下，為了節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)工業(yè)煙氣余熱進(jìn)行回收利用成為了大勢所趨。在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)煙氣余熱進(jìn)行回收利用不僅節(jié)約了能源，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，還能為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的建設(shè)與發(fā)展提供強(qiáng)大動(dòng)力支持。

1??工業(yè)余熱回收利用現(xiàn)狀

工業(yè)余熱主要是指在工作生產(chǎn)過程中使用的熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備和相關(guān)機(jī)械設(shè)備中未被利用的能量?？傮w來看，我國余熱資源較為豐富。相關(guān)研究資料顯示，我國余熱資源數(shù)量平均高達(dá)4.0×107?t標(biāo)準(zhǔn)煤。

工業(yè)部門的余熱資源平均率為7.3%，但是回收利用率卻只為34.9%.我國余熱資源之所以回收利用率較低，主要原因是過多的余熱量以各種形式浪費(fèi)掉。在工業(yè)未來發(fā)展中，可以看出余熱資源存在巨大的回收利用潛力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過有效的管理、設(shè)備改造升級(jí)、節(jié)能操作等手段，可以使余熱資源得到有效利用，余熱資源利用回收率將會(huì)大幅提高。在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中，充分利用余熱資源，對(duì)提高資源平均利用率具有重要意義，同時(shí)這也是工業(yè)發(fā)展中亟需解決的問題。

2??利用煙氣余熱的原則

合理利用能源，主要是在能量系統(tǒng)中使數(shù)量保持平衡，使質(zhì)量匹配合理化。在煙氣余熱的利用過程中，要使煙氣余熱利用價(jià)值最大化，燃料要在高溫下充分燃燒。由于燃燒燃料有多種類型，發(fā)熱量和絕熱燃燒溫度也會(huì)存在差異。因而在對(duì)燃料進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，不僅只考慮熱值，還要考慮到材料的質(zhì)量，準(zhǔn)確判斷材料性質(zhì)，合理利用。同時(shí)要減少損失量，在利用煙氣熱能時(shí)，要盡可能地減少各類損失，包括傳熱溫差、摩擦等，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量合理匹配，做到熱盡其用。如果在只需要低熱能的場合使用高質(zhì)量熱能，必然會(huì)造成燃料的浪費(fèi)。另外，要合理應(yīng)用總能系統(tǒng)，按照能量高低，采用梯級(jí)的利用方式，合理匹配功、熱等能量之間的關(guān)系，全面考慮環(huán)保、熱力、經(jīng)濟(jì)等多方面的因素，實(shí)現(xiàn)余熱利用的良性循環(huán)。需要指出的是，在通過余熱回收實(shí)現(xiàn)節(jié)能的過程中，不能只是為了回收而回收，還應(yīng)該考慮節(jié)能裝置本身的熱效率，通過改進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)來節(jié)約能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。圖1為煙氣余熱回收方案。

3??設(shè)計(jì)工業(yè)煙氣余熱回收利用優(yōu)化方案

煙氣回收工作中使用的主要設(shè)備是余熱回收換熱器，它是工業(yè)生產(chǎn)中的主要節(jié)能設(shè)備，在提高工業(yè)煙氣熱效率的同時(shí)，還能夠大幅提升能量的有效能效率。因而在設(shè)計(jì)工業(yè)煙氣余熱回收利用優(yōu)化方案時(shí)，就需要對(duì)換熱器進(jìn)行優(yōu)化。

3.1??確定優(yōu)化目標(biāo)

余熱回收換熱器最優(yōu)方案受到多種因素的影響，包括能源價(jià)格、原材料價(jià)格、安裝費(fèi)用、貸款方式和利率等。另外，技術(shù)因素也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，例如換熱器性能和使用壽命。

當(dāng)前比較明顯的優(yōu)化目標(biāo)方案主要有換熱器回收預(yù)熱年凈收益最大目標(biāo)函數(shù)、基于相對(duì)費(fèi)用參數(shù)的換熱器優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、最小投資回收年限目標(biāo)函數(shù)等。這些目標(biāo)函數(shù)的取法各有利弊，利用追求年凈收益最大和相對(duì)費(fèi)用參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)對(duì)預(yù)熱回收效果進(jìn)行了定量研究，但是能量、質(zhì)量沒有得到準(zhǔn)確反映;而換熱器優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)雖然對(duì)能量的考慮更全面，但在投資經(jīng)濟(jì)效果方面存在欠缺。

針對(duì)上述目標(biāo)函數(shù)確定方法的利弊，我們?cè)跓崃W(xué)分析的基礎(chǔ)上建立了工業(yè)煙氣余熱回收利用額價(jià)值型技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)——凈現(xiàn)值，用于對(duì)余熱回收換熱器熱力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3.2??選擇設(shè)計(jì)變量

設(shè)計(jì)變量就是設(shè)計(jì)工作中需要選擇的參數(shù)，也就是目標(biāo)函數(shù)中的待解參數(shù)，是目標(biāo)函數(shù)的基本組成成分，選擇合適的設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)非常重要。

換熱器設(shè)計(jì)工作主要有熱力學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度三方面內(nèi)容，熱力學(xué)設(shè)計(jì)主要工作有計(jì)算換熱面積、提高換熱效果、調(diào)整換熱面積、完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制方案、合理選擇設(shè)備型號(hào)，同時(shí)合理選取設(shè)計(jì)參數(shù)，包括換熱面積、換熱溫差、換熱系數(shù)等。在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面需要保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高系統(tǒng)的高溫穩(wěn)定性，保證結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全。

在設(shè)計(jì)參數(shù)選取中，換熱面積的確定是比較重要的一個(gè)問題。增加換熱面積能夠升高空氣預(yù)熱溫度，空氣預(yù)熱溫度為相關(guān)變量，換熱面積則為獨(dú)立變量。換熱面積增加能夠提高預(yù)熱回收量，然而也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用增加，所以在設(shè)計(jì)中需要控制設(shè)計(jì)變量維數(shù)，選擇獨(dú)立變量換熱面積為設(shè)計(jì)變量，求解目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)選。

3.3??約束條件

預(yù)熱回收換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面。

3.3.1??壁溫

余熱的溫度范圍較大，甚至可能超過1?000?℃，然而在余熱回收中，換熱器傳熱面所能承受的最高溫度是有限制的。溫度過高時(shí)，余熱回收不充分。壁溫主要受換熱器材質(zhì)、流型、結(jié)構(gòu)的影響。

3.3.2??傳熱面積

傳熱面積的確定要綜合考慮換熱效率和經(jīng)濟(jì)效益，安裝、維修等具體條件也會(huì)影響傳熱面積。

3.3.3??流體輸送功率消耗

預(yù)熱回收裝置會(huì)增加預(yù)熱源通路阻力，造成風(fēng)機(jī)功率消耗偏大，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇合理的流速范圍。

3.3.4??結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

設(shè)計(jì)中，換熱器不同部分熱膨脹問題對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了要求，所以需要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

3.4??經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

選取設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)定約束條件，建立分析模型進(jìn)行分析。預(yù)熱回收換熱器優(yōu)化中考慮最多的問題是提高換熱器經(jīng)濟(jì)效果，使用技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠準(zhǔn)確對(duì)其進(jìn)行衡量。技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)有時(shí)間型、效率型、價(jià)值型等不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，本次研究使用凈現(xiàn)值動(dòng)態(tài)分析按照資金的時(shí)間價(jià)值考慮是否可以選用靜/動(dòng)態(tài)分析方法。

本次研究使用凈現(xiàn)值動(dòng)態(tài)分析評(píng)價(jià)方法評(píng)估方案的經(jīng)濟(jì)效果。凈現(xiàn)值是一種有效的計(jì)算方式，能夠真實(shí)反映工程項(xiàng)目建設(shè)期間以及生產(chǎn)服務(wù)年限內(nèi)的獲利能力，是一個(gè)綜合的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)體系，是方案取舍的有效判據(jù)。NPV=0表示方案達(dá)到了基準(zhǔn)收益水平;NPV>0，表示該方案在滿足基準(zhǔn)收益水平要求的同時(shí)還能夠獲得超額收益，方案是可取的;NPV<0，說明方案不能獲得規(guī)定基準(zhǔn)收益，是不可取的方案。

使用該模型和評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行本次預(yù)熱回收利用方案優(yōu)化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)方案的燃料節(jié)約率大為提高，二氧化碳排量大量減少，整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益良好。

4??結(jié)束語

近年來，能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，節(jié)能減排成為了世界性的研究熱題。我國余熱資源較為豐富，但是整體回收利用效果不夠理想。在工業(yè)生產(chǎn)中，中、低溫?zé)煔庥酂峄厥绽眠€有很大提升空間，因而我們要給予工業(yè)煙氣余熱回收利用足夠的重視。要加大對(duì)回收利用方法的研究，使工業(yè)煙氣余熱回收利用方案不斷得到優(yōu)化，節(jié)約資源，降低能耗，減少運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

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〔編輯：王霞〕

Optimization?Analysis?of?Waste?Heat?Recovery?and?Utilization?Plan?of?Industrial?Gas

Luo?Xianhui

Abstract：?The?waste?heat?resource?of?our?country?is?rich，?but?the?waste?heat?recovery?efficiency?is?not?high，?and?the?flue?gas?waste?heat?energy?saving?energy?use?potential?is?huge.?Taking?the?waste?heat?recovery?and?utilization?of?industrial?flue?gas?as?the?research?object，?the?optimization?of?the?waste?heat?recovery?and?utilization?of?industrial?gas?is?analyzed，?and?it?is?hoped?that?it?can?provide?reference?for?the?related?research?field.

Key?words：?industrial?flue?gas;?flue?gas?recovery;?flue?gas?waste?heat;?energy?saving?equipment