輪胎廠使用蒸汽蓄熱器提高鍋爐熱效率的探索

楊光照，聶慶孟

（四川海大橡膠集團(tuán)有限公司，四川 簡陽 641402）

在輪胎廠中，蒸汽被廣泛應(yīng)用在原材料加熱脫水、設(shè)備預(yù)熱、水加熱和輪胎硫化等方面。受蒸汽使用不均衡影響，鍋爐產(chǎn)汽負(fù)荷隨之波動(dòng)，造成鍋爐熱效率下降。蒸汽蓄熱器是熱能的吞吐倉庫，一般為臥式圓筒體，內(nèi)裝軟化水。蒸汽蓄充熱過程：當(dāng)用汽負(fù)荷下降時(shí)，鍋爐產(chǎn)生的多余蒸汽以熱能的形式通過充熱裝置充入軟化水中貯存，使容器內(nèi)壓力、溫度上升，形成一定壓力下的飽和水。蒸汽蓄放熱過程：當(dāng)用汽負(fù)荷上升，鍋爐供汽不足時(shí)，隨著壓力下降，容器內(nèi)的飽和水成為過熱水而形成自蒸發(fā)，向用戶供汽。通過蓄熱器對熱能的吞吐作用，使供、用熱系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，從而可使鍋爐在滿負(fù)荷或某一穩(wěn)定負(fù)荷下平穩(wěn)運(yùn)行，一般可提高熱效率2%～10%[1]。

本工作針對公司用汽負(fù)荷波動(dòng)率較大的情況，探索使用蒸汽蓄熱器，以提高鍋爐的熱效率。

1 工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)公司動(dòng)力分廠改造前記錄的某日蒸汽負(fù)荷曲線顯示，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，用汽負(fù)荷不均衡，波動(dòng)較大，波動(dòng)范圍在5.25～7.65 t·h-1之間，平均波動(dòng)率為23.7%。用汽負(fù)荷波動(dòng)對鍋爐運(yùn)行操作帶來很多不利因素，造成如下的弊端。

（1）用汽負(fù)荷波動(dòng)迫使供汽鍋爐的負(fù)荷隨之波動(dòng)。由于鍋爐的蓄熱量有限，當(dāng)外界用汽負(fù)荷達(dá)到高峰或低谷時(shí)，鍋爐的供汽壓力往往隨之升降，司爐難以跟隨用汽負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整操作，鍋爐的燃燒工況惡化，導(dǎo)致熱效率下降。

（2）供汽鍋爐的燃燒強(qiáng)度隨用汽負(fù)荷波動(dòng)而變化，有時(shí)趕火，猛加燃料，爐膛內(nèi)燃燒劇烈，使?fàn)t壁過熱；有時(shí)壓火，爐膛內(nèi)燃燒緩慢，爐膛溫度下降。這樣易導(dǎo)致爐墻開裂、爐管彎曲變形和水冷壁上結(jié)渣；爐內(nèi)燃燒不盡，火焰延伸，可使蒸汽過熱器或?qū)α鞴艹瑴?，易?dǎo)致鍋爐故障。

（3）鍋爐蓄熱量有限，遇高峰用汽時(shí)供汽壓力下降和蒸汽嚴(yán)重帶水，影響生產(chǎn)工藝，進(jìn)而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。

（4）鍋爐的燃燒不穩(wěn)定，燃料的燃燒與所需空氣量失去平衡，發(fā)生不完全燃燒，造成環(huán)境污染。

因此，設(shè)計(jì)裝用蒸汽蓄熱器以提高鍋爐熱效率，工藝流程如圖1所示，工藝控制如下。

圖1 蒸汽蓄熱器工藝流程

（1）蒸汽進(jìn)入蓄熱器：鍋爐產(chǎn)汽先進(jìn)入分汽缸1，設(shè)定壓力為1.7～1.9 MPa，當(dāng)壓力低于1.7 MPa時(shí)，電動(dòng)閥1開度減小，蓄熱器進(jìn)汽量減小，鍋爐分汽缸壓力得到穩(wěn)定，當(dāng)壓力大于1.9 MPa時(shí)，電動(dòng)閥2開度增大，大量蒸汽進(jìn)入蓄熱器儲(chǔ)存。

（2）蒸汽排出蓄熱器：分汽缸2壓力設(shè)定為生產(chǎn)工藝要求的1.2～1.3 MPa，當(dāng)壓力低于1.2 MPa時(shí)，電動(dòng)閥2開度增大，滿足用戶側(cè)蒸汽需求，當(dāng)壓力高于1.3 MPa時(shí)，電動(dòng)閥2開度減小，蓄熱器外供蒸汽減少，蒸汽被儲(chǔ)存起來。

（3）汽水分離：蒸汽排出蓄熱器進(jìn)入汽水分離器，蒸汽里含有的少量水分被分離，蒸汽從頂部送入分汽缸2，當(dāng)分離器液位達(dá)到設(shè)定高度時(shí)，電動(dòng)閥3開度增大，分離出的凝結(jié)水排入軟化水箱回收利用。

（4）軟化水補(bǔ)充蓄熱器：軟化水泵將軟化水從蓄熱器底部送入蓄熱器，水泵出口端設(shè)置止回閥，防止回流。當(dāng)蓄熱器水位低于設(shè)定值，且蓄熱器壓力高于用戶側(cè)蒸汽需求壓力1.3 MPa時(shí)，軟化水小流量均勻進(jìn)入蓄熱器，通過分水器與蒸汽充分接觸，儲(chǔ)存熱能。

以上各部位壓力可根據(jù)生產(chǎn)工藝需求設(shè)定，分汽缸1與分汽缸2壓差越大，蓄熱器儲(chǔ)能容量越大。同時(shí)為了得到更穩(wěn)定的儲(chǔ)能效果，補(bǔ)充到蓄熱器的軟化水溫度不宜過低。

2 改造功效

2.1 減小負(fù)荷波動(dòng)對鍋爐熱效率的影響

鍋爐的運(yùn)行熱效率隨鍋爐負(fù)荷的變化而不同，鍋爐負(fù)荷急劇、頻繁波動(dòng)時(shí)效率較低。鍋爐的熱效率曲線呈拋物線形狀[2]，因此，鍋爐在低負(fù)荷和超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，熱效率均會(huì)降低。蒸汽鍋爐的最佳熱效率在額定蒸發(fā)量以下或其附近，最佳效率區(qū)在額定蒸發(fā)量的85%～100%范圍之內(nèi)[3]。

在用汽負(fù)荷劇烈波動(dòng)的供熱系統(tǒng)中，供汽鍋爐配用蒸汽蓄熱器后，鍋爐就不再追隨波動(dòng)負(fù)荷而改變蒸發(fā)量，基本上保持連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行工況，因此可避免燃燒工況變動(dòng)造成的各種熱損失，節(jié)省鍋爐燃料。

2.2 增大供熱能力

當(dāng)鍋爐供汽能力低于用汽負(fù)荷峰值時(shí)，使用蓄熱器可使鍋爐壓力穩(wěn)定，提高供汽量，避免為滿足用汽峰值需求而額外增加鍋爐，其余時(shí)間為維持鍋爐燃燒又會(huì)導(dǎo)致散熱損失。

2.3 減少鍋爐故障

裝用蒸汽蓄熱器后，鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定，燃燒工況和蒸汽壓力平穩(wěn)，可以避免發(fā)生不良現(xiàn)象。因此，鍋爐檢修工作量減小，維修費(fèi)用降低，使用壽命延長，這些是短時(shí)間內(nèi)不易確切計(jì)算的效益。

2.4 保持供汽壓力穩(wěn)定

供汽鍋爐配用蒸汽蓄熱器可保持供汽壓力穩(wěn)定，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量或質(zhì)量。

2.5 保護(hù)環(huán)境

鍋爐工況穩(wěn)定后，可以方便地控制風(fēng)煤比，穩(wěn)定鼓風(fēng)引風(fēng)比，改善燃燒過程，減少因不完全燃燒造成的環(huán)境污染。

3 經(jīng)濟(jì)效益

3.1 提高熱效率，節(jié)約耗煤

對于用汽的尖峰負(fù)荷未超過鍋爐最大產(chǎn)汽量，用汽的波動(dòng)幅度也未產(chǎn)生不允許的鍋爐壓降幅度和壓降速度，但用汽波動(dòng)的頻度很高（例如達(dá)到每小時(shí)四五次以上的頻率）的情況，從節(jié)能的觀點(diǎn)考慮，也應(yīng)該裝用蓄熱器。裝用蓄熱器后，可以使鍋爐工況穩(wěn)定，避免了頻繁改變工況操作過程中經(jīng)常出現(xiàn)的跑紅火、冒黑煙和過量空氣系數(shù)過大或過小等問題，一般可以節(jié)能5%～7%[4]。

我公司參照鍋爐負(fù)荷變化與熱效率曲線并結(jié)合鍋爐波動(dòng)情況，增加蓄熱器后至少可提高鍋爐熱效率3%。

節(jié)能計(jì)算以年蒸汽產(chǎn)量（Q）為234 640 t，耗煤量（M）為61 666 t，原煤發(fā)熱量（K）為16 744 kJ·kg-1，蒸汽熱焓（H）為2 794 kJ·kg-1計(jì)（下同），改造前鍋爐平均熱效率（η）按下式計(jì)算：

以增加蒸汽蓄熱器后提高鍋爐熱效率為3%計(jì)，改造后鍋爐熱效率（η′）為66.5%。在保持蒸汽產(chǎn)量不變的情況下，每年節(jié)約煤量（ΔM）按下式計(jì)算：

計(jì)算全年節(jié)約原煤2 782 t，以原煤價(jià)格為500元·t-1計(jì)（下同），則全年節(jié)煤價(jià)值139.1萬元。

3.2 減少1臺(tái)鍋爐運(yùn)行，降低鍋爐散熱損失

對于平均用汽負(fù)荷未超過鍋爐的最大產(chǎn)汽量，但在短時(shí)間的尖峰用汽期間需要增加1臺(tái)鍋爐運(yùn)行，而尖峰需汽量并不多且時(shí)間又短（例如每天1～2次、每次2～3 h）的情況，適宜裝用蓄熱器。裝用蓄熱器后可以不用每天短時(shí)間多運(yùn)行1臺(tái)鍋爐，從而可以取得更大的節(jié)能效果[4]。

近3年我公司每年至少有4個(gè)月（以120天計(jì)）的時(shí)間投入1臺(tái)35 t·h-1鍋爐和1臺(tái)10 t·h-1鍋爐或1臺(tái)25 t·h-1鍋爐和2臺(tái)10 t·h-1鍋爐運(yùn)行，增加蒸汽蓄熱器之后可減少1臺(tái)10 t·h-1鍋爐運(yùn)行，只投運(yùn)1臺(tái)35 t·h-1鍋爐或1臺(tái)25 t·h-1鍋爐和1臺(tái)10 t·h-1鍋爐，節(jié)約了1臺(tái)10 t·h-1鍋爐運(yùn)行時(shí)的散熱損失。

1臺(tái)10 t·h-1鍋爐本身散熱損失率為1.7%[4]，能量損失率約為668 666.6 kJ·h-1，則4個(gè)月鍋爐散熱導(dǎo)致的煤耗為114.9 t，散熱損失價(jià)值約為5.745 6萬元。

3.3 蓄熱器的散熱損失

容積為100 m3蓄熱器的散熱量為59 000 kJ·h-1[4]，蓄熱器運(yùn)行1年（以365天計(jì)）的熱損失相當(dāng)于耗煤30.66 t，則蓄熱器年散熱損失價(jià)值約1.533萬元。

3.4 運(yùn)行成本

蒸汽蓄熱器日常管理與一般壓力容器管理相同，不需增加人工管理；消耗水、電量極低，可忽略不計(jì)。

3.5 維修成本

蒸汽蓄熱器運(yùn)行方便，基本不需要維修。

3.6 折舊費(fèi)用

蒸汽蓄熱器一般可穩(wěn)定運(yùn)行20年，年折舊率（γ）按下式計(jì)算：

式中，δ為預(yù)計(jì)凈殘值率，取值5%；S為預(yù)計(jì)使用壽命，取值20年。則年折舊率為4.75%。以總投資為150萬元計(jì)，年折舊費(fèi)為8.55萬元。

3.7 其他節(jié)能因素

多運(yùn)行1臺(tái)10 t·h-1鍋爐時(shí)，需要經(jīng)常壓火，壓火過程中不產(chǎn)生蒸汽，造成的燃煤損失、鍋爐輔機(jī)電耗、人工費(fèi)難以統(tǒng)計(jì)，故未納入節(jié)能計(jì)算。

3.8 投資預(yù)算和經(jīng)濟(jì)效益分析

蓄熱器主體為一臥式圓筒形壓力容器，一般用Q325鋼材制造，內(nèi)部裝有充熱和放熱設(shè)備，外部設(shè)有人孔、液位計(jì)、控制閥門和安全閥門等，設(shè)計(jì)、制造、安裝費(fèi)用約150萬元，土建設(shè)計(jì)和施工費(fèi)約30萬元，合計(jì)180萬元。

綜上所述，使用蒸汽蓄熱器后每年可節(jié)約費(fèi)用計(jì)算如下：

由此可見，一年半即可收回投資。

4 結(jié)語

由該設(shè)計(jì)實(shí)例可以看出，輪胎廠在蒸汽需求量波動(dòng)較大的情況下，可考慮采用鍋爐配用蓄熱器的措施。通過蓄熱器的熱能吞吐作用，可以有效提高鍋爐熱效率，節(jié)能減排效果明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著。