工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)中的環(huán)保問題及體現(xiàn)分析

鄭偉偉

【摘要】我國(guó)近些年的發(fā)展和工業(yè)鍋爐具有密切的關(guān)系，通過幾十年的發(fā)展，工業(yè)鍋爐開始進(jìn)入到各個(gè)領(lǐng)域。我國(guó)屬于煤炭大國(guó)，工業(yè)鍋爐直接關(guān)系到煤炭消費(fèi)，工業(yè)鍋爐達(dá)到全國(guó)總煤炭出產(chǎn)的一半，雖然利用煤炭非常多，但是煤炭利用率卻比較低，使用煤炭的過程中卻是在浪費(fèi)能源。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中加劇了環(huán)境污染，尤其是廢氣排放方面比較嚴(yán)重，大幅度降低了我國(guó)的空氣質(zhì)量，是造成我國(guó)近些年霧霾的主要原因之一。當(dāng)前工業(yè)鍋爐在我國(guó)市場(chǎng)當(dāng)中占據(jù)的份額已經(jīng)比較重，合理的設(shè)計(jì)工業(yè)鍋爐及其系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，滿足環(huán)保和安全方面的需求，這也是當(dāng)前主要的發(fā)展形勢(shì)。本文主要論述了工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)中的環(huán)保問題，在工業(yè)發(fā)展過程中發(fā)揮著非常重要的作用。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)鍋爐 設(shè)計(jì) 環(huán)保問題

工業(yè)鍋爐簡(jiǎn)單來說就是一種加熱裝置，主要就是在工業(yè)原料的加工和制造過程進(jìn)行利用。工業(yè)鍋爐在我國(guó)發(fā)展的時(shí)間非常長(zhǎng)，對(duì)于我國(guó)的發(fā)展起到很大的作用，我國(guó)屬于發(fā)展中國(guó)家，工業(yè)鍋爐屬于我國(guó)重要的熱力設(shè)備。在技術(shù)方面我國(guó)和發(fā)達(dá)國(guó)家仍舊存在一定的差距，在環(huán)保和煤炭利用率方面的差距更是巨大。我國(guó)屬于人口大國(guó)，因?yàn)槲廴疚锖蛷U氣的高排放量，嚴(yán)重威脅到我國(guó)公民的人生安全。我國(guó)不僅能源利用率比較低，資源方面也相對(duì)比較短缺，在這些矛盾沖突下，需要采取有效的措施該機(jī)設(shè)計(jì)工業(yè)鍋爐。

一、工業(yè)鍋爐的設(shè)計(jì)規(guī)范和要求

設(shè)計(jì)工業(yè)鍋爐的過程中，需要以國(guó)家規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)整改，主要就是為了將勞動(dòng)條件進(jìn)行改善，前提條件就是保障安全，主要的發(fā)展方向就是利用資源和保護(hù)環(huán)境，保證鍋爐可以實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，利用先進(jìn)的技術(shù)滿足經(jīng)濟(jì)要求。設(shè)計(jì)鍋爐的過程中首先需要滿足近期工作需求，利用長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展需求合理利用各種資源。

二、工業(yè)鍋爐在環(huán)保方面的問題

（一）高熱量高污染問題

工業(yè)鍋爐的容量比較小，其熱效率比較低。近些年我國(guó)不斷提升了熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目水平，但是在總體上看，小容量鍋爐的比重仍舊比較高，但是大多數(shù)鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷比較低，產(chǎn)生不完全燃燒的情況，增大了熱損失，嚴(yán)重影響運(yùn)行效率。大部分燃煤工業(yè)鍋爐使用的煤炭都是沒有進(jìn)行過預(yù)處理，無法保證其粒度和熱值等。工業(yè)鍋爐通常以層燃為主，但是缺乏適應(yīng)性，如果煤種發(fā)生變化，鍋爐的運(yùn)行特性也會(huì)發(fā)生改變，影響了鍋爐運(yùn)行效率。

工業(yè)鍋爐的排煙溫度比較高，會(huì)產(chǎn)生很大的污染，企業(yè)利用的有機(jī)熱載體鍋爐，其燃燒方法通常就是層燃，排煙溫度可以大于300℃以上，會(huì)排放大量的二氧化氮、二氧化碳等，嚴(yán)重污染到環(huán)境，出現(xiàn)嚴(yán)重的熱量流失。

（二）自控裝置的水平比較低

鍋爐運(yùn)行自控裝置的工作水平比較低，當(dāng)前利用的工業(yè)鍋爐通常都沒有設(shè)置檢測(cè)儀表，操作人員將鍋爐燃燒工況和負(fù)荷變化在實(shí)際調(diào)整的過程中，無法及時(shí)掌控具體的數(shù)據(jù)，無法結(jié)合負(fù)荷的實(shí)際變化對(duì)于鍋爐運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整，這樣就會(huì)限制了鍋爐和電機(jī)的運(yùn)行效率，導(dǎo)致浪費(fèi)的情況比較嚴(yán)重。

（三）能源浪費(fèi)情況比較嚴(yán)重

當(dāng)前我國(guó)能源浪費(fèi)的情況比較嚴(yán)重，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的主體就是煤炭，其主導(dǎo)產(chǎn)品就是燃煤工業(yè)鍋爐，這也是我國(guó)主要的煤煙型污染源。當(dāng)前我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐占據(jù)的比例非常高，主要是在工業(yè)動(dòng)力和建筑采暖等領(lǐng)域當(dāng)中利用工業(yè)鍋爐，每年都會(huì)損耗煤炭4億噸。我國(guó)近些年的能源還出現(xiàn)了短缺情況，在尋找新能源的過程中需要對(duì)于工業(yè)鍋爐重新設(shè)計(jì)，使燃燒效率不斷提高，使原料用量不斷降低。

三、我國(guó)能源應(yīng)用現(xiàn)狀

一個(gè)國(guó)家發(fā)展的主要?jiǎng)恿褪悄茉?，能源直接影響到?guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。我國(guó)能源儲(chǔ)量非常豐富，人口基數(shù)也比較，人均資源擁有量非常低。雖然我國(guó)能源儲(chǔ)量非常豐富，但是我國(guó)仍舊需要面對(duì)開采率和利用率比較低的問題。我國(guó)開采基數(shù)和發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行比較具有很大的差距，還缺乏保護(hù)意識(shí)，在實(shí)際開采階段就造成大量的浪費(fèi)。煤炭在我國(guó)是非常重要的，我國(guó)工業(yè)多數(shù)都是由煤炭支持的，這種情況是不夠科學(xué)的，煤炭自身的出產(chǎn)量對(duì)于我國(guó)的發(fā)展也造成嚴(yán)重的制約，利用良好的能源結(jié)構(gòu)，才可以均勻的分配能源需求。

如果過度依賴煤炭，我國(guó)工業(yè)發(fā)展也會(huì)變得畸形。由于煤炭也會(huì)造成環(huán)境污染問題，我國(guó)很少有關(guān)于廢氣廢渣的處理裝置，對(duì)于我國(guó)的空氣質(zhì)量和環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。

我國(guó)工業(yè)的用煤量不斷增長(zhǎng)，但是產(chǎn)煤量卻不斷降低，此外也增加了有害氣體，我國(guó)需要大力整頓我國(guó)的工業(yè)，首先需要整頓工業(yè)鍋爐，提高能源利用效率，降低排放量。

四、工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)中的環(huán)保措施

（一）合理化使用能源

對(duì)于小容量燃煤鍋爐，由于鍋爐房無法進(jìn)行合理化管理，建議結(jié)合周邊實(shí)際，形成集中供熱的能源供給模式，形成以園區(qū)為單位的鍋爐房進(jìn)行統(tǒng)一合理化管理；若如法規(guī)模化使用能源，建議采用高熱值的潔凈煤或經(jīng)過洗煤后使用，如果條件允許，建議改用天然氣等潔凈燃料，高污染低成本的經(jīng)營(yíng)模式遲早是要被淘汰的，正是如此，全國(guó)大范圍的煤改氣正在有序的進(jìn)展之中。

部分領(lǐng)域的企業(yè)，在自身的生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)出部分能源，可對(duì)其加以利用。例如化工行業(yè)生產(chǎn)中會(huì)有多余的氫氣、甲醛等，農(nóng)林廢棄物如秸稈、甘蔗渣等，地板家具廠加工廢料等。通過對(duì)這些可利用資源的分析，設(shè)計(jì)合理的鍋爐設(shè)備，并將產(chǎn)生的熱能并入企業(yè)原先的用能設(shè)備網(wǎng)，代替企業(yè)部分的原化石能源所獲取的熱能，降低企業(yè)對(duì)化石能源的消耗，同時(shí)提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

（二）提高能源的使用效率

提高能源的使用效率即提高鍋爐的設(shè)計(jì)及運(yùn)行效率，但并不是簡(jiǎn)單的增加鋼耗來獲取更多的輻射及對(duì)流換熱面。

對(duì)于燃煤鍋爐，改善爐內(nèi)配風(fēng)，提高煤的燃燒率，有效減少爐渣含碳量，巧妙組織爐內(nèi)燃燒動(dòng)力場(chǎng)，使鍋爐在寬煤種的范圍內(nèi)均可保證較好的燃燒。對(duì)于鏈條燃煤鍋爐常用的方法有：利用分層給煤技術(shù)、類似于雙人字拱的節(jié)能爐拱、合理布置爐膛內(nèi)一次風(fēng)及二次風(fēng)等。

對(duì)于燃?xì)忮仩t，由于燃煤煙氣成分灰分含量較高，一般煙氣流速都有很嚴(yán)格的控制，以免造成對(duì)流換熱面的磨損，影響其使用壽命，燃油燃?xì)忮仩t則可在煙氣對(duì)流段增加煙氣的流速，從而增加對(duì)流換熱系數(shù)。另一方面，以天然氣為燃料的鍋爐煙氣中水蒸汽容積成分一般為15%～19%，遠(yuǎn)高于燃煤鍋爐產(chǎn)生的煙氣中6%以下的水蒸汽含量。目前鍋爐熱效率均以低位發(fā)熱量計(jì)算，盡管名義上熱效率較高，但由于天然氣高、低位發(fā)熱量值相差10%左右，實(shí)際能源利用率尚待提高。為了充分利用能源，降低排煙溫度，回收煙氣的物理熱能，當(dāng)換熱器壁面溫度低于煙氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，煙氣中的水蒸汽將被冷凝，釋放潛熱，10%的高低位發(fā)熱量差就能被有效利用。

對(duì)于生物質(zhì)鍋爐，在燃燒機(jī)理上，生物質(zhì)固體燃料與煤炭很類似，但生物質(zhì)燃料的揮發(fā)分由于析出溫度低而易著火，直接采用燃煤鍋爐改成生物質(zhì)鍋爐效果不理想，燃燒效率普遍較低。建議在爐膛內(nèi)采用分段送風(fēng)形式，在進(jìn)料揮發(fā)斷采用高速送風(fēng)，使燃料可以充分?jǐn)_動(dòng)，高速空氣迅速與揮發(fā)分混合發(fā)生燃燒，而在燃盡段采用低俗配風(fēng)，延長(zhǎng)燃燒時(shí)間，使碳充分燃燒，同時(shí)采用一定的技術(shù)形成爐內(nèi)循環(huán)，使燃盡階段的高溫燃料回到前段充分干燥及析出揮發(fā)分。

（三）工業(yè)鍋爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的節(jié)能技術(shù)

變頻調(diào)速的原理就是將交流電整流成直流電，經(jīng)過平滑濾波，再經(jīng)逆變回路把直流變成頻率可調(diào)的交流電，使電機(jī)獲得無級(jí)調(diào)速所需的電壓、電流頻率。采用變頻調(diào)速，根據(jù)負(fù)荷的變化，由微機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，既能滿足不同負(fù)荷條件下鍋爐水位和燃燒調(diào)節(jié)的需要，又可以將閥門擋板開到最大，管路阻力減到最小，明顯降低電能的消耗。使用這種方法具有效率高、調(diào)速范圍大、無級(jí)調(diào)速、節(jié)能等特點(diǎn)。

為消除供汽鍋爐負(fù)荷的較大波動(dòng)，穩(wěn)定供汽壓力，提高鍋爐的運(yùn)行熱效率，可在供汽系統(tǒng)中設(shè)置蓄熱（蒸汽）裝置，使鍋爐連續(xù)地按滿負(fù)荷或某一穩(wěn)定的負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)外界用汽負(fù)荷低鍋爐供汽有多余時(shí)，將熱能儲(chǔ)蓄于蓄熱裝置；在發(fā)生高峰負(fù)荷鍋爐供汽不足時(shí)，蓄熱裝置釋放出所蓄熱能以補(bǔ)不足。這樣就使鍋爐負(fù)荷不必跟隨用汽負(fù)荷的波動(dòng)而變動(dòng)，在相對(duì)穩(wěn)定的燃燒工況下達(dá)到最佳的運(yùn)行熱效率。

結(jié)合實(shí)際情況，采用合適的冷凝水回收系統(tǒng)（開式或閉式）回收冷凝水作為鍋爐的給水。提高鍋爐給水溫度，可大幅度降低燃料消耗，同時(shí)增加鍋爐蒸發(fā)量，能適應(yīng)鍋爐負(fù)荷變化及減少備用鍋爐使用頻率；冷凝水為蒸餾水，不含污垢等固體成份，若加以回收和利用可節(jié)省大量清鍋費(fèi)用、水費(fèi)、水處理費(fèi)等相應(yīng)費(fèi)用；提高鍋爐給水品質(zhì)，使蒸汽品質(zhì)提高，同時(shí)減少鍋爐排污，節(jié)省能源；鍋爐給水溫度提高，水中含氧量減少，可避免鍋爐及配管銹蝕，減少鍋爐汽包的溫度差，減少鋼板熱脹冷縮產(chǎn)生的熱應(yīng)力，延長(zhǎng)鍋爐使用壽命；冷凝水回收可減少鍋爐軟化水補(bǔ)給量，使?fàn)t內(nèi)及爐外水處理費(fèi)大量降低；給水與爐水溫差小，鍋爐給水時(shí)，蒸汽壓力穩(wěn)定；凝水回收利用，無蒸汽污染現(xiàn)象及疏水閥疏水時(shí)產(chǎn)生的噪音，改善工作環(huán)境。

（四）燃煤工業(yè)鍋爐的脫硫脫硝

對(duì)于燃煤工業(yè)鍋爐的脫硫方式主要有濕法煙氣脫硫技術(shù)和干法煙氣脫硫技術(shù)。濕法脫硫的主要優(yōu)點(diǎn)是氣液反應(yīng)，反應(yīng)速度快，脫硫效率高，一般均高于90%，技術(shù)成熟，適用面廣；缺點(diǎn)是生成物是液體或淤渣，較難處理，設(shè)備腐蝕性嚴(yán)重，洗滌后煙氣需再熱，能耗高，占地面積大，投資和運(yùn)行費(fèi)用高。干法脫硫的主要優(yōu)點(diǎn)是氣同反應(yīng)，相對(duì)于濕法脫硫系統(tǒng)來說，設(shè)備簡(jiǎn)單，占地面積小、投資和運(yùn)行費(fèi)用較低、操作方便、能耗低、生成物便于處置、無污水處理系統(tǒng)等；缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢，脫硫率低，先進(jìn)的可達(dá)60-80%，但目前此種方法脫硫效率較低，吸收劑利用率低，磨損、結(jié)垢現(xiàn)象比較嚴(yán)重，在設(shè)備維護(hù)方面難度較大，設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性不高，且壽命較短，限制了此種方法的應(yīng)用。

對(duì)于燃煤工業(yè)鍋爐的脫硝方式主要有選擇性催化還原（SCR）和選擇性非催化還原（SNCR）。SCR的主要優(yōu)點(diǎn)是脫硝效率高，一般為80%-95%，反應(yīng)溫度低（一般為250℃至420℃）；缺點(diǎn)是投資與運(yùn)行成本高，占地面積大，除了還原劑以外，還需要堿性金屬催化劑，催化劑會(huì)造成較大的系統(tǒng)壓力損失，催化劑還會(huì)對(duì)二氧化硫及三氧化硫的氧化起催化作用，從而造成空預(yù)器的堵塞或腐蝕。SNCR的主要優(yōu)點(diǎn)是投資與運(yùn)行成本較低，占地面積小，不需要額外催化劑，系統(tǒng)壓力損失?。蝗秉c(diǎn)也很明顯，脫硝效率比較低，一般為40%-60%，反應(yīng)溫度較高（一般為850℃至1150℃），通常在爐膛內(nèi)噴射，溫度場(chǎng)容易隨鍋爐運(yùn)行負(fù)荷改變而改變，嚴(yán)重影響脫硝的效率。

（五）燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)

燃?xì)忮仩t降低氮氧化物NOx排放，一般采用低氮燃燒技術(shù)，在燃燒過程中控制NOx的產(chǎn)生，由NOx形成原因可知對(duì)NOx的形成起決定作用的是燃燒區(qū)域的溫度和過量空氣量。低NOx燃燒技術(shù)就是通過控制燃燒區(qū)域的溫度和空氣量，以達(dá)到阻止NOx生成及降低其排放量的目的。常用的技術(shù)有燃燒工況優(yōu)化、空氣分級(jí)燃燒、燃料分級(jí)燃燒、煙氣外循環(huán)、煙氣內(nèi)循環(huán)、表面燃燒技術(shù)。

根據(jù)北京市2015年頒布的鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，2017年4月1日起，新建鍋爐房排放氮氧化物濃度限定值為30mg/m3，已經(jīng)成為世界氮氧化物排放控制最為嚴(yán)格的地區(qū)，這也是作為全國(guó)鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)方向性的指標(biāo)。從目前改造情況來看，燃?xì)忮仩t基本采用煙氣外循環(huán)的方式來進(jìn)行設(shè)計(jì)及改造，也是目前最為可靠并且可行的技術(shù)，難度在于需要很強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力，對(duì)控制及調(diào)試要求非常高。表面燃燒技術(shù)作為一種在國(guó)內(nèi)比較新穎的低氮燃燒技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)技術(shù)尚未成熟，由于采用全預(yù)混方式，非常容易引起燃?xì)獾谋ǖ劝踩鹿省?/p>

五、結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)鍋爐的設(shè)計(jì)已經(jīng)不是簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)高效換熱設(shè)備，需要更加深入到工業(yè)鍋爐系統(tǒng)并且兼顧各種環(huán)保要求，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品及系統(tǒng)不僅要解決企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，更要解決企業(yè)的社會(huì)效益。我國(guó)應(yīng)該加強(qiáng)環(huán)保意識(shí)，建立環(huán)保型工業(yè)措施，建立環(huán)境友好型社會(huì)。我國(guó)工業(yè)重點(diǎn)不僅需要提高燃燒效率，還要做好污染治理，不僅需要促進(jìn)發(fā)展，還要避免傷害到環(huán)境。

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