浅谈锅炉烟气余热二次回收利用
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摘要：本文是笔者结合多年工作经验，以及工程案例，主要针对案例中提出的节能减排、锅炉余热二次利用的相关问题做出了一些简要阐述，以供参考。
前言
目前工业锅炉是我国主要的热能动力设备，随着我国经济快速发展，能源消耗日益增加，城市大气质量日益恶化的问题越发突出。在热能动力方面能耗高、污染高的主要原因之一就是锅炉的烟气排放。
现今国内一般的锅炉排烟温度在200℃左右，有的甚至高达250℃。如此高的排烟温度既浪费了大量能源，又造成严重的环境热污染。而若直接降低排烟温度则会使锅炉尾部受热面中烟气与工质的传热温差减小，传热面积增大，金属消耗和设备初投资增多。且排烟温度过低还会引起烟气中硫酸蒸汽的凝结，使低温受热面腐蚀堵灰。然而，如采取措施在省煤器后进行烟气余热的回收、降低排烟温度，则既可避免上述问题，又可提高热能利用效率、减轻高温烟气造成的热污染。
1项目概况
某厂区锅炉烟气温度为200℃左右，排烟温度比较高，有较大的热能利用空间。故在此段排烟烟道设置烟气―水换热器，进行烟气余热回收使用，以提高能源利用率。
1.1技术条件
热源端:项目热源端为设在水除尘设备之前的烟气-水换热器，为方形列管式换热器(表面换热器) ，外壳用5mm钢板焊制而成。换热管采用DN32无缝钢管(冷拔管，壁厚3mm)，排列方式为叉排，排与排之间间距为10cm，排内管间距为5cm，总换热面积为20m2。每一排管为一水路，分别在两端设置分、集水器。
加热端：加热端设置容积为20m3的方形水箱，用5mm厚的钢板直接焊接而成，内外各一道防锈漆。为提高加热效率，加热端采用直接混合换热，即直接加热水箱中的水。水箱和换热器之间的水路管道为DN50的热镀锌钢管，壁厚4mm。为提高换热效率，系统采用水泵强制循环对流换热，相关数据如下: 烟气温度为200℃；换热系数K = 22413W/(℃•m2)(烟气总换热系数)；热流通量q=74012kW；热水加热温度为15～60℃；热水产量1412m3/h。
1.2技术要点
换热器的设计加工:
① 对锅炉正常运行的影响问题:为防止换热器对烟气流动阻力太大而影响锅炉正常运行，在充分考虑换热管的阻力影响后，将换热器截面积扩大。
② 换热器的检修问题:由于锅炉为燃气锅炉，烟气中含尘量相对燃煤锅炉小很多，但是长时间使用后换热管外壁会任然附着灰层而影响换热效率，换热器的上下两面壳板采用螺栓固定，以便于定期清理换热管外壁。同时换热器两端与圆形风管采用法兰连接，必要时便于拆卸检修。
③ 考虑换热管的热膨胀问题，在换热管上加工膨胀弯，以消除管道热膨胀。
水质控制：由于水箱侧为直接混合换热，需要防止换热管内结垢；同时加热水又是供洗浴用水，不能为纯软化水，因而系统采用高效硅磷晶阻垢器阻垢，不但能防止水结垢，还能防止水对系统管路设备的氧化腐蚀。
系统的循环:为提高换热效率，系统采用水泵强制循环对流换热。综合考虑防止水在换热器内汽化、防止气体在系统内滞留以及尽量降低循环电能消耗等问题，因而确定换热管内水流速为0.5 m/s。
1.3项目经济效益
该项目投入使用后，观察其正常运行1 个月，所有数据均达到预期标准。按正常情况，烟气平均温度降低50℃左右，一年可产生60℃热水约27830t ，实际回收热量为5.24×109kJ，锅炉效率提高2.1%。由于冬季该锅炉产生压力为0.5MPa的低压蒸汽， 按此核算，项目运行1年可节省蒸汽2440t。通过燃气节约的直接经济效益，约运行1年后即可收回成本。
2技术的应用与推广
通过上述项目可以看出,烟气余热回收项目投入回收期短、效益可观且可明显地提高锅炉效率。
2.1不同燃料锅炉烟气分析
相对于燃煤锅炉,燃油燃气锅炉烟气含尘量很低,更加有利于烟气余热回收。在锅炉热损失中,燃油燃气锅炉排烟热损失约为8%～16% ,排污热损失约为1% ,炉体散热为1%～2% ,不完全燃烧为1% ,排烟热损失占主要部分。一般国内燃油(柴油) 燃气锅炉的平均热效率约为87% ,大约10%的热能通过锅炉排烟排到大气中,排烟温度高达180～250℃,既浪费了大量能源,又造成严重的环境热污染。正常燃气锅炉,每产生1t蒸汽,大约需要消耗80Nm3天然气,同时产生1300Nm3的烟气，烟气中N2占68%、CO2占11%、H2O占16%、O2占4%、SO2为2×10-6、NOx为80×10-6。而其中15%～19%的水蒸气处于过热状态,不可能在高温烟道中凝结成液态的水放出汽化潜热,在烟气中这部分潜热数量巨大,可达516万多大卡,占天然气的低位发热量6%左右,能量浪费巨大。
2.2换热器换热原理
换热原理:针对燃油燃气锅炉排烟组分特点,可采用冷凝式换热器,换热面可加工为板式或列管式,一方面回收高温烟气具有的显热量,另一方面可回收水蒸气中含有的潜热量。排烟温度若为200℃,经过高效烟气-水余热回收换热器,可将烟气温度降低至70℃以下(甚至降低至45℃) ,最大限度地吸收烟气中的显热,同时吸收烟气中的水蒸气冷凝成水所释放出的大量汽化潜热。蒸汽冷凝余热回收过程属于相变换热过程,传热强度非常高。同时,烟气中的水蒸气于热交换器换热表面上结露,凝结成水,还可吸收烟气中的部分SO2和NOx,在很大程度上减少烟气中主要污染物的排放量,洁净了烟气,起到环保作用。冷凝水可经引导管排放到中和池中,与其中的碱性石灰水中和后排放。
3问题探讨
①由于冷凝式换热器中的出口烟气温度很低,烟气中SO2和NOx必然会凝结形成具有腐蚀性的酸液,故换热器材料需用耐腐蚀材料如不锈钢、铜等。
②考虑换热表面集灰的清理问题,换热器可做成可拆卸型,以便于定期对换热面进行清理,清理方法可采用水冲洗等。
③换热器加工同时还要考虑排烟阻力大小、换热面的热膨胀问题以及系统的定压补水问题。
结束语
通过某锅炉烟气余热回收项目的运行数据可以看出,排烟热损失占锅炉热损失的主要部分,是导致锅炉效率低的主要原因。在如今全国重视“节能减排”能源利用政策的大环境下,进行锅炉排烟的余热回收具有非常重要的现实意义。
①降低了排烟温度,降低了烟气对大气环境的直接热污染,大大降低排烟能量损失,提高了锅炉运行效率。若烟气降温至50℃,锅炉效率甚至可提高到100%左右(以低位发热量计算)。
②冷凝式换热器在燃油燃气锅炉上的应用,可以使烟气中可凝性污染气体如SO2和NOx 等凝结,减少了烟气中污染性气体的排放。
③经济效益比较可观,回收周期短。随着国家“节能减排”政策的进一步实施,该项目技术必然会越来越成熟,应用也会越来越广泛。