余熱余壓在鍋爐節(jié)能減排中的有效應用探析
2023-11-30 14:22:21謝棟華
謝棟華
（廈門長塑實業(yè)有限公司，福建 廈門 361000）
引言
隨著全球環(huán)境壓力的加劇和能源消耗的增加，如何提高能源效率，實現(xiàn)節(jié)能減排成為了一項重要的任務。對于眾多工業(yè)生產(chǎn)過程中的設備，尤其是鍋爐，其中所蘊含的余熱余壓是一項寶貴的能源，若可以有效利用，不僅可提高能源利用效率，同時也可減少二氧化碳的排放。本文將深入探討余熱余壓在鍋爐節(jié)能減排中的有效應用，通過具體的案例分析，揭示其如何在實際中發(fā)揮作用。
1 余熱余壓簡述
余熱通常指的是在生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的，而又無法直接利用的熱能。這種熱能的存在形式十分多樣，包括高溫煙氣、高溫產(chǎn)物、熱化學反應、高溫冷卻水等。當這些熱能沒有得到合理利用時，便會形成廢熱，不僅浪費了能源，也對環(huán)境造成了負面影響。
余壓是指設備運行過程中產(chǎn)生的、超出設備工作所需壓力的部分壓力。在一些壓力設備或系統(tǒng)中，由于設計或運行等原因，系統(tǒng)的實際工作壓力可能會超過所需壓力。這部分超過的壓力，如果沒有得到合理的利用，就會形成余壓。
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，充分利用余熱余壓資源是提高能源利用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段。對于鍋爐設備而言，合理利用余熱可以提高燃燒效率，減少能源消耗；而有效利用余壓，可以實現(xiàn)能量的回收和再利用，進一步降低生產(chǎn)成本[1]。
2 余熱余壓的使用現(xiàn)狀
廈門長塑實業(yè)鍋爐改造項目是一個典型的余熱余壓利用實踐案例。在此項目中，工作人員對既有的水煤漿鍋爐進行了改造，使其改為使用天燃氣，以滿足更嚴格的環(huán)保要求。項目的總投資約為1 000萬元人民幣。就當前的應用現(xiàn)狀來看，余熱余壓利用在很多行業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛的應用，但仍有許多潛力未被充分挖掘。
2.1 成本問題
盡管天燃氣鍋爐在燃燒效率和環(huán)保性能上相比水煤漿鍋爐有明顯優(yōu)勢，但其運行成本相對較高。為了盡可能降低運行成本，需要更加精確地控制燃燒過程，充分利用余熱進行熱能回收。
2.2 穩(wěn)定性因素
本項目在鍋爐改造中成功地集成了一些余壓回收裝置，但實際運行中，鍋爐產(chǎn)生的余壓并非始終保持恒定，而是存在一定的波動性。這種波動性對余壓回收裝置的運行效率產(chǎn)生了負面影響，因為設備的優(yōu)化設計和運行一般都基于特定的壓力值。
余壓的波動性可能源于多種原因，包括燃料供應的不穩(wěn)定、環(huán)境溫度的變化、設備自身的老化等。這些因素導致鍋爐內(nèi)部的壓力和溫度變動，進而影響余壓回收裝置的效率。為了克服這些挑戰(zhàn)，還需進一步探索和開發(fā)更先進、更穩(wěn)定的余壓利用技術。
2.3 復雜的因素
余熱余壓利用可以顯著提高能源效率，降低排放，但在實施過程中，投資成本、設備的復雜性以及技術的不成熟都是限制其廣泛應用的主要因素。這也是在廈門長塑實業(yè)鍋爐改造項目中需要考慮和解決的問題。因此，盡管已經(jīng)在余熱余壓的利用上取得了一些成績，但要將這些技術更廣泛地應用到工業(yè)生產(chǎn)中，還需要進一步研究和改進[2]。
3 余熱余壓在鍋爐節(jié)能工程中的可行性與必要性
針對廈門長塑實業(yè)鍋爐改造項目，利用余熱余壓不僅具有明顯的可行性，也具有極大的必要性。從經(jīng)濟效益、環(huán)境保護以及能源利用效率的角度，以下進行具體分析：
3.1 提高經(jīng)濟效益
從經(jīng)濟效益角度，利用余熱余壓能顯著降低運營成本。例如，在此項目中，一、三、四號廠的進水槽前用水被引至鍋爐房，通過余熱回收裝置加熱后再通過管道輸送回產(chǎn)線供給水槽使用。此舉可以減少加熱器的電力消耗，同時余壓可以驅動渦輪機發(fā)電或進行機械作業(yè)，進一步節(jié)約能源。根據(jù)計算，每小時可以產(chǎn)生的能量為122.4 KW，年節(jié)省電量為105.7萬度，這將為企業(yè)節(jié)省約66.6萬元的電費，投資在1年左右即可收回。
3.2 有利于環(huán)境保護
從環(huán)境保護角度，余熱余壓的有效利用能顯著降低碳排放。鍋爐尾氣的余熱回收可以減少燃料消耗，進而降低二氧化碳等溫室氣體的排放。余壓的回收能減少對電力的需求，從而降低電力生產(chǎn)的環(huán)境影響。
(一)在制度層面，首先，鎮(zhèn)街非稅收入的執(zhí)收沒有具體法規(guī)支撐，財政部雖然發(fā)布了《政府非稅收入管理辦法》，但相應的實施細則等有關具體的規(guī)章制度沒有及時配套。其次，鎮(zhèn)街實現(xiàn)的非稅收入未真正納入非稅征繳系統(tǒng)，僅僅靠財政部門的調(diào)度上繳，具體上繳收入的是什么內(nèi)容、應收多少、是否足額征收等等，財政部門無法具體掌握。
3.3 提高能源利用效率
從能源利用效率的角度看，余熱余壓的回收和利用是提高整體能源效率的重要途徑。在廈門長塑實業(yè)鍋爐改造項目中，通過余熱回收裝置預熱用水，可以提高鍋爐的熱效率。此外，余壓的有效利用可以提升設備的機械效率，這些都將有助于提升整個工廠的能源效率。
在此，可通過計算來更明確地看到余熱回收的效益。利用公式：
其中，Q為煙氣中的熱量（單位為kcal）；C為空氣比熱（約為1.01 kJ/kg℃）；M為空氣質量流量（1 m3空氣≈1.29 kg）；T2為需求溫度、T1為空氣溫度；以及4.184為熱量單位換算系數(shù)（1 kcal=4.184 kJ）。
代入實際數(shù)值，我們有Q=1.014 830 1.29*(150-80)/4.184，得到Q=105 285 kcal。隨后可將這些熱量轉換為電能，Q=122.4 kW。
根據(jù)Q=CM△T，每小時可以產(chǎn)生3.5噸的溫差為30 ℃的熱水，即每天可以產(chǎn)生84噸。因此，每月可節(jié)省電量88 128度，每年則可節(jié)省電量1 057 536度，為企業(yè)節(jié)省約66.6萬元的電費。
通過計算表明，余熱余壓在鍋爐節(jié)能工程中的可行性和必要性，它在提高能源利用效率，節(jié)約運營成本，以及減少環(huán)境影響方面都具有顯著的優(yōu)勢。
4 余熱余壓在鍋爐節(jié)能減排中的應用
4.1 應用于鋼鐵行業(yè)
鋼鐵行業(yè)是熱能消耗大戶，利用其產(chǎn)生的余熱余壓可以實現(xiàn)顯著的節(jié)能減排效果。在鋼鐵行業(yè)，常見的余熱利用方式主要有三種：高爐煤氣發(fā)電、爐渣熱回收和轉爐煤氣發(fā)電。
（1）高爐煤氣發(fā)電是利用高爐排出的煤氣（熱值約為2 100～2 600 kJ/Nm3）驅動渦輪發(fā)電機發(fā)電的技術。該技術可以提高能源利用率，減少電網(wǎng)供電壓力。在實際操作中，煤氣經(jīng)過除塵、冷卻、脫硫處理后，輸入煤氣輪機，進行電能轉換[3]。（2）爐渣熱回收則是通過收集爐渣的熱量，用于預熱生產(chǎn)過程中的物料或者產(chǎn)生蒸汽。比如采用雙回轉爐渣熱回收技術，爐渣熱量可以被高效利用，其系統(tǒng)效率可以達到70%以上。（3）轉爐煤氣發(fā)電則是將轉爐煤氣（熱值約為2 500～3 500 kJ/Nm3）用于驅動渦輪發(fā)電機。相比于高爐煤氣，轉爐煤氣熱值更高，能夠產(chǎn)生更多的電力。
4.2 有色金屬行業(yè)
在有色金屬行業(yè)中，主要的余熱利用方式是冶煉爐熱電聯(lián)產(chǎn)。這種方式通過收集冶煉爐排放的高溫煙氣（通常溫度在800 ℃以上）進行余熱回收。具體操作中，通常采用余熱鍋爐對高溫煙氣進行換熱，將其溫度降低至200 ℃左右，而產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽可以驅動蒸汽輪機發(fā)電。（1）以鋁冶煉為例，其電解爐的排氣溫度一般可達900℃，熱量可達為4 200 kJ/Nm3。如果采用余熱鍋爐進行熱能回收，產(chǎn)生的蒸汽壓力可以達到3.8 MPa，溫度為450 ℃，在此高溫高壓蒸汽可用于發(fā)電。理論計算，每年可以生產(chǎn)約50萬千瓦時的電能，既提高了能源利用效率，也減少了對電網(wǎng)的依賴。（2）在銅、鉛和鋅的冶煉過程中，爐渣的熱量同樣不可忽視。這些高溫爐渣通常包含有大量的熱量，其溫度可達1 100 ℃以上。通過利用特殊的熱能回收設備，可以從這些爐渣中回收熱量，將其轉化為蒸汽，進一步用于驅動蒸汽輪機發(fā)電。
4.3 煤炭化工行業(yè)
在煤炭化工行業(yè)中，熱電聯(lián)產(chǎn)和煤氣余熱發(fā)電是主要的余熱利用方式。（1）熱電聯(lián)產(chǎn)是指在煤炭化工過程中，將產(chǎn)生的大量熱能轉化為電能并供給工廠使用。具體來說，這一過程通常包括兩個步驟：首先，利用化工過程產(chǎn)生的高溫熱源，通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽；然后，利用蒸汽驅動蒸汽輪機發(fā)電。一般情況下，如果煤炭化工過程中的余熱能夠充分利用，可以將能源利用效率提高20%以上[4]。（2）煤氣余熱發(fā)電則是通過回收化工過程中的煤氣余熱實現(xiàn)的。煤氣化過程會產(chǎn)生大量的高溫煤氣，這些煤氣除了作為化工原料外，其余熱也可以被利用。常見的方式是采用余熱鍋爐將煤氣余熱轉化為蒸汽，然后通過蒸汽輪機發(fā)電。比如，一個年產(chǎn)100萬噸的煤化工項目，通過回收煤氣余熱，可以產(chǎn)生約2億千瓦時的電能。
4.4 其他行業(yè)
（1）在水泥行業(yè)中，水泥回轉窯的排氣溫度通常高達300 ℃至400 ℃，這些高溫煙氣可被用于干燥砂石料或預熱窯料。此外，利用余熱發(fā)電也是水泥行業(yè)節(jié)能的有效途徑。例如，通過建立熱力聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，即使在300 ℃的溫度下，也可以通過高效的余熱鍋爐和蒸汽輪機系統(tǒng)，實現(xiàn)每年約3 000萬千瓦時的電力產(chǎn)出。（2）在石油化工行業(yè)，生產(chǎn)過程中的許多反應都會產(chǎn)生大量的熱量。對于這部分熱量，可以通過熱交換器進行回收，用于預熱原料或者產(chǎn)生蒸汽。同時，高壓的反應氣體在減壓后也可以通過膨脹機進行余壓回收，進一步提高能源利用效率。（3）在制紙行業(yè)，紙漿和紙張的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的高溫蒸汽。這部分蒸汽可以被回收，用于預熱和烘干紙漿，或者通過蒸汽輪機進行余熱發(fā)電。（4）在玻璃制造業(yè)，玻璃熔爐的排氣溫度通常在500℃以上。通過余熱鍋爐，這些高溫煙氣的熱能可以被用來產(chǎn)生蒸汽，從而驅動蒸汽輪機發(fā)電，進一步提高能源利用率。
5 鍋爐煙道余熱熱管換熱器的使用分析
熱管換熱器是一種高效的熱能轉移設備，其優(yōu)點在于具有高熱傳導性，結構簡單，且運行穩(wěn)定。在鍋爐系統(tǒng)中，熱管換熱器通常被用于煙道余熱的回收，從而實現(xiàn)能源的二次利用。
設Q為熱管換熱器的熱量交換率，用于評價熱管換熱器的性能。其可以通過下面的公式計算：
其中，U是總熱傳導系數(shù)，單位是W/(m2·K)；A是換熱面積，單位是m2；ΔT是進出口溫度差，單位是K。
在此擬定針對具體的鍋爐煙道熱管換熱器，假設煙道煙氣的出口溫度為T1=150 ℃，進口溫度為T2=60 ℃，換熱面積為A=100 m2，總熱傳導系數(shù)為U=800 W/(m2·K)，該換熱器的熱量交換率Q可通過計算得到Q=7.2 MW。
在具體計算示例中，假設熱管換熱器在滿足條件下可以回收7.2 MW的熱能。這是一個相當大的能量，相當于幾千個家庭一天的電力需求。這些熱能可以用于預熱鍋爐的供水，也可以用于生產(chǎn)蒸汽，進一步驅動蒸汽輪機發(fā)電，大大提高了能源的利用效率[5]。
然而，雖然熱管換熱器有很多優(yōu)點，但在實際應用中，也需要注意一些問題。例如，熱管換熱器的熱交換效率受到許多因素的影響，如工作介質的選擇，熱管的設計，以及其它具體情況。另外，熱管換熱器在長時間運行后可能會出現(xiàn)結垢、腐蝕等問題，這些問題如果不及時處理，可能會影響熱管換熱器的性能，甚至導致設備損壞。因此，在使用熱管換熱器時，一定要做好設備的維護和保養(yǎng)，保證其持續(xù)、穩(wěn)定、高效的運行。
6 余熱余壓在鍋爐節(jié)能減排中的應用實例探究
6.1 案例提要
以廈門長塑實業(yè)鍋爐改造項目為例，筆者深入探討余熱余壓在鍋爐節(jié)能減排中的實際應用。為了達成更高的環(huán)保標準和降低碳排放，廈門長塑實業(yè)決定對其原有的水煤漿鍋爐進行全面改造，轉型為更環(huán)保的天然氣鍋爐。
6.2 案例分析
廈門長塑實業(yè)的原有水煤漿鍋爐每天消耗大量的水煤漿，在燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣中有大量的未充分利用的熱量。在改造前，這部分熱量大多被直接排放到大氣中，造成了大量能源的浪費。此外，傳統(tǒng)的水煤漿鍋爐還會排放大量的有害物質，對環(huán)境造成嚴重污染。
因此，廈門長塑實業(yè)對鍋爐進行了全面改造，主要目標是回收并利用煙氣中的余熱。為了實現(xiàn)這一目標，公司引進并安裝了高效的熱管換熱器來回收煙氣中的余熱。熱管換熱器能有效地吸收煙氣中的熱量，轉化為高壓蒸汽。然后，這些高壓蒸汽通過蒸汽輪機進行發(fā)電[6]。
此外，為了最大限度地利用余熱余壓，該項目在熱管換熱器的基礎上，增設了膨脹機進行余壓回收。余壓被轉化為機械能，提供給發(fā)電設備使用，進一步提高了發(fā)電效率。
6.3 案例所產(chǎn)生效益的啟示
根據(jù)廈門長塑實業(yè)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這次鍋爐改造極大提高了資源的利用效率，帶來了顯著的經(jīng)濟效益。據(jù)統(tǒng)計，改造后的鍋爐每天能額外產(chǎn)生約3 000千瓦時的電能，這意味著每年可以節(jié)約約734噸的煤炭消耗，同時減少了約1 650噸的二氧化碳排放。
這個案例揭示了，通過設計合理的利用余熱余壓，不僅可以大幅提高能源的利用效率，減少環(huán)境污染，而且還能為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益。此外，在進行改造后，還可通過技術改造實現(xiàn)環(huán)保和經(jīng)濟效益的雙贏。因此，應鼓勵和支持更多的企業(yè)學習借鑒這些成功經(jīng)驗，積極引進先進的節(jié)能減排技術。
7 結語
綜上所述，適當?shù)募夹g和管理策略的應用可以顯著提高能源利用效率，降低二氧化碳排放。然而，為了實現(xiàn)這些成效，必須充分考慮設備的特性，以及實際操作環(huán)境等多個因素。期待有更多的企業(yè)和行業(yè)積極引入并實施這些節(jié)能減排的策略，同時，科研機構也需要繼續(xù)進行相關技術的研發(fā)和優(yōu)化，以期推動我國的環(huán)境保護工作。
