關于船舶輔鍋爐節能減排的設計方案

錢振超

摘要： 船舶輔鍋爐是船舶運行必不可少的能耗設備，本文在對輔鍋爐運行過程能耗分布特點分析的基礎上，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，提出兩種切實可行的輔鍋爐減排方案，可為船舶節能、船公司運營管理提供參考。

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.

關鍵詞： 船舶;輔鍋爐;余熱利用;節能減排

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

中圖分類號：F407.474? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）19-0092-02

0? 引言

2020年9月，國家主席習近平提出我國實現碳達峰和碳中和目標的時間節點，使得節能減排已經成為我國經濟發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，目前，大多學者對船舶柴油機的節能減排進行了研究，而船舶輔鍋爐，通過燃燒把化學能轉化為熱能，使給水變成蒸汽或熱水的船上設備，用于預熱燃油和滑油、為船員提供取暖、熱水等，也是船上必不可少的耗能設

備[1]，相關學者對船舶輔鍋爐的節能減排研究相對較。實際上，由于船舶輔鍋爐主要以燃油作為燃料，其平均運行熱效率比較低，造成大量能量沒有被合理地利用，節能的潛力仍然較大，因此，本文結合船上實際工作經驗，探討船舶輔鍋爐節能減排方案，可為船舶節省燃油，對船公司運營和環境保護均具有較大的參考價值。

1? 輔鍋爐運行過程的能耗分布

從輔鍋爐運行過程的能量守恒來看，鍋爐的實際運行效率可以表示為向鍋爐供應的熱量減去各種熱量損失的差值與向鍋爐供應熱量的比值，即[2]：

式（1）中，B為每小時燃料消耗量，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為化學不完全燃燒損失，單位kJ/kg;Q3為機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分別代表輔鍋爐運行過程中的相對排煙損失、相對化學不完全燃燒損失、相對機械不完全燃燒熱損失和相對散熱損失。

對于排煙損失，是指輔鍋爐燃燒燃油所產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量和溫度，一般可通過降低船舶輔鍋爐排煙溫度，或降低排煙處過量空氣系數來減少鍋爐的排煙損失[3]。對于化學不完全燃燒損失，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%。對于機械不完全燃燒損失，主要是指燃油未完全燃燒時形成的炭黑及油滴燃燒后殘留的焦粒等構成的熱損失，在燃燒不良時可達0.5%～1%。上述兩種損失均稱為不完全燃燒損失，可通過增大過量空氣系數，保證足夠的氧氣參與燃燒，以減少不完全燃燒損失。對于散熱損失，主要是指船舶輔鍋爐溫度高于周圍環境而出現的熱量損失，一般可通過優化鍋爐爐墻材料或減少散熱面積來降低散熱損失。

2? 關于船舶輔鍋爐的兩種節能減排的設計方案

余熱開發與回收利用是目前節能減排的重要的途徑和有效方式，對于船舶輔鍋爐而言，排煙余熱和富余蒸汽可以作為余熱資源，為此，針對船舶輔鍋爐的節能減排，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方案。

2.1 基于排煙余熱回收的熱管換熱器設計方案

熱管換熱器由于其高效的傳熱效果，已經成功應用在航空內燃發動機。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?？捎^的傳熱效果。為此，針對排煙余熱回收問題，設計了熱管換熱器方案，如圖1所示。所設計的熱管換熱器方案包括熱管組、煙氣通道、進排水腔（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，熱管經加熱后，迅速將熱量傳導至上部的進排水腔（汽包），進而產生熱水，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設計方案

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。吸附式制冷系統主要由吸附床、冷凝器和蒸發器三大部件組成，其工作循環如圖2所示。

吸附式制冷的基本工作循環包括兩個過程，分別是加熱解吸過程（虛線）和吸附制冷過程（實線）。對于加熱解吸過程，在加熱作用下，吸附床受到加熱作用下，吸附質，即制冷劑，產生解吸作用，從在吸附劑中脫附出來，當解吸出來的制冷劑蒸汽壓力升高至環境溫度的飽和壓力，也就是冷凝壓力時，蒸汽狀態的制冷劑會在冷凝器中冷凝液化，隨后進入蒸發器中。對于吸附制冷過程，吸附床受到冷卻作用下，當達到吸附溫度時，此時吸附床中的吸附劑又會重新吸附制冷劑的蒸汽，使得循環系統中的蒸汽壓力降低，進而促使處于蒸發器中的液態制冷劑蒸發，因此，對于吸附式制冷，加熱解吸過程和吸附制冷過程構成了一個完整的制冷工作循環，由于吸附式制冷方式是一種間歇式的制冷過程，而若要達到連續制冷的目的，則應采用兩臺以上吸附床，讓其交錯運行[4]?；诖嗽恚Y合船舶輔鍋爐的富余蒸汽，設計了一種船舶空調方案，如圖3所示。

所設計的吸附式空調方案主要包括輔鍋爐、氣動換向閥、吸附發生器、壓力繼電器、單向閥、冷凝器、儲液器、蒸發器以及需要接入的船舶中央空調。具體工作過程如下：

①首先，在壓力繼電器控制下，打開電磁閥，進而決定氣動換向閥的工作位置，然后由船舶輔鍋爐產生的富余飽和蒸汽經氣動換向閥（以左位為例），對吸附發生器2進行加熱，在加熱作用下，吸附發生器內的壓力升高，當達到制冷劑冷凝溫度對應的飽和壓力時，此時對應的下部單向閥關閉，經上部單向閥流入冷凝器，繼而流入儲液器進行儲存。通過調節流量調節開度，可對進入蒸發器中的制冷劑流量進行控制。

②同時，由低溫淡水泵提供的冷卻水經氣動換向閥，對吸附發生器1進行冷卻，使得吸附發生器1內部的制冷劑壓力不斷下降，當下降到蒸發溫度對應的飽和壓力時，制冷劑隨后進入蒸發器蒸發吸熱，實現制冷，相應的蒸發氣體又進入吸附發生器產生吸附作用，進而完成一次完成的制冷循環。

從上述工作過程可以看出，在整個制冷器過程中，需要兩個吸附發生器交替工作，其相當于制冷壓縮機在蒸汽壓縮式制冷中的作用。對于吸附發生起的交替工作，可通過設計方案中的壓力繼電器控制氣動換向閥予以實現。

3? 結束語

本文針對輔鍋爐運行的余熱資源，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方案，可為船舶節能、船公司運營管理提供參考。

參考文獻：

[1]陳海泉.船舶輔機[M].大連海事大學出版社，2010.

[2]于洪濤.燃油鍋爐系統節能方案設計與實施[D].大連理工大學，2013.

[3]蘇振東.燃油鍋爐系統節能降耗[J].大眾科技，2013.

[4]劉林.鍋爐的能效評價與影響因素分析[D].山東大學，2012.