王士國(guó)

（廣西中煙工業(yè)公司，廣西南寧530001）

卷煙廠制冷過(guò)程中產(chǎn)生的熱量及燃?xì)忮仩t的煙氣，通常被直接排放到環(huán)境中，這樣不僅浪費(fèi)能源，而且造成環(huán)境污染。有效地回收利用這部分余熱，是煙廠降低能耗、加強(qiáng)環(huán)保的重要途徑。余熱回收不僅可以帶來(lái)能源方面的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還可以減少對(duì)環(huán)境的污染。并且煙廠使用的溴化鋰制冷機(jī)組及燃?xì)忮仩t排出的廢氣，溫度也比較高，具有能源回收的巨大潛力。

在比較了多種可行設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，本文對(duì)目前余熱回收的數(shù)種典型工藝的優(yōu)缺點(diǎn)做了深入分析，并結(jié)合煙廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，以實(shí)現(xiàn)回收余熱資源為目的，對(duì)不同的能源介質(zhì)、數(shù)量、熱力參數(shù)、工藝路線的余熱回收方案進(jìn)行比較，篩選出了優(yōu)化方案。經(jīng)過(guò)應(yīng)用熱力學(xué)分析的基本方法，通過(guò)計(jì)算確定了回收系統(tǒng)主要的設(shè)備名目及參數(shù)。

在諸多的技術(shù)方案中，余熱鍋爐作為聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的能源交換設(shè)備，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。煙廠原來(lái)使用的是燃煤鍋爐，現(xiàn)為了提高系統(tǒng)的熱效率，欲使用燃?xì)饴?lián)合循環(huán)，因?yàn)槿細(xì)饴?lián)合循環(huán)效率高，環(huán)保效果好，在我國(guó)也有廣泛的應(yīng)用。

1 余熱鍋爐的形式

余熱鍋爐設(shè)置在各類工業(yè)流程中，用于回收余熱，在提高整體裝置的熱效率，從而減少公害和滿足某些工藝要求方面，起著十分重要的作用。余熱鍋爐的熱回收對(duì)象，最普通的是工藝氣體、煙道氣體等顯熱，以及固體余熱交換后的排氣顯熱和固體輻射等。

1.1 余熱鍋爐的分類

按工藝原有設(shè)備的性質(zhì)，余熱鍋爐可分為兩類：一類主要是對(duì)工廠生產(chǎn)過(guò)程中的氣體進(jìn)行冷卻，滿足工藝要求；另一類主要是為節(jié)能而進(jìn)行的熱回收。

余熱鍋爐按水循環(huán)方式，可分為自然循環(huán)與強(qiáng)制循環(huán)。從聯(lián)合循環(huán)應(yīng)用的趨勢(shì)來(lái)看，自然循環(huán)是一種更可取的技術(shù)。

余熱鍋爐按氣體通道，可劃分為火管式和水管式。

按換熱形式劃分，余熱循環(huán)可分為輻射和對(duì)流。

在以動(dòng)力回收為目的的系統(tǒng)中，還采用多壓余熱鍋爐，如雙壓與三壓余熱鍋爐，來(lái)提高發(fā)電效率。采用多壓余熱鍋爐技術(shù)，可更有效地回收排氣的余熱，由于多壓，吸熱線與放熱線能夠更好地匹配，減少了傳熱的不可逆損失，回收的值高，構(gòu)成的循環(huán)效率高；另一方面，由于節(jié)點(diǎn)的改變，減輕了單壓等級(jí)的增加，盡量回收的熱量幾乎不增加，但回收的增加，發(fā)電量增加。

1.2 余熱鍋爐的發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)從上世紀(jì)50年代開(kāi)始，就研究用于回收鋼鐵工業(yè)余熱的余熱鍋爐，此后相繼開(kāi)展了用于回收其他行業(yè)余熱資源的余熱鍋爐研制，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)已制造并運(yùn)行數(shù)十臺(tái)熱管余熱鍋爐；用于燃油、燃?xì)夂兔旱穆?lián)合循環(huán)的無(wú)補(bǔ)燃、補(bǔ)燃和全燃的單壓、雙壓、三壓和再熱或不再熱的余熱鍋爐已商業(yè)化。日本已研制推廣用于各種余熱源的多種型號(hào)的余熱鍋爐，并已成批制造熱管式余熱鍋爐；干法熄焦余熱鍋爐，已成為日本鋼鐵企業(yè)中實(shí)用化節(jié)能效果的高溫余熱回收設(shè)備。

現(xiàn)在，余熱鍋爐已向高參數(shù)和全部用于發(fā)電為主要目的的方向發(fā)展。我國(guó)已開(kāi)發(fā)并制造出用于冶金、化工、建材和輕紡等行業(yè)的余熱鍋爐。但縱觀我國(guó)余熱鍋爐成套產(chǎn)品的技術(shù)水平，與國(guó)外先進(jìn)的同類產(chǎn)品相比，尚有一定差距，尤其是自控水平仍比較落后，積灰清理效果差，配套輔機(jī)質(zhì)量差，尚有待業(yè)內(nèi)繼續(xù)探索。

2 熱水余熱資源的計(jì)算

煙廠所用的余熱鍋爐的余熱資源，是來(lái)自壓縮機(jī)的溫度為140℃、流量為53 t/h的飽和水。其余熱資源的參數(shù)如表1所示。

表1140℃飽和水的余熱資源具體參數(shù)

冷卻水的余熱量QW。

式中，

QW——冷卻水的余熱量（kW）；

GW——冷卻水用量（kg/s）；

lW——冷卻水的出水溫度（℃）

cW——冷卻水的比熱(kJ/（kg·℃）)

對(duì)140℃的飽和水來(lái)說(shuō)，代入數(shù)據(jù)得

Q140=53×103×140×4.328=32×106（kJ/h）=8907.6（kW）

表2 蒸汽的參數(shù)表

煙廠壓縮機(jī)廢氣余熱，是一種低溫的余熱資源。壓機(jī)的余熱如直接排放，不僅浪費(fèi)了熱能，而且污染環(huán)境。原來(lái)該廠的冷卻水排放到環(huán)境中，在廠區(qū)中的小河常年煙霧繚繞，能源浪費(fèi)現(xiàn)象一目了然。

3 余熱鍋爐的熱力學(xué)計(jì)算

3.1 余熱鍋爐煙氣回收的余熱量

（1）加熱爐進(jìn)口煙氣的總余熱量Qi。

其中，

Qi——加熱爐進(jìn)口煙氣總余熱量（kW）；

α ——加熱爐煙氣冒頂損失系數(shù)，一般取0.9；

Vi——加熱爐入口的煙氣體積（m3/h）；

ti——加熱爐入口煙氣平均溫度（℃）；

Ci——加熱爐入口在溫度為ti時(shí)，煙氣的平均比熱(kJ/（m3·℃）)。

（2）加熱爐出口煙氣的總余熱量Q0。

其中，

Q0——加熱爐排出煙氣總熱量（kW）；

t0——加熱爐排煙平均溫度（℃）；

C0——加熱爐出口在溫度為t0時(shí)，煙氣的平均比熱(kJ/（m3·℃）)。

（3）余熱鍋爐可回收利用的煙氣余熱量ΔQ。

3.2 余熱鍋爐的水吸熱量

回收得到的熱量，可視為進(jìn)出口流體的焓差。進(jìn)入水的溫度為20℃，出口蒸汽為1 MPa的飽和蒸汽。

查表的焓值：

h0'=2777.7（kJ/kg）；

hi'=83.96（kJ/kg）。

每kg水吸收的熱量為

q'=h0'-hi'=2 777.7-83.96=2 693.74（kJ/kg） （4）

余熱鍋爐的效率與排煙溫度的關(guān)系如圖1所示，本文選取的鍋爐，當(dāng)排煙溫度為100℃時(shí)，鍋爐的效率為93.3%。

Q水=η Q=46 966.43（kW）

余熱鍋爐蒸發(fā)量為

圖1 余熱鍋爐排煙溫度與鍋爐效率的關(guān)系圖

3.3 余熱鍋爐經(jīng)濟(jì)性核算

余熱回收所需的受熱面積，如下式所示

式中，

假定W、k為常數(shù)，引入無(wú)因次受熱面積α；

圖2 受熱面積、設(shè)備成本、蒸發(fā)量、設(shè)備投資效益與煙氣出口溫度的關(guān)系

設(shè)備成本與受熱面之間的關(guān)系為

c——設(shè)備成本；

a——受熱面積；

α、β——常數(shù)由余熱鍋爐形式?jīng)Q定。

由上圖可知，單位蒸發(fā)量所需的設(shè)備成本（c/s）隨煙氣出口溫度t2溫度變化有一個(gè)最小值，與這個(gè)最小值相對(duì)應(yīng)的，是最經(jīng)濟(jì)的煙氣出口溫度，該值約為（ti-t0'）的25%。最經(jīng)濟(jì)的排煙溫度約為70℃，但由于煙氣露點(diǎn)溫度和設(shè)備的限制，選擇的排煙溫度為100℃。

4 余熱鍋爐的分析

4.1 余熱鍋爐的分析計(jì)算的基礎(chǔ)

為了確定能系統(tǒng)中（進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換或交換的系統(tǒng)）個(gè)別設(shè)備或整個(gè)裝置能量損失的性質(zhì)、大小、分布及探求提高能量利用率的方向和措施，其方法一般可分為兩種：能量分析法和分析法。

（1）能量分析法。又稱為“能效率法”，其特點(diǎn)是依據(jù)熱力學(xué)第一定律（僅從能量的數(shù)量出發(fā)）分析揭示裝置或設(shè)備在能量數(shù)量上的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失的情況，故此法亦稱“第一定律分析法”。其主要計(jì)算是對(duì)裝置或設(shè)備進(jìn)行“能量平衡”（又稱熱平衡）的計(jì)算。主要熱力學(xué)指標(biāo)為ηt，定義為

ηt=（收益的能量）/（消耗的能量）=（消耗的能量-能量的損失）/（消耗的能量）（10）

ηe=（收益的）/（消耗的）=（消耗的-的損失）/（消耗的）（11）

由此可見(jiàn)，能量分析法只能反映能量利用的總效果，不能反映其熱力過(guò)程的完善程度。為了準(zhǔn)確地揭示系統(tǒng)及其各設(shè)備熱力過(guò)程的完善程度，找出影響系統(tǒng)性能的薄弱環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)的改進(jìn)和熱經(jīng)濟(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化操作做明確的方向，就必須對(duì)所研究的系統(tǒng)進(jìn)行分析。

當(dāng)比熱CP取常數(shù)計(jì)算時(shí)，

通常燃?xì)廨啓C(jī)排氣壓力，稍微高于環(huán)境的壓力。計(jì)算表明，對(duì)大型燃?xì)廨啓C(jī)的排氣壓力，約為占煙氣總的1%。而且對(duì)聯(lián)合循環(huán)來(lái)說(shuō)，燃?xì)廨啓C(jī)排氣壓力，主要用于克服煙氣的流動(dòng)阻力，而不是對(duì)外做功，對(duì)煙氣的計(jì)算，可僅考慮溫度。目前排煙溫度通常在400～500℃之間，煙氣比熱可近似視為常數(shù)，因此可用上式計(jì)算其比。

由式e=(h-h0)-T0(s-s0)進(jìn)行計(jì)算。

4.2 余熱鍋爐的回收熱力學(xué)過(guò)程分析

圖3 余熱鍋爐的平衡

平衡方程為

損失系數(shù)為

5 結(jié)束語(yǔ)

余熱回收系統(tǒng)僅利用了煙廠的部分蒸汽余熱，但是為余熱的有效利用開(kāi)拓了新的途徑。余熱利用技術(shù)能提高能源的使用效率，減少對(duì)環(huán)境的污染，因而受到全社會(huì)的推崇，但在技術(shù)措施和經(jīng)濟(jì)核算方面，仍需做進(jìn)一步的探索。

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