工業鍋爐設計中的環保問題及體現分析

鄭偉偉

【摘要】我國近些年的發展和工業鍋爐具有密切的關系，通過幾十年的發展，工業鍋爐開始進入到各個領域。我國屬于煤炭大國，工業鍋爐直接關系到煤炭消費，工業鍋爐達到全國總煤炭出產的一半，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能源。在經濟發展過程中加劇了環境污染，尤其是廢氣排放方面比較嚴重，大幅度降低了我國的空氣質量，是造成我國近些年霧霾的主要原因之一。當前工業鍋爐在我國市場當中占據的份額已經比較重，合理的設計工業鍋爐及其系統可以實現節能減排，滿足環保和安全方面的需求，這也是當前主要的發展形勢。本文主要論述了工業鍋爐設計中的環保問題，在工業發展過程中發揮著非常重要的作用。

【關鍵詞】工業鍋爐 設計 環保問題

工業鍋爐簡單來說就是一種加熱裝置，主要就是在工業原料的加工和制造過程進行利用。工業鍋爐在我國發展的時間非常長，對于我國的發展起到很大的作用，我國屬于發展中國家，工業鍋爐屬于我國重要的熱力設備。在技術方面我國和發達國家仍舊存在一定的差距，在環保和煤炭利用率方面的差距更是巨大。我國屬于人口大國，因為污染物和廢氣的高排放量，嚴重威脅到我國公民的人生安全。我國不僅能源利用率比較低，資源方面也相對比較短缺，在這些矛盾沖突下，需要采取有效的措施該機設計工業鍋爐。

一、工業鍋爐的設計規范和要求

設計工業鍋爐的過程中，需要以國家規定的相關標準為基礎，實現技術整改，主要就是為了將勞動條件進行改善，前提條件就是保障安全，主要的發展方向就是利用資源和保護環境，保證鍋爐可以實現安全生產，利用先進的技術滿足經濟要求。設計鍋爐的過程中首先需要滿足近期工作需求，利用長遠的發展需求合理利用各種資源。

二、工業鍋爐在環保方面的問題

（一）高熱量高污染問題

工業鍋爐的容量比較小，其熱效率比較低。近些年我國不斷提升了熱電聯產項目水平，但是在總體上看，小容量鍋爐的比重仍舊比較高，但是大多數鍋爐的運行負荷比較低，產生不完全燃燒的情況，增大了熱損失，嚴重影響運行效率。大部分燃煤工業鍋爐使用的煤炭都是沒有進行過預處理，無法保證其粒度和熱值等。工業鍋爐通常以層燃為主，但是缺乏適應性，如果煤種發生變化，鍋爐的運行特性也會發生改變，影響了鍋爐運行效率。

工業鍋爐的排煙溫度比較高，會產生很大的污染，企業利用的有機熱載體鍋爐，其燃燒方法通常就是層燃，排煙溫度可以大于300℃以上，會排放大量的二氧化氮、二氧化碳等，嚴重污染到環境，出現嚴重的熱量流失。

（二）自控裝置的水平比較低

鍋爐運行自控裝置的工作水平比較低，當前利用的工業鍋爐通常都沒有設置檢測儀表，操作人員將鍋爐燃燒工況和負荷變化在實際調整的過程中，無法及時掌控具體的數據，無法結合負荷的實際變化對于鍋爐運行工況進行調整，這樣就會限制了鍋爐和電機的運行效率，導致浪費的情況比較嚴重。

（三）能源浪費情況比較嚴重

當前我國能源浪費的情況比較嚴重，我國能源結構的主體就是煤炭，其主導產品就是燃煤工業鍋爐，這也是我國主要的煤煙型污染源。當前我國燃煤工業鍋爐占據的比例非常高，主要是在工業動力和建筑采暖等領域當中利用工業鍋爐，每年都會損耗煤炭4億噸。我國近些年的能源還出現了短缺情況，在尋找新能源的過程中需要對于工業鍋爐重新設計，使燃燒效率不斷提高，使原料用量不斷降低。

三、我國能源應用現狀

一個國家發展的主要動力就是能源，能源直接影響到國民經濟的發展。我國能源儲量非常豐富，人口基數也比較，人均資源擁有量非常低。雖然我國能源儲量非常豐富，但是我國仍舊需要面對開采率和利用率比較低的問題。我國開采基數和發達國家進行比較具有很大的差距，還缺乏保護意識，在實際開采階段就造成大量的浪費。煤炭在我國是非常重要的，我國工業多數都是由煤炭支持的，這種情況是不夠科學的，煤炭自身的出產量對于我國的發展也造成嚴重的制約，利用良好的能源結構，才可以均勻的分配能源需求。

如果過度依賴煤炭，我國工業發展也會變得畸形。由于煤炭也會造成環境污染問題，我國很少有關于廢氣廢渣的處理裝置，對于我國的空氣質量和環境造成嚴重的影響。

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

四、工業鍋爐設計中的環保措施

（一）合理化使用能源

對于小容量燃煤鍋爐，由于鍋爐房無法進行合理化管理，建議結合周邊實際，形成集中供熱的能源供給模式，形成以園區為單位的鍋爐房進行統一合理化管理；若如法規模化使用能源，建議采用高熱值的潔凈煤或經過洗煤后使用，如果條件允許，建議改用天然氣等潔凈燃料，高污染低成本的經營模式遲早是要被淘汰的，正是如此，全國大范圍的煤改氣正在有序的進展之中。

部分領域的企業，在自身的生產中會產出部分能源，可對其加以利用。例如化工行業生產中會有多余的氫氣、甲醛等，農林廢棄物如秸稈、甘蔗渣等，地板家具廠加工廢料等。通過對這些可利用資源的分析，設計合理的鍋爐設備，并將產生的熱能并入企業原先的用能設備網，代替企業部分的原化石能源所獲取的熱能，降低企業對化石能源的消耗，同時提高了企業的經濟效益與社會效益。

（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計及運行效率，但并不是簡單的增加鋼耗來獲取更多的輻射及對流換熱面。

對于燃煤鍋爐，改善爐內配風，提高煤的燃燒率，有效減少爐渣含碳量，巧妙組織爐內燃燒動力場，使鍋爐在寬煤種的范圍內均可保證較好的燃燒。對于鏈條燃煤鍋爐常用的方法有：利用分層給煤技術、類似于雙人字拱的節能爐拱、合理布置爐膛內一次風及二次風等。

對于燃氣鍋爐，由于燃煤煙氣成分灰分含量較高，一般煙氣流速都有很嚴格的控制，以免造成對流換熱面的磨損，影響其使用壽命，燃油燃氣鍋爐則可在煙氣對流段增加煙氣的流速，從而增加對流換熱系數。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%，遠高于燃煤鍋爐產生的煙氣中6%以下的水蒸汽含量。目前鍋爐熱效率均以低位發熱量計算，盡管名義上熱效率較高，但由于天然氣高、低位發熱量值相差10%左右，實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，當換熱器壁面溫度低于煙氣的露點溫度時，煙氣中的水蒸汽將被冷凝，釋放潛熱，10%的高低位發熱量差就能被有效利用。

對于生物質鍋爐，在燃燒機理上，生物質固體燃料與煤炭很類似，但生物質燃料的揮發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鍋爐效果不理想，燃燒效率普遍較低。建議在爐膛內采用分段送風形式，在進料揮發斷采用高速送風，使燃料可以充分擾動，高速空氣迅速與揮發分混合發生燃燒，而在燃盡段采用低俗配風，延長燃燒時間，使碳充分燃燒，同時采用一定的技術形成爐內循環，使燃盡階段的高溫燃料回到前段充分干燥及析出揮發分。

（三）工業鍋爐系統設計中的節能技術

變頻調速的原理就是將交流電整流成直流電，經過平滑濾波，再經逆變回路把直流變成頻率可調的交流電，使電機獲得無級調速所需的電壓、電流頻率。采用變頻調速，根據負荷的變化，由微機控制電機的轉速，既能滿足不同負荷條件下鍋爐水位和燃燒調節的需要，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、調速范圍大、無級調速、節能等特點。

為消除供汽鍋爐負荷的較大波動，穩定供汽壓力，提高鍋爐的運行熱效率，可在供汽系統中設置蓄熱（蒸汽）裝置，使鍋爐連續地按滿負荷或某一穩定的負荷運行。當外界用汽負荷低鍋爐供汽有多余時，將熱能儲蓄于蓄熱裝置；在發生高峰負荷鍋爐供汽不足時，蓄熱裝置釋放出所蓄熱能以補不足。這樣就使鍋爐負荷不必跟隨用汽負荷的波動而變動，在相對穩定的燃燒工況下達到最佳的運行熱效率。

結合實際情況，采用合適的冷凝水回收系統（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，同時增加鍋爐蒸發量，能適應鍋爐負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省大量清鍋費用、水費、水處理費等相應費用；提高鍋爐給水品質，使蒸汽品質提高，同時減少鍋爐排污，節省能源；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生的熱應力，延長鍋爐使用壽命；冷凝水回收可減少鍋爐軟化水補給量，使爐內及爐外水處理費大量降低；給水與爐水溫差小，鍋爐給水時，蒸汽壓力穩定；凝水回收利用，無蒸汽污染現象及疏水閥疏水時產生的噪音，改善工作環境。

（四）燃煤工業鍋爐的脫硫脫硝

對于燃煤工業鍋爐的脫硫方式主要有濕法煙氣脫硫技術和干法煙氣脫硫技術。濕法脫硫的主要優點是氣液反應，反應速度快，脫硫效率高，一般均高于90%，技術成熟，適用面廣；缺點是生成物是液體或淤渣，較難處理，設備腐蝕性嚴重，洗滌后煙氣需再熱，能耗高，占地面積大，投資和運行費用高。干法脫硫的主要優點是氣同反應，相對于濕法脫硫系統來說，設備簡單，占地面積小、投資和運行費用較低、操作方便、能耗低、生成物便于處置、無污水處理系統等；缺點是反應速度慢，脫硫率低，先進的可達60-80%，但目前此種方法脫硫效率較低，吸收劑利用率低，磨損、結垢現象比較嚴重，在設備維護方面難度較大，設備運行的穩定性、可靠性不高，且壽命較短，限制了此種方法的應用。

對于燃煤工業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的主要優點是脫硝效率高，一般為80%-95%，反應溫度低（一般為250℃至420℃）；缺點是投資與運行成本高，占地面積大，除了還原劑以外，還需要堿性金屬催化劑，催化劑會造成較大的系統壓力損失，催化劑還會對二氧化硫及三氧化硫的氧化起催化作用，從而造成空預器的堵塞或腐蝕。SNCR的主要優點是投資與運行成本較低，占地面積小，不需要額外催化劑，系統壓力損失小；缺點也很明顯，脫硝效率比較低，一般為40%-60%，反應溫度較高（一般為850℃至1150℃），通常在爐膛內噴射，溫度場容易隨鍋爐運行負荷改變而改變，嚴重影響脫硝的效率。

（五）燃氣工業鍋爐低氮燃燒技術

燃氣鍋爐降低氮氧化物NOx排放，一般采用低氮燃燒技術，在燃燒過程中控制NOx的產生，由NOx形成原因可知對NOx的形成起決定作用的是燃燒區域的溫度和過量空氣量。低NOx燃燒技術就是通過控制燃燒區域的溫度和空氣量，以達到阻止NOx生成及降低其排放量的目的。常用的技術有燃燒工況優化、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣外循環、煙氣內循環、表面燃燒技術。

根據北京市2015年頒布的鍋爐大氣污染物排放標準，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，已經成為世界氮氧化物排放控制最為嚴格的地區，這也是作為全國鍋爐排放標準一個方向性的指標。從目前改造情況來看，燃氣鍋爐基本采用煙氣外循環的方式來進行設計及改造，也是目前最為可靠并且可行的技術，難度在于需要很強的技術實力，對控制及調試要求非常高。表面燃燒技術作為一種在國內比較新穎的低氮燃燒技術，目前國內技術尚未成熟，由于采用全預混方式，非常容易引起燃氣的爆炸等安全事故。

五、結束語

工業鍋爐的設計已經不是簡單的設計高效換熱設備，需要更加深入到工業鍋爐系統并且兼顧各種環保要求，設計的產品及系統不僅要解決企業的經濟效益，更要解決企業的社會效益。我國應該加強環保意識，建立環保型工業措施，建立環境友好型社會。我國工業重點不僅需要提高燃燒效率，還要做好污染治理，不僅需要促進發展，還要避免傷害到環境。

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