上海電力學院能源與環(huán)境工程學院

胡深亞 潘衛(wèi)國 姜未汀 王文歡 章 玲 周 曰

0 前言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎，能源的利用程度是反映人類進步的一個重要標志。所有工礦企業(yè)都有工業(yè)余熱，余熱屬于二次能源。工業(yè)余熱是指在生產過程中產生的，本來可以利用，但實際上被廢棄不用而排放至周圍環(huán)境的那部分熱量。

各行業(yè)的余(廢）熱總資源約占其燃料消耗總量的17%—80%，其中容易回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60%，也就是說，易回收利用的余熱資源約為燃料消耗總量10.2%—48%。工礦企業(yè)余熱主要集中在鋼鐵、石油、化工、建材、食品、電子等領域?；厥沼酂峁?jié)能的潛力是非常大的。

提高能效是最有效的節(jié)能減排手段。根據(jù)國際能源署2008年報告，節(jié)能、提高能效在減少溫室氣體排放中的貢獻率是54%。所以提高余熱利用率不僅可以使企業(yè)減少能耗，而且又能減少溫室氣體及其污染物的排放[1]。

1 中低溫煙氣余熱特點

工礦企業(yè)余熱中，煙氣的余熱占相當大的比例。煙氣余熱按溫度可分為：高溫煙氣余熱（溫度高于650℃），中溫煙氣余熱（200~650℃），低溫煙氣余熱（小于200℃）。由于高溫煙氣的熱品味比較高，利用難度相對較小，所以這部分余熱基本上都得到了利用。中低溫煙氣特別是低溫煙氣有以下特點：

1）余熱量不穩(wěn)定

余熱資源的數(shù)量不穩(wěn)定，一般是由工藝生產過程來決定的。有的生產工藝是周期性的，有的是間斷性的，有的工藝生產過程雖然連續(xù)穩(wěn)定，但也有生產的波動，這樣余熱資源的數(shù)量會出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。

2）煙氣中含塵量較大

工礦企業(yè)煙氣中的含塵量較大，而且煙塵物理、化學性質也很惡劣。會引起受熱面積灰，增加了傳熱熱阻，降低了換熱效率，也會引起受熱面磨損，影響設備的壽命。

3）煙氣中含有腐蝕性物質

中低溫煙氣中常常含有腐蝕性氣體，如二氧化硫、三氧化硫、NOx等腐蝕性氣體，會使受熱面產生低溫腐蝕，不僅腐蝕受熱面，減少設備壽命，影響正常運行，而且容易使受熱面積灰，引起煙氣通道堵塞，風機阻力增加，增加電耗。

4）煙氣的品位較低

由于中低溫煙氣的溫度較低，能級較小，做功的能力較小，根據(jù)能量匹配、能量梯極應用的原則很難找到合適的熱用戶，而且利用這部分的能量相對來說成本較大，資金回收周期長，制定方案時應綜合考慮投資與回收之間的關系。

以上這些煙氣特點對于余熱的回收和利用產生了很大的影響，使得很多工礦企業(yè)直接排放了較難利用的余熱，由于中低溫余熱資源數(shù)量非常巨大，而且分布范圍極其廣泛，所以解決好上述問題，合理回收中低溫煙氣余熱，對于企業(yè)的節(jié)能降耗有很重要的意義。

2 中低溫煙氣余熱利用的防腐蝕措施

2.1 低溫腐蝕的機理

中低溫煙氣進入低溫受熱面后，其中的水蒸汽由于煙溫降低或接觸溫度較低的受熱面而發(fā)生凝結。煙氣中水蒸汽開始凝結的溫度為水露點。純凈的水蒸汽的露點決定于它在煙氣中的分壓力，水蒸汽的露點通常低達45~54℃。一般排煙在100℃以上，不易發(fā)生低溫受熱面結露。但是實際煙氣中都會含有二氧化硫，其中一部分會進一步氧化為三氧化硫，三氧化硫與煙氣中的水蒸氣結合則成硫酸蒸汽。煙氣中硫酸蒸汽的凝結溫度稱為煙氣的酸露點。它比水露點要高得多[2,4-6]。酸露點的提高主要與煙氣中三氧化硫和水蒸汽的含量有關，而二氧化硫含量則對酸露點影響很少，據(jù)文獻[7]報道，二氧化硫濃度在相當大的范圍內，露點的波動范圍不到1℃，可以忽略二氧化硫的影響，所以影響煙氣中酸露點的溫度因素主要為三氧化硫濃度及水的含量[8]。

根據(jù)研究結果，煙氣中只要有0.005%左右的三氧化硫，煙氣的酸露點溫度即可高達150℃以上。但當硫酸蒸汽含量達0.01%以上時，煙氣的露點提高就不多了。

2.2 影響低溫腐蝕的因素

1）煙氣中三氧化硫濃度的影響

煙氣中三氧化硫濃度越高，則三氧化硫分壓力越高，煙氣的酸露點就越高，余熱回收過程中越容易結露，從而造成低溫腐蝕。在燃燒固體燃料時，煙氣中帶有大量的飛灰粒子?；伊Ｗ雍锈}和其他堿金屬的化合物，它們可以部分地吸收煙氣中硫酸蒸汽，從而降低它在煙氣中的濃度。所以在收到基折算含硫量相同的情況下，燃油所產生的煙氣比燃煤所產生的煙氣更易發(fā)生低溫腐蝕。

2）換熱器管壁溫度的影響

在發(fā)生低溫腐蝕的情況下，金屬壁溫有兩個嚴重腐蝕區(qū)，即在酸露點以下20~45℃及水露點以下的區(qū)域，在兩個嚴重腐蝕區(qū)之間存在一個腐蝕較輕的區(qū)域，為防止受熱面產生嚴重腐蝕，必須通過運行參數(shù)調整，改變換熱器的管壁溫度，使其避開這兩個嚴重腐蝕區(qū)。

3）煙氣中水蒸汽的分壓力的影響

在同樣的條件下，煙氣中含有的水蒸氣越多，煙氣的酸露點將會越高，在實際運行過程中越容易發(fā)生低溫腐蝕。

4）煙氣中鈣量對影響

煙氣中鈣含量增加，將大大降低發(fā)生低溫腐蝕。其原因在于當煙氣中的氧化鈣含量較多時，它能與三氧化硫化合成硫酸鈣，從而降低了煙氣中的三氧化硫的濃度，也降低了硫酸蒸氣的濃度，降低了煙氣的酸露點的溫度。

2.3 防腐蝕的措施

低溫腐蝕不僅影響了設備的正常運行效率，還且還嚴重影響了設備的壽命，文獻[10]中某余熱鍋爐受熱面發(fā)生低溫腐蝕后，受熱面處有很多積灰，而且需敲擊才能脫除，在受熱面低溫段，該處φ6mm的針肋已腐蝕成φ1.5mm。所以在余熱利用的過程中不僅要盡可能地利用這部分余熱，而且還要制定防止腐蝕的措施，防止或減小低溫腐蝕的發(fā)生。

1）合理控制換熱器管壁溫度

確保受熱面最低管壁溫度要高于煙氣酸露點溫度。當管壁溫度低于露點時，可將冷、熱流體的流動從逆流改為順流。增加進口流體的進口溫度，通過利用流體的再循環(huán)或者設置進口流體預熱器來實現(xiàn)，如空氣預熱器暖風機。這些措施雖然使換熱器的熱效率有所下降，但是可以有效的防止低溫腐蝕。

可以看出，ARCH和GARCH項都是高度顯著的，因此收益率序列具有明顯的波動集聚性。其中ARCH和GARCH項的系數(shù)之和為0.98，小于1，說明收益率條件方差序列是平穩(wěn)的，模型具有可預測性。[5]

對于常規(guī)的換熱器，文獻[11]通過調整再循環(huán)門開度，來改變進入換熱器的給水量，從而改變換熱器中的換熱量來控制換熱器的管壁溫度，從而既充分利用煙氣余熱又能避免低溫腐蝕問題。流程圖如圖1所示。

對于熱管換熱器，利用熱管作為回收余熱的設備，在設計過程中，可根據(jù)煙氣的特性及成份適當調整熱蒸發(fā)段和冷凝段的長度，從而調整冷熱兩段的面積，調整冷熱兩段翅片間距、數(shù)量等辦法來調整煙氣側與空氣側的熱阻比，從而調整了煙氣側管壁的溫度。使煙氣側管壁溫高于煙氣的酸露點溫度，從而避免了受熱面的低溫腐蝕[12]。

圖1 某廠余熱利用系統(tǒng)圖

2）采用耐腐蝕材料的換熱器如（ND鋼、搪玻璃鋼等）或在換熱器的表面涂上防腐蝕材料，對換熱器金屬表面進行滲鋁、滲鉻處理。但是每一種方案都有各自的優(yōu)缺點，應綜合比較選擇適合的防腐蝕材料。

文獻[13]中利用塑料薄膜材料作為換熱器的防腐蝕材料來回收電廠鍋爐排煙余熱，使這些余熱加熱汽輪機的凝結水，代替了兩個低壓加熱器，減少了汽輪機中的抽汽，這樣一方面增加了汽輪機做功，另一方面提高了鍋爐的熱效率，并且通過對煙氣中的冷凝液進行回收處理，可以減少煙氣中二氧化硫、三氧化硫等酸性氣體的排放，另外塑料薄膜材料熱阻符合傳熱的標準，經過改造后的電廠標煤耗比未改造的電廠標煤耗下降近4g/kWh，節(jié)能效果相當顯著。改造系統(tǒng)流程見圖2。

圖2 利用塑料薄膜回收電廠鍋爐排煙余熱流程圖

3）利用吹灰器及時清除受熱面積灰[14]，因為當受熱面積灰時，換熱熱阻將會增大，管壁溫度將會下降，很容易低于露點，造成表面的腐蝕，當及時吹灰時，即強化了傳熱效果，而且也提高了受熱面的管壁溫度，減輕了低溫腐蝕。

4）煙道采用密封裝置，如果煙道處的密封不好的話，外界的冷空氣會大量地漏入煙道內，使煙氣中的含氧量和水蒸汽的含量增加，導致硫酸露點上升，增加了受熱面腐蝕的可能性。另外，在漏入空氣的局部地方煙溫會降低，有可能形成硫酸蒸汽煙霧，容易與管壁上的積灰生成硫酸鹽，這會加速對受熱面的腐蝕。

3 中低溫煙氣余熱利用方式探討

3.1 中低溫煙氣余熱利用原則

中低溫煙氣余熱由于其余熱溫度低，品質能級較低，余熱回收的方式主要分為兩類：熱利用（直接利用）和動力回收（間接利用）。根據(jù)“按質用能、能級匹配”的原則[16]，當輸入余熱的能級小于0.5時，余熱回收已經不再適用于純動力利用，此時純動力利用比純熱利用要合理。

余熱的熱利用可以預熱助燃空氣，預熱燃料，產生蒸汽并入網管，也可以通過蓄熱相變材料（PCM）將熱量先儲存起來后用卡車將余熱運輸?shù)较鄳臒嵊脩籼帲M行移動供熱，要根據(jù)生產現(xiàn)場余熱情況和熱用戶的情況選擇最佳的熱用戶[17]。

有的余熱資源，比如某燒結廠利用余熱鍋爐產生低壓蒸汽，在冬季采暖季節(jié)，低壓蒸汽的需求量較大，而到夏季非采暖季節(jié)，蒸汽用量非常小，很多的蒸汽進行放散，甚至停開余熱鍋爐，余熱沒有得到充分利用，造成能量的浪費。這時，提供以下兩個建議：

1）安裝小型汽輪發(fā)電機，在冬季采暖的時候產生蒸汽，進行供熱，而在夏季非采暖季節(jié)，則用汽輪機進行發(fā)電，緩解夏季用電壓力。

2）利用這部分余熱進行吸收式制冷，節(jié)約常規(guī)制冷機所需要的電能?？梢詫崿F(xiàn)在冬季進行供暖，而在夏季實行制冷，節(jié)能效果明顯。

3.2 不同性質煙氣的利用方式

在工礦企業(yè)中，存在著很多的中低溫煙氣余熱，但只有一小部分煙氣余熱是得到利用的，而大多數(shù)的中低溫煙氣的余熱是未經過利用而直接排放，造成了很大的能源浪費。這不僅是由于中低溫煙氣余熱的能級較低，適合的熱用戶較少，回收成本較大，還有一個重要的原因是煙氣中含有粉塵、二氧化硫、NOX等雜質，嚴重制約了中低溫煙氣的余熱利用。所以在中低溫煙氣余熱利用的過程中要綜合考慮煙氣的溫度，煙氣的成分，熱用戶具體情況、投資成本等因素來設計出最佳的煙氣余熱利用方案。

如果是燃氣鍋爐的煙氣，因為其含硫量較低，而且煙氣中含有大量的水蒸汽，所以可以用換熱器或余熱鍋爐將煙氣冷凝下來，含硫量很少，所以受熱面腐蝕很小，而且可以充分利用煙氣中水蒸汽的汽化潛熱，余熱可以得到深度利用。

如果煙氣中含有粉塵、三氧化硫等雜質，在余熱利用的過程中，要做好防止腐蝕、防止積灰的措施，比如控制管壁溫度大于煙氣的酸露點溫度，控制好煙氣流速，安裝吹灰器，使用有防腐材料的換熱器。

如果中低溫煙氣余熱資源周圍沒有熱用戶，而在周圍10km之內酒店、醫(yī)院、浴室等單位需要熱量，如果單獨鋪設供熱管道進行供熱很不經濟，可以利用移動供熱的方式，將煙氣余熱傳遞給這些熱用戶[17]，或者產生蒸汽進入汽輪機進行發(fā)電。

4 結論

（1）在節(jié)能減排、低碳經濟的大背景下，充分利用工礦企業(yè)的中低溫煙氣余熱具有非常重要的意義，而中低溫煙氣余熱的能級、其煙氣的性質及熱用戶的特點嚴重制約了中低溫煙氣余熱利用，特別是煙氣中含有腐蝕性氣體，掌握低溫腐蝕的機理及做好防腐蝕措施是非常關鍵的。

（2）根據(jù)煙氣的具體特點，熱用戶的實際情況、投資成本等要素，選擇最佳的余熱利用方案。例如，燃氣煙氣中基本不含有二氧化硫的情況下，則不需要考慮低溫腐蝕，深度利用煙氣作余熱，更經濟更安全地回收煙氣的余熱，為余熱利用提供了更好的發(fā)展方向。

[1]齊亞超.余熱利用待解能效難題 [N].中國能源報,(節(jié)能減排).2009.

[2]車得福,劉艷華.煙氣熱能梯級利用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.

[3] 曹玉婷.鍋爐的低溫腐蝕及預防措施[J].能源技術,1996(2):13-14.

[4]岑可法等.鍋爐和熱交換器的積灰、結渣、磨損和腐蝕的防止原理與計算[M].北京:科學出版社,1994.

[5]車得福.冷凝式鍋爐及其系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[6]陳裝.鍋爐低溫腐蝕的因素分析及其防護措施[J].中國高新技術企業(yè),2009(10):49-50.

[7] 李彥,武彬.SO2,SO3和H2O對煙氣露點溫度影響的研究 [J].環(huán)境科學學報,1997,17(1):126-130.

[8]Bahman ZareNezhad AliAminian.A multi-layer feed forward neural network model for accurate prediction of?ue gas sulfuric acid dew points in process industries [J]. Applied Thermal Engineering,2010,30(6-7):692-696.

[9]劉紀福,白榮春,山本格.實用余熱回收和利用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,1993.

[10]黃飛,王洪云.余熱鍋爐受熱面低溫腐蝕分析[J].鍋爐技術,2000,31(7):18-20.

[11]武勇,康達,李永星,等.某電廠鍋爐排煙余熱利用系統(tǒng)改造[J].鍋爐制造,2009(3):4-6.

[12]王斌斌,仇性啟.熱管及其換熱器在煙氣余熱回收中的應用[J].工業(yè)加熱,2006,35(5):37-41.

[13]姜媛媛,周少祥,周惠.煙氣余熱利用及脫硫的新方案[J].石油石化節(jié)能,2008,19(3):10-13.

[14]舒邦春.加熱爐余熱回收系統(tǒng)腐蝕狀況調查及預防 [J].石油化工腐蝕與防護,2005,22(1):60-62.

[15]Doherty P.S.,Srivastava N.,Riffat S.B.,等.Fluegassorptionheatrecoveryexperimental test and modelling results[J].Journal of the Energy Institute,2006,79(1).

[16]楊東華. 分析和能級分析 [M].北京:科學出版社,1986.

[17]Nomura Takahiro,Okinaka Noriyuki,Akiyama Tomohiro.Waste heat transportation system,using phase change material (PCM)from steelworks to chemical plant [J]. Resources,Conservation and Recycling,2010,54(11):1000-1006.