關(guān)于船舶輔鍋爐節(jié)能減排的設(shè)計(jì)方案

錢(qián)振超

摘要： 船舶輔鍋爐是船舶運(yùn)行必不可少的能耗設(shè)備，本文在對(duì)輔鍋爐運(yùn)行過(guò)程能耗分布特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，基于余熱利用原理，分別以輔鍋爐排煙和富余蒸汽作為余熱資源，提出兩種切實(shí)可行的輔鍋爐減排方案，可為船舶節(jié)能、船公司運(yùn)營(yíng)管理提供參考。

Abstract： Marine auxiliary boiler is an essential energy consumption equipment for ship operation. Based on the analysis of energy consumption distribution characteristics in the operation process of auxiliary boiler， two feasible emission reduction schemes for auxiliary boiler with exhaust gas and surplus steam as waste heat resources were proposed according to the principle of waste heat utilization in the paper， which can provide reference for ship energy saving and operation management of ship company.

關(guān)鍵詞： 船舶;輔鍋爐;余熱利用;節(jié)能減排

Key words： ship;auxiliary boiler;waste heat utilization;energy saving and emission reduction

中圖分類(lèi)號(hào)：F407.474? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0092-02

0? 引言

2020年9月，國(guó)家主席習(xí)近平提出我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，使得節(jié)能減排已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必須要考慮的因素。船舶航行作為碳排放的水上交通活動(dòng)，目前，大多學(xué)者對(duì)船舶柴油機(jī)的節(jié)能減排進(jìn)行了研究，而船舶輔鍋爐，通過(guò)燃燒把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，使給水變成蒸汽或熱水的船上設(shè)備，用于預(yù)熱燃油和滑油、為船員提供取暖、熱水等，也是船上必不可少的耗能設(shè)

備[1]，相關(guān)學(xué)者對(duì)船舶輔鍋爐的節(jié)能減排研究相對(duì)較。實(shí)際上，由于船舶輔鍋爐主要以燃油作為燃料，其平均運(yùn)行熱效率比較低，造成大量能量沒(méi)有被合理地利用，節(jié)能的潛力仍然較大，因此，本文結(jié)合船上實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，探討船舶輔鍋爐節(jié)能減排方案，可為船舶節(jié)省燃油，對(duì)船公司運(yùn)營(yíng)和環(huán)境保護(hù)均具有較大的參考價(jià)值。

1? 輔鍋爐運(yùn)行過(guò)程的能耗分布

從輔鍋爐運(yùn)行過(guò)程的能量守恒來(lái)看，鍋爐的實(shí)際運(yùn)行效率可以表示為向鍋爐供應(yīng)的熱量減去各種熱量損失的差值與向鍋爐供應(yīng)熱量的比值，即[2]：

式（1）中，B為每小時(shí)燃料消耗量，單位kg/h;QD為燃料的低熱值，單位kJ/kg;Q1為排煙損失，單位kJ/kg;Q2為化學(xué)不完全燃燒損失，單位kJ/kg;Q3為機(jī)械不完全燃燒熱損失，單位kJ/kg;Q4為散熱損失，單位kJ/kg。q1、q2、q3和q4分別代表輔鍋爐運(yùn)行過(guò)程中的相對(duì)排煙損失、相對(duì)化學(xué)不完全燃燒損失、相對(duì)機(jī)械不完全燃燒熱損失和相對(duì)散熱損失。

對(duì)于排煙損失，是指輔鍋爐燃燒燃油所產(chǎn)生的排煙而帶走的熱量損失，在輔鍋爐熱量損失中占比較大，約為10%～20%，其大小取決于排煙的數(shù)量和溫度，一般可通過(guò)降低船舶輔鍋爐排煙溫度，或降低排煙處過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)減少鍋爐的排煙損失[3]。對(duì)于化學(xué)不完全燃燒損失，是指輔鍋爐的排煙中存在未能充分燃燒放熱的氣體，而引起的熱量損失。一般情況下，該損失約為0.3%～0.5%。對(duì)于機(jī)械不完全燃燒損失，主要是指燃油未完全燃燒時(shí)形成的炭黑及油滴燃燒后殘留的焦粒等構(gòu)成的熱損失，在燃燒不良時(shí)可達(dá)0.5%～1%。上述兩種損失均稱(chēng)為不完全燃燒損失，可通過(guò)增大過(guò)量空氣系數(shù)，保證足夠的氧氣參與燃燒，以減少不完全燃燒損失。對(duì)于散熱損失，主要是指船舶輔鍋爐溫度高于周?chē)h(huán)境而出現(xiàn)的熱量損失，一般可通過(guò)優(yōu)化鍋爐爐墻材料或減少散熱面積來(lái)降低散熱損失。

2? 關(guān)于船舶輔鍋爐的兩種節(jié)能減排的設(shè)計(jì)方案

余熱開(kāi)發(fā)與回收利用是目前節(jié)能減排的重要的途徑和有效方式，對(duì)于船舶輔鍋爐而言，排煙余熱和富余蒸汽可以作為余熱資源，為此，針對(duì)船舶輔鍋爐的節(jié)能減排，提出基于排煙余熱回收的熱管換熱器方案和基于輔鍋爐富余蒸汽的吸附式制冷空調(diào)方案。

2.1 基于排煙余熱回收的熱管換熱器設(shè)計(jì)方案

熱管換熱器由于其高效的傳熱效果，已經(jīng)成功應(yīng)用在航空內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然單根熱管的傳熱量十分有限，但將多根熱管集中形成熱管組，并置于冷源、熱源之間，將具有非常可觀的傳熱效果。為此，針對(duì)排煙余熱回收問(wèn)題，設(shè)計(jì)了熱管換熱器方案，如圖1所示。所設(shè)計(jì)的熱管換熱器方案包括熱管組、煙氣通道、進(jìn)排水腔（汽包）以及管板組成。船舶輔鍋爐排煙尾氣用于加熱底部的熱管，熱管經(jīng)加熱后，迅速將熱量傳導(dǎo)至上部的進(jìn)排水腔（汽包），進(jìn)而產(chǎn)生熱水，可供船舶船員生活所用。

2.2 基于輔鍋爐富余蒸汽的吸附式空調(diào)設(shè)計(jì)方案

除鍋爐排煙之外，富余蒸汽也是輔鍋爐的重要的余熱資源，可以作為吸附式制冷的低品位熱源。吸附式制冷系統(tǒng)主要由吸附床、冷凝器和蒸發(fā)器三大部件組成，其工作循環(huán)如圖2所示。

吸附式制冷的基本工作循環(huán)包括兩個(gè)過(guò)程，分別是加熱解吸過(guò)程（虛線(xiàn)）和吸附制冷過(guò)程（實(shí)線(xiàn)）。對(duì)于加熱解吸過(guò)程，在加熱作用下，吸附床受到加熱作用下，吸附質(zhì)，即制冷劑，產(chǎn)生解吸作用，從在吸附劑中脫附出來(lái)，當(dāng)解吸出來(lái)的制冷劑蒸汽壓力升高至環(huán)境溫度的飽和壓力，也就是冷凝壓力時(shí)，蒸汽狀態(tài)的制冷劑會(huì)在冷凝器中冷凝液化，隨后進(jìn)入蒸發(fā)器中。對(duì)于吸附制冷過(guò)程，吸附床受到冷卻作用下，當(dāng)達(dá)到吸附溫度時(shí)，此時(shí)吸附床中的吸附劑又會(huì)重新吸附制冷劑的蒸汽，使得循環(huán)系統(tǒng)中的蒸汽壓力降低，進(jìn)而促使處于蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷劑蒸發(fā)，因此，對(duì)于吸附式制冷，加熱解吸過(guò)程和吸附制冷過(guò)程構(gòu)成了一個(gè)完整的制冷工作循環(huán)，由于吸附式制冷方式是一種間歇式的制冷過(guò)程，而若要達(dá)到連續(xù)制冷的目的，則應(yīng)采用兩臺(tái)以上吸附床，讓其交錯(cuò)運(yùn)行[4]。基于此原理，結(jié)合船舶輔鍋爐的富余蒸汽，設(shè)計(jì)了一種船舶空調(diào)方案，如圖3所示。

所設(shè)計(jì)的吸附式空調(diào)方案主要包括輔鍋爐、氣動(dòng)換向閥、吸附發(fā)生器、壓力繼電器、單向閥、冷凝器、儲(chǔ)液器、蒸發(fā)器以及需要接入的船舶中央空調(diào)。具體工作過(guò)程如下：

①首先，在壓力繼電器控制下，打開(kāi)電磁閥，進(jìn)而決定氣動(dòng)換向閥的工作位置，然后由船舶輔鍋爐產(chǎn)生的富余飽和蒸汽經(jīng)氣動(dòng)換向閥（以左位為例），對(duì)吸附發(fā)生器2進(jìn)行加熱，在加熱作用下，吸附發(fā)生器內(nèi)的壓力升高，當(dāng)達(dá)到制冷劑冷凝溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的下部單向閥關(guān)閉，經(jīng)上部單向閥流入冷凝器，繼而流入儲(chǔ)液器進(jìn)行儲(chǔ)存。通過(guò)調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)開(kāi)度，可對(duì)進(jìn)入蒸發(fā)器中的制冷劑流量進(jìn)行控制。

②同時(shí)，由低溫淡水泵提供的冷卻水經(jīng)氣動(dòng)換向閥，對(duì)吸附發(fā)生器1進(jìn)行冷卻，使得吸附發(fā)生器1內(nèi)部的制冷劑壓力不斷下降，當(dāng)下降到蒸發(fā)溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，制冷劑隨后進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，實(shí)現(xiàn)制冷，相應(yīng)的蒸發(fā)氣體又進(jìn)入吸附發(fā)生器產(chǎn)生吸附作用，進(jìn)而完成一次完成的制冷循環(huán)。

從上述工作過(guò)程可以看出，在整個(gè)制冷器過(guò)程中，需要兩個(gè)吸附發(fā)生器交替工作，其相當(dāng)于制冷壓縮機(jī)在蒸汽壓縮式制冷中的作用。對(duì)于吸附發(fā)生起的交替工作，可通過(guò)設(shè)計(jì)方案中的壓力繼電器控制氣動(dòng)換向閥予以實(shí)現(xiàn)。

3? 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)輔鍋爐運(yùn)行的余熱資源，提出了基于排煙余熱回收的熱管換熱器方案、基于輔鍋爐富余蒸汽的吸附式空調(diào)方案，可為船舶節(jié)能、船公司運(yùn)營(yíng)管理提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳海泉.船舶輔機(jī)[M].大連海事大學(xué)出版社，2010.

[2]于洪濤.燃油鍋爐系統(tǒng)節(jié)能方案設(shè)計(jì)與實(shí)施[D].大連理工大學(xué)，2013.

[3]蘇振東.燃油鍋爐系統(tǒng)節(jié)能降耗[J].大眾科技，2013.

[4]劉林.鍋爐的能效評(píng)價(jià)與影響因素分析[D].山東大學(xué)，2012.