熱媒爐及余熱回收系統(tǒng)能耗分析

孫燕鋒，侯云輝

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176）

隨著社會(huì)快速發(fā)展，節(jié)能和減排[1]在熱媒爐領(lǐng)域變得越來越重要，熱媒爐是一種典型的有機(jī)熱載體鍋爐；熱媒爐主要應(yīng)用于化工、化纖、焦油和印染等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，它的特性是“低壓高溫”——爐膛處于微正壓狀態(tài)，排煙溫度較高；能量回收潛力巨大，節(jié)能是有機(jī)熱載體爐的重要目標(biāo)，對熱媒爐能效測試方法進(jìn)行分析研究很有必要。隨著全球氣候變暖，國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，太陽能、風(fēng)能、煤改電、天然氣的消費(fèi)量也在逐年上升。在熱媒爐行業(yè)中，由于以煤炭為燃料的熱媒爐污染嚴(yán)重并且耗能高，因此將逐步被以天然氣為燃料的熱媒爐所取代，但是燃?xì)鉄崦綘t在使用中同樣存在氮氧化物（NOx）排放高的問題。

節(jié)能是首要考慮的因素，更加節(jié)能的設(shè)計(jì)方案能大大降低熱媒爐的運(yùn)行成本。對于燃?xì)鉄崦綘t來說，一般通過降低排煙熱損失和散熱損失來提高熱效率，進(jìn)而降低運(yùn)行成本。具體措施有：降低排煙溫度、降低過量空氣系數(shù)、優(yōu)化設(shè)備保溫等。

我國已進(jìn)入工業(yè)化迅速發(fā)展階段，嚴(yán)峻的環(huán)境現(xiàn)狀促使我國節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。國家對有機(jī)熱載體爐的排放標(biāo)準(zhǔn)要求越來越嚴(yán)格，對于燃?xì)庥袡C(jī)熱載體鍋爐來說，NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，很多地方標(biāo)準(zhǔn)的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到30 mg/m3。對于燃?xì)庥袡C(jī)熱載體爐來說，除了設(shè)計(jì)專用的低氮氧燃燒器之外，一般還會(huì)采用煙氣外循環(huán)技術(shù)來輔助降低氮氧化物排放。采用煙氣外循環(huán)技術(shù)時(shí)，煙氣外循環(huán)比例越高，降低氮氧化物的效果越好，但是當(dāng)煙氣外循環(huán)比例高于30%之后效果不會(huì)更好，反而會(huì)增加運(yùn)行成本，所以一般煙氣外循環(huán)比例低于30%。

1 有機(jī)熱載體鍋爐能效計(jì)算

本文主要研究過量空氣系數(shù)和煙氣外循環(huán)比例對系統(tǒng)能效的影響規(guī)律。

根據(jù)TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測試與評價(jià)規(guī)則》和GB/T 10180-2017《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》，可用反平衡法計(jì)算熱媒爐系統(tǒng)熱效率[2-3]。對于熱媒爐系統(tǒng)，燃料為天然氣時(shí)，其熱效率計(jì)算公式如下：

式中：η—熱媒爐系統(tǒng)熱效率，%

q2—排煙熱損失，%

q3—?dú)怏w不完全燃燒熱損失，%

q5—散熱損失，%

排煙熱損失計(jì)算公式如下：

式中：αpy—排煙處過量空氣系數(shù)

tpy—排煙溫度，℃

tlk—冷空氣溫度，℃

燃料為天然氣時(shí)，氣體不完全燃燒熱損失可取q3=0.2%。

散熱損失計(jì)算公式如下：

式中：F—散熱總面積，包括系統(tǒng)內(nèi)的爐本體、余熱回收裝置、煙道等部件，m2

B—燃料消耗量，m3/h

Qin—燃料低位熱值，kJ/m3

2 熱媒爐及余熱回收系統(tǒng)介紹

本文研究的熱媒爐及余熱回收系統(tǒng)包括熱媒爐、空氣預(yù)熱器及煙囪，如圖1所示。

圖1 熱媒爐及余熱回收系統(tǒng)示意圖

熱媒爐及余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

根據(jù)表1中的設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)的熱媒爐及余熱回收系統(tǒng)的參數(shù)見表2。

表1 熱媒爐及余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

表2 熱媒爐及余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 系統(tǒng)能效的影響因素

系統(tǒng)能效的影響因素有很多，如空氣過剩系數(shù)、熱負(fù)荷、燃料成分、爐膛形狀等。其中空氣過剩系數(shù)和熱負(fù)荷對系統(tǒng)能效影響最大。通常在熱媒爐實(shí)際運(yùn)行的過程中根據(jù)實(shí)際熱媒爐下游用熱量的需要對熱負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，爐膛內(nèi)熱媒的流動(dòng)狀況、溫度的分布、NOx的產(chǎn)生都會(huì)對熱負(fù)荷有影響；為保證燃料氣充分燃燒，往往通過增加鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量來提供比理論空氣量多的空氣進(jìn)入爐膛，因此研究空氣過剩系數(shù)對爐內(nèi)的流場分布、爐膛的溫度分布有實(shí)際意義。還需要通過引入煙氣回流調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)使煙氣再循環(huán)，從而減少NOx產(chǎn)生。本文主要探討過量空氣系數(shù)、煙氣外循環(huán)比例等對系統(tǒng)能效的影響規(guī)律。

3.1 空氣過剩系數(shù)對系統(tǒng)能效的影響

空氣過剩系數(shù)是熱媒爐運(yùn)行能效的一個(gè)重要的參數(shù)，也是燃燒器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)?？諝膺^剩系數(shù)的大小對爐膛內(nèi)參與燃燒的各組分的濃度、NOx的產(chǎn)生和爐膛內(nèi)的最高溫度都會(huì)產(chǎn)生直接影響?；诮?jīng)驗(yàn)判斷和熱媒爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性來考慮，選取空氣過剩系數(shù)為1.15~1.25來進(jìn)行研究，因?yàn)檫^低的空氣過剩系數(shù)會(huì)造成燃?xì)馊紵怀浞?，而過高的空氣過剩系數(shù)則需增加風(fēng)量，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率的增加，同時(shí)多余的氧氣也會(huì)增加排煙損失，降低熱媒爐的熱效率。

熱媒爐的負(fù)荷是通過燃?xì)饬縼頉Q定的，通入的燃?xì)饬可?，熱媒爐的負(fù)荷就低一些，反之熱媒爐的負(fù)荷就會(huì)高一些。所以在模擬這些工況的時(shí)候，需要保持燃?xì)膺M(jìn)入爐膛的量不變，從而保證熱媒爐負(fù)荷基本不變，只改變進(jìn)入爐膛空氣量的多少，用燃?xì)饨M分可以計(jì)算出理論的空氣量，用理論的空氣量乘以空氣過剩系數(shù)就可以得到實(shí)際需要提供的空氣量。

以上述的熱媒爐及余熱回收系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在熱媒爐、空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)不變的情況下，計(jì)算空氣過剩系數(shù)分別為1.15、1.2、1.25時(shí)的運(yùn)行參數(shù)，見表3。

表3 不同空氣過剩系數(shù)下計(jì)算運(yùn)行參數(shù)

熱損失和熱效率隨空氣過剩系數(shù)的變化趨勢如圖2和圖3所示。隨著空氣過剩系數(shù)增大，排煙熱損失增大，散熱損失減小，總體熱損失增大，系統(tǒng)熱效率降低。因此，從節(jié)能角度考慮，應(yīng)該盡量降低系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的空氣過剩系數(shù)。

圖2 熱損失隨空氣過剩系數(shù)變化趨勢圖

圖3 熱效率隨空氣過剩系數(shù)變化趨勢圖

3.2 煙氣外循環(huán)比例對系統(tǒng)能效的影響

引入煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)使排煙煙氣再循環(huán)能降低NOx生產(chǎn)的原理在于：在可燃物充分燃燒的情況下，煙氣的主要成分有CO2、水蒸氣、燃燒后空氣中剩余大量的N2以及少量的O2和NOx。這些煙氣的組分大多數(shù)都不支持燃燒，只有少量的氧氣除外，將煙氣中不支持燃燒的成分通過循環(huán)風(fēng)機(jī)引入到爐膛中進(jìn)行再燃燒，這樣必然會(huì)稀釋助燃空氣中氧的濃度，從而使燃燒強(qiáng)度降低，進(jìn)而達(dá)到降低NOx生產(chǎn)的目的。

以上述的熱媒爐及余熱回收系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在熱媒爐、空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)不變的情況下，不同煙氣外循環(huán)比例下的計(jì)算運(yùn)行參數(shù)如表4所示。

熱損失和熱效率隨煙氣外循環(huán)比例變化的曲線如圖4和圖5所示，隨著過量空氣系數(shù)增大，排煙熱損失增大，散熱損失減小，總體熱損失增大，系統(tǒng)熱效率降低。因此，從節(jié)能角度考慮，應(yīng)該盡量降低煙氣外循環(huán)比例。但是，從減排角度考慮，應(yīng)該增加煙氣外循環(huán)比例。此時(shí)，應(yīng)該從節(jié)能和減排兩方面綜合考慮，選擇適中的煙氣外循環(huán)比例。

表4 不同煙氣外循環(huán)比例下計(jì)算運(yùn)行參數(shù)

4 結(jié)論

圖5 熱效率隨煙氣外循環(huán)比例變化趨勢圖

（1）保持燃?xì)饬坎蛔?、熱?fù)荷基本不變的情況下，分析了不同空氣過剩系數(shù)對燃燒效率的影響，隨著過量空氣系數(shù)增大，排煙熱損失增大，散熱損失減小，總體熱損失增大，系統(tǒng)熱效率降低。從節(jié)能角度考慮，應(yīng)該盡量降低系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的過量空氣系數(shù)。

（2）保持空氣過剩系數(shù)為1.15和熱媒爐負(fù)荷為滿負(fù)荷不變，引入0到20%的煙氣外循環(huán)，隨著煙氣外循環(huán)比例增大，排煙熱損失增大，散熱損失減小，總體熱損失增大，系統(tǒng)熱效率降低。應(yīng)從節(jié)能和減排兩方面綜合考慮，選擇適中的煙氣外循環(huán)比例。

（3）綜合考慮節(jié)能、減排、成本等因素，合理設(shè)計(jì)熱媒爐及余熱回收系統(tǒng)并選擇合理的運(yùn)行參數(shù)。