燃氣鍋爐的節(jié)能降耗改造方案分析

周 勇

(重慶凱林制藥有限公司)

國家“十一·五”規(guī)劃對企業(yè)節(jié)能降耗有了明確要求，環(huán)境保護的要求越來越高，同時隨著天然氣等不可再生能源價格的上漲，企業(yè)能源運行成本呈上升趨勢。重慶凱林制藥有限公司根據(jù)鍋爐的使用情況，和有資質(zhì)的鍋爐生產(chǎn)廠商合作，成功地設計安裝了一套半冷凝式煙氣余熱回收系統(tǒng)，經(jīng)過近三年的使用，節(jié)能效果明顯，有效降低了運行成本。

1 可行性分析

天然氣鍋爐運行產(chǎn)生的高溫煙氣直接排放帶走大量顯熱(180～250℃)，同時煙氣中的水蒸汽仍處于過熱狀態(tài)不能冷凝放出潛熱，形成較大的排煙損失。鍋爐熱效率一般在80%左右，約20%的熱能從爐體表面散發(fā)和煙氣排空浪費。在鍋爐排煙管線上安裝熱交換器可將煙氣熱量大部分回收，回收的熱量用于加熱鍋爐的補水，提高了鍋爐的補水溫度，節(jié)省了天然氣燃料費用，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，同時可減少廢氣排放，節(jié)能環(huán)保一舉兩得。這在熱工理論和技術上都具有可行性。

2 整改方案選擇和自控系統(tǒng)

2.1 設計原理

通過設計冷凝式熱交換器利用溫度較低(常溫)的鍋爐補水冷卻煙氣。鍋爐煙氣通過換熱器殼程第一換熱面區(qū)域溫度降低后，接著進入殼程的第二換熱面區(qū)域(冷凝區(qū))，降溫煙氣中水蒸氣冷凝成水發(fā)生相變釋放出潛熱，實現(xiàn)煙氣顯熱釋放和水蒸氣凝結潛熱釋放，而換熱器管程內(nèi)的鍋爐補水吸熱而被加熱，實現(xiàn)熱能回收，提高鍋爐熱效率。再通過電氣自動控制整個過程。

2.2 整改方案

在原鍋水補充管路中直接串聯(lián)半冷凝式換熱器的管程，換熱器殼程直接串聯(lián)進排煙管道中(方案一)，如圖1所示。需要增加一臺半冷凝不銹鋼換熱器。該方案只有在鍋爐補水時回收熱量，回收時間只有運行時間的30%，利用率低；增加設備故障或維保時會影響原鍋爐的運行和使用。

圖1 改造方案一

在原鍋水補充管路并聯(lián)一套鍋水加熱系統(tǒng)，加裝閥門轉換；原排煙管道不變，并聯(lián)一根同樣大小的排煙管安裝在半冷凝式換熱器殼程上，加裝閥門轉換，新增加熱系統(tǒng)可對鍋水進行循環(huán)加熱(方案二)，如圖2所示。需要增加并聯(lián)煙道、煙道轉換閥2個，半冷凝不銹鋼換熱器1臺，不銹鋼補水管道泵1臺，不銹鋼循環(huán)管道泵1臺，不銹鋼保溫水箱1臺，不銹鋼閥門7個，電氣變頻自動控制系統(tǒng)1套。該方案回收時間可以覆蓋全部鍋爐運行時間；增加設備故障或維保時通過閥門切換，不影響原鍋爐的運行使用。

圖2 改造方案二

通過兩種方案的比較，第二種方案雖然投資稍高，但投資回收期相近，綜合性價比好，因此選擇方案二進行安裝改造。

2.3 自動運行控制

半冷凝式余熱回收裝置需安裝單獨的電氣控制系統(tǒng)，但也必須和鍋爐本體控制聯(lián)動，部分控制信號要由鍋爐本體給出。運行控制過程為：如鍋爐燃燒機啟動時，回收系統(tǒng)的循環(huán)泵立即啟動，把保溫水箱的冷水進行循環(huán)換熱加溫并回流到保溫水箱中，不斷地循環(huán)工作；當鍋爐本體以小火燃燒時，回收系統(tǒng)的補水泵會自動切換到頻率f=30Hz運行，當鍋爐本體以大火燃燒時，回收系統(tǒng)的補水泵會自動切換到頻率f=50Hz運行，增大保溫水箱的冷水補給。當鍋爐需要補水時，原鍋爐補水泵啟動，把保溫水箱中經(jīng)過加熱的水泵入鍋爐中，從而達到節(jié)能的目的。

加熱循環(huán)系統(tǒng)保溫水箱內(nèi)的水位由水位電極自動控制，當水位到極低位置時，會自動通過補水泵從原軟水池中補水，當補到高水水位時會自動停止。

整個回收裝置故障維修時，可通過斷開煙道并聯(lián)閥門，斷開保溫水箱進水閥，關閉回收電氣自動控制箱而停止運行，恢復到原鍋爐運行系統(tǒng)而不會導致停蒸汽影響生產(chǎn)。

3 設計計算

根據(jù)《換熱器設計手冊》的相關計算公式[1]：

Q=KAΔt

式中Q——熱負荷，W；

K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

A——換熱器傳熱面積，A=9.14 m2；

Δt——進行換熱兩流體的平均溫差，℃。

該型鍋爐尾氣排放余熱負荷Q=MCpΔt=175×1.41×90=22207.5 kJ/ h 。

根據(jù)計算結果，為充分回收煙氣中的顯熱和水蒸氣的凝結潛熱，筆者選擇BLN-4型不銹鋼換熱器較為合適，補水進口端為冷凝端，出口為冷卻端，其技術參數(shù)為：

工作壓力 2.5MPa

進水溫度 20℃

出水溫度 80℃

換熱面積 10.8m2

余熱回收率 45%

由國家鍋爐壓力容器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行了新產(chǎn)品能效檢測，結果列于表1。

表1 加裝余熱回收裝置前、后能效對比

4 經(jīng)濟效益

根據(jù)以上實際檢測數(shù)據(jù)，每天節(jié)約天然氣100Nm3，每年按330天生產(chǎn)計算，每年節(jié)約天然氣33 000Nm3，天然氣價格按1.68元/Nm3,每年可節(jié)約55 440元，投資在3年內(nèi)就可收回，經(jīng)濟效益顯著。

5 結束語

半冷凝余熱回收裝置能充分回收利用天然氣鍋爐煙氣余熱(顯熱與潛熱)，達到節(jié)能減排目的。半冷凝余熱回收器裝置具有造價低、安裝使用方便以及自動控制運行等特點，投資短期內(nèi)可回收。半冷凝余熱回收裝置在使用中也發(fā)現(xiàn)一些不足：煙氣中CO2和SO2和冷凝水生成碳酸和微量硫酸，對冷凝水管道和換熱氣接水盤有一定的腐蝕作用，因此必須要定期進行檢查更換。

[1] 錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006：165～167.