小型工業鍋爐煙氣余熱利用新技術

楊群峰，曹 穎，董 哲，譚兆強

(山東省特種設備檢驗研究院 濟寧分院，山東 濟寧272025)

0 引言

當前，我國正在改變以往簡單地從能源供給側考慮滿足能源需求的狀況，將節能作為滿足能源需求的一個組成部分［1］。因此，對現有高耗能設備的節能改造具有重要意義。

小型工業鍋爐由于設計效率低、用戶的運行管理水平差和節能意識不強等原因，實際運行效率與大型工業鍋爐有顯著差別［2］。目前，小型工業鍋爐在許多行業得到了廣泛應用，數量眾多。以濟寧地區為例，在用鍋爐近1千臺［3］，其中小于等于4蒸噸的工業鍋爐為705臺，大于4蒸噸為257臺，而以煤為燃料的工業鍋爐約占在用鍋爐總數的96%。

我們在檢驗工作中發現，很多排煙溫度設計值為160℃的鍋爐，實際排煙溫度都接近200℃，小型工業鍋爐排煙溫度會更高。小型工業鍋爐在使用中，通常是間斷給水，運行工況差異較大，這就對鍋爐的節能改造提出了更高的要求。目前，多數工業鍋爐用煤的含硫量都小于1%(濟寧地區鍋爐用煤的含硫量一般為0.6%)，只要其排煙溫度不低于130℃，尾部受熱面就不會發生低溫腐蝕［4］，因此煙氣余熱利用的空間很大。目前，余熱利用設備多種多樣［5］，但很難找到適用于小型工業鍋爐運行狀況、投資少、見效明顯、簡單易用的改造方案。針對這種狀況，我們研制了應用于小型工業鍋爐的余熱利用新技術。

1 有省煤器鍋爐的余熱利用技術

1.1 改造工藝及數據

該技術是對已有專利［6］的應用。圖1為其系統圖，圖2為應用實例。改造后的煙氣流程為:

圖1 燃煤工業鍋爐節能裝置系統圖(有省煤器)

圖2 節能裝置應用實例

爐膛→對流受熱面→省煤器→無壓換熱器→除塵器→引風機→煙囪

供水流程為:

水處理→水箱→無壓換熱器→水泵→省煤器→鍋筒

根據工業鍋爐經常間斷式給水的特點，設計上使水泵與啟閉閥聯動。當水泵啟動時，啟閉閥自動關閉，切斷換熱器與水箱之間熱水管的通路，使水箱中的水經過無壓換熱器被吸入水泵，經水泵進入省煤器;當水泵停用時，啟閉閥打開，水箱通過冷水管、熱水管與無壓換熱器形成閉路系統，利用水箱中水的蓄熱能力，通過自然循環冷卻換熱器，降低排煙溫度。

我們選取了一臺型號為KHSS0.5－0.7－AⅡ的臥式鍋爐進行改造。該鍋爐采用引風機進行強制通風，使用壓力為0.5 MPa，設計效率為70%。無壓換熱器采用立式直水管，錯列布置。安裝上為保證自然循環能有效建立，使水箱底部高于換熱器頂部［7］。經計算［8］，換熱面積為3.9 m2，阻力為23 Pa，換熱器出口水溫為50.8℃，排煙溫度為173℃。改造前后穩定工況下測量的數據如表1。

可以看出，鍋爐排煙溫度下降了34℃。省煤器出口水溫提高了28℃。

在低負荷間斷給水的工況下，無壓換熱器出口的水溫一直在45℃到60℃之間，水箱溫升明顯。

1.2 數據分析及結論

(1)實現了預期的節能效果。由于實際煙氣焓值和計算用煙氣焓值有一定偏差;設計時，未考慮省煤器進水溫度升高后，平均溫壓降低，省煤器換熱量下降的情況，造成省煤器出口煙氣溫度上升了7℃，實際排煙溫度比計算值高了16℃。根據現有數據情況，可以將改造前測試的排煙溫度增加一個經驗數值予以修正，來減少設計計算與實際情況的差異。

(2)無壓換熱器的煙風阻力對鍋爐運行的影響可以忽略。

(3)無壓換熱器的應用提高了省煤器的出口水溫，只要選擇合理，仍然有足夠的安全余量，能避免省煤器出口處出現沸騰現象。本例中省煤器出口水溫比0.5 MPa下的飽和水溫低67℃。

(4)工業鍋爐常用給水泵耐熱溫度上限為80℃［9］(本例中給水泵入口最高水溫為60℃)，有足夠的裕量。使用情況也表明，改造后對原有水泵運行無不利影響。

(5)在低負荷間斷給水的工況下，鍋爐多利用的熱值包括給水期間正常換熱獲得的熱量，還包括在停泵期間，換熱器和水箱中的水因自然循環通過換熱器多吸收的熱量，因此鍋爐效率的提高值比穩定工況要高。該工況下，水箱有蓄熱功能，因此應有足夠的容水量，以減緩水箱中水的溫升速度，使下次給水泵運行時，進入水泵的水溫不會太高。

2 立式鍋爐的余熱利用技術

2.1 改造工藝及數據

立式鍋爐一般是自然通風，不設置省煤器。當增加無壓換熱器后，換熱器位置較高，而水箱一般安裝位置通常都低于換熱器，為解決該問題，我們對上述專利進行了改進。目前，改進后用于立式鍋爐的余熱節能技術已獲得專利授權［10］。圖3為其系統圖，圖4為橫水管結構的無壓換熱器。改造后的煙氣流程為:

圖3 立式鍋爐節能裝置系統圖(無省煤器)

圖4 立式鍋爐用換熱器

爐膛→爐排管→橫水管→沖天管→無壓換熱器→煙囪

供水流程為:

水處理→無壓換熱器→水箱→水泵→鍋爐本體

由于鍋爐在使用時，經常間斷式給水，水處理設備也經常間斷運行，為避免換熱器干燒，在換熱器上部受熱面設計有溫度測點，同時增加了旁路系統。在水處理設備停止上水后，可以通過旁路系統利用水箱中的水冷卻換熱器，避免其過熱。同時能有效地降低排煙溫度，利用煙氣余熱。

我們選取了一臺型號為LSC0.5－0.4－AII的立式鍋爐進行改造，該鍋爐為自然通風，使用壓力為0.3 MPa，設計效率≥65%。無壓換熱器采用橫水管，錯列布置。經計算［8］，換熱面積為3.5 m2，煙氣阻力為28 Pa(如采用熱管設計阻力會更小)，換熱器出口水溫為52.4℃，排煙溫度為230℃。改造后穩定工況下測量的數據如表2。

表2 改造后數據(軟水給水溫度為20℃，水處理連續上水)

可以看出，鍋爐排煙溫度下降了46℃，換熱器出口水溫提高了34℃。

在水處理設備停止上水后，旁通管打開，鍋爐仍在運行的20 min時間里，無壓換熱器的出水溫度由54℃升至70℃，水箱溫度由42℃上升至51℃。

2.2 數據分析及結論

(1)實際情況和計算結果基本接近，排煙溫度與設計值相差8%。

(2)未發現串煙現象，新增設備的煙風阻力對鍋爐運行的影響可以忽略。實際使用中可以增加一節煙囪，以提高自生通風力，也有利于爐內煤炭的燃燒。

(3)給水泵入口最高水溫為51℃，與水泵耐熱溫度上限80℃比，有足夠的裕量。

(4)立式鍋爐改造前排煙溫度較高，在排煙溫度的設計選取上，應低一些，使改造后的排煙溫度不高于230℃［11］。

(5)水處理設備停用期間，水箱有蓄熱功能，因此要足夠的容水量，才能有效的延緩換熱器溫升至下一次水處理設備開啟。

3 投資與回收周期

以上述KHSS0.5－0.7型鍋爐為例，其節煤率為4.3%，改造前其每小時煤耗為83 kg。以一天運行10 h，全年運行300天計算，年節煤量為:10×300×83×4.3%=10 707 kg=10.7 t。按目前市場價格節約資金約1萬元。該裝置制造和安裝總費用為5 097元。回收周期約為半年。

對于長期24 h生產的鍋爐，節能效果更為明顯。在一臺4蒸噸鍋爐上，將排煙溫度降低40℃(目前在用鍋爐中運行時間較長的4蒸噸鍋爐，排煙溫度都在200℃左右，新出廠的鍋爐也在170℃)，節煤率將在3%以上，換熱器制造費用在2萬元左右，安裝費用約為1萬元左右。如果按全年運行300天計算，年節煤量為632.5×24×300×3%=136 620 kg=136.6 t，市場價值約為13萬元。回收周期不到3個月。

4 小型工業鍋爐余熱利用新技術的特點

(1)采用了無壓設計，設備制造成本有效降低，也有利于現場改造的實施。換熱后的介質進入原系統給水泵的入口，避免了新設備承壓爆炸的危險，保證了安全性。

(2)對于有省煤器的鍋爐，省煤器出口水溫會升高，但不會使省煤器出口出現汽化現象，對鍋爐的安全運行沒有影響。

(3)有效地利用水箱中的水的蓄熱能力，在鍋爐停止給水后，繼續吸收煙氣余熱，降低排煙溫度，達到了冷卻換熱器、提高水溫、吸收余熱、節約能源的目的。

(4)試驗證明，采用該技術改造后，對整個鍋爐煙風阻力基本沒有影響。

5 結束語

小型工業鍋爐煙氣余熱利用新技術基本覆蓋了燃煤小型工業鍋爐的主要類型，在未改變原有設備基本結構的基礎上，通過簡單改造，獲得了滿意的節能效果。目前，該技術已經成功地應用于十多家單位，由于給水溫升明顯，設備投資少，回收周期短，操作人員也無需培訓，取得了用戶的一致認可，推廣應用前景較好。

［1］林伯強.中國能源戰略調整和能源政策優化研究［J］.電網與清潔能源，2012(1):1－3.

［2］張科，余德祖.我國工業鍋爐行業現狀及發展［J］.中國鍋爐壓力容器安全，2004(2):17－21.

［3］山東金質特種設備管理系統［CP］.濟南:山東金質信息技術有限公司，2009.3.

［4］王鳳榮.關于鍋爐煙氣露點溫度計算的探討［J］.鍋爐技術，1997，(6):19－20.

［5］連紅奎，李艷，束光陽子，等.我國工業余熱回收利用技術綜述［J］.節能技術，2011，(3):123－128，133.

［6］楊群峰，曹穎，譚兆強.燃煤工業鍋爐節能裝置:中國，ZL200920226226.8［P］.2010－5－19.

［7］JB/T 8659－1997熱水鍋爐水動力計算方法［S］.

［8］馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及計算［M］.2版.北京:科學出版社，1992，7.

［9］GB 5659－85多級離心水泵技術條件［S］.

［10］楊群峰，董哲，陳瑞廣.立式鍋爐余熱節能利用裝置:中國，201120477049.8［P］.2011－11－25.

［11］TSG G0002－2010鍋爐節能技術監督管理規程［S］.