小型工业锅炉烟气余热利用新技术

杨群峰，曹 颖，董 哲，谭兆强

(山东省特种设备检验研究院 济宁分院，山东 济宁272025)

0 引言

当前，我国正在改变以往简单地从能源供给侧考虑满足能源需求的状况，将节能作为满足能源需求的一个组成部分［1］。因此，对现有高耗能设备的节能改造具有重要意义。

小型工业锅炉由于设计效率低、用户的运行管理水平差和节能意识不强等原因，实际运行效率与大型工业锅炉有显著差别［2］。目前，小型工业锅炉在许多行业得到了广泛应用，数量众多。以济宁地区为例，在用锅炉近1千台［3］，其中小于等于4蒸吨的工业锅炉为705台，大于4蒸吨为257台，而以煤为燃料的工业锅炉约占在用锅炉总数的96%。

我们在检验工作中发现，很多排烟温度设计值为160℃的锅炉，实际排烟温度都接近200℃，小型工业锅炉排烟温度会更高。小型工业锅炉在使用中，通常是间断给水，运行工况差异较大，这就对锅炉的节能改造提出了更高的要求。目前，多数工业锅炉用煤的含硫量都小于1%(济宁地区锅炉用煤的含硫量一般为0.6%)，只要其排烟温度不低于130℃，尾部受热面就不会发生低温腐蚀［4］，因此烟气余热利用的空间很大。目前，余热利用设备多种多样［5］，但很难找到适用于小型工业锅炉运行状况、投资少、见效明显、简单易用的改造方案。针对这种状况，我们研制了应用于小型工业锅炉的余热利用新技术。

1 有省煤器锅炉的余热利用技术

1.1 改造工艺及数据

该技术是对已有专利［6］的应用。图1为其系统图，图2为应用实例。改造后的烟气流程为:

图1 燃煤工业锅炉节能装置系统图(有省煤器)

图2 节能装置应用实例

炉膛→对流受热面→省煤器→无压换热器→除尘器→引风机→烟囱

供水流程为:

水处理→水箱→无压换热器→水泵→省煤器→锅筒

根据工业锅炉经常间断式给水的特点，设计上使水泵与启闭阀联动。当水泵启动时，启闭阀自动关闭，切断换热器与水箱之间热水管的通路，使水箱中的水经过无压换热器被吸入水泵，经水泵进入省煤器;当水泵停用时，启闭阀打开，水箱通过冷水管、热水管与无压换热器形成闭路系统，利用水箱中水的蓄热能力，通过自然循环冷却换热器，降低排烟温度。

我们选取了一台型号为KHSS0.5－0.7－AⅡ的卧式锅炉进行改造。该锅炉采用引风机进行强制通风，使用压力为0.5 MPa，设计效率为70%。无压换热器采用立式直水管，错列布置。安装上为保证自然循环能有效建立，使水箱底部高于换热器顶部［7］。经计算［8］，换热面积为3.9 m2，阻力为23 Pa，换热器出口水温为50.8℃，排烟温度为173℃。改造前后稳定工况下测量的数据如表1。

可以看出，锅炉排烟温度下降了34℃。省煤器出口水温提高了28℃。

在低负荷间断给水的工况下，无压换热器出口的水温一直在45℃到60℃之间，水箱温升明显。

1.2 数据分析及结论

(1)实现了预期的节能效果。由于实际烟气焓值和计算用烟气焓值有一定偏差;设计时，未考虑省煤器进水温度升高后，平均温压降低，省煤器换热量下降的情况，造成省煤器出口烟气温度上升了7℃，实际排烟温度比计算值高了16℃。根据现有数据情况，可以将改造前测试的排烟温度增加一个经验数值予以修正，来减少设计计算与实际情况的差异。

(2)无压换热器的烟风阻力对锅炉运行的影响可以忽略。

(3)无压换热器的应用提高了省煤器的出口水温，只要选择合理，仍然有足够的安全余量，能避免省煤器出口处出现沸腾现象。本例中省煤器出口水温比0.5 MPa下的饱和水温低67℃。

(4)工业锅炉常用给水泵耐热温度上限为80℃［9］(本例中给水泵入口最高水温为60℃)，有足够的裕量。使用情况也表明，改造后对原有水泵运行无不利影响。

(5)在低负荷间断给水的工况下，锅炉多利用的热值包括给水期间正常换热获得的热量，还包括在停泵期间，换热器和水箱中的水因自然循环通过换热器多吸收的热量，因此锅炉效率的提高值比稳定工况要高。该工况下，水箱有蓄热功能，因此应有足够的容水量，以减缓水箱中水的温升速度，使下次给水泵运行时，进入水泵的水温不会太高。

2 立式锅炉的余热利用技术

2.1 改造工艺及数据

立式锅炉一般是自然通风，不设置省煤器。当增加无压换热器后，换热器位置较高，而水箱一般安装位置通常都低于换热器，为解决该问题，我们对上述专利进行了改进。目前，改进后用于立式锅炉的余热节能技术已获得专利授权［10］。图3为其系统图，图4为横水管结构的无压换热器。改造后的烟气流程为:

图3 立式锅炉节能装置系统图(无省煤器)

图4 立式锅炉用换热器

炉膛→炉排管→横水管→冲天管→无压换热器→烟囱

供水流程为:

水处理→无压换热器→水箱→水泵→锅炉本体

由于锅炉在使用时，经常间断式给水，水处理设备也经常间断运行，为避免换热器干烧，在换热器上部受热面设计有温度测点，同时增加了旁路系统。在水处理设备停止上水后，可以通过旁路系统利用水箱中的水冷却换热器，避免其过热。同时能有效地降低排烟温度，利用烟气余热。

我们选取了一台型号为LSC0.5－0.4－AII的立式锅炉进行改造，该锅炉为自然通风，使用压力为0.3 MPa，设计效率≥65%。无压换热器采用横水管，错列布置。经计算［8］，换热面积为3.5 m2，烟气阻力为28 Pa(如采用热管设计阻力会更小)，换热器出口水温为52.4℃，排烟温度为230℃。改造后稳定工况下测量的数据如表2。

表2 改造后数据(软水给水温度为20℃，水处理连续上水)

可以看出，锅炉排烟温度下降了46℃，换热器出口水温提高了34℃。

在水处理设备停止上水后，旁通管打开，锅炉仍在运行的20 min时间里，无压换热器的出水温度由54℃升至70℃，水箱温度由42℃上升至51℃。

2.2 数据分析及结论

(1)实际情况和计算结果基本接近，排烟温度与设计值相差8%。

(2)未发现串烟现象，新增设备的烟风阻力对锅炉运行的影响可以忽略。实际使用中可以增加一节烟囱，以提高自生通风力，也有利于炉内煤炭的燃烧。

(3)给水泵入口最高水温为51℃，与水泵耐热温度上限80℃比，有足够的裕量。

(4)立式锅炉改造前排烟温度较高，在排烟温度的设计选取上，应低一些，使改造后的排烟温度不高于230℃［11］。

(5)水处理设备停用期间，水箱有蓄热功能，因此要足够的容水量，才能有效的延缓换热器温升至下一次水处理设备开启。

3 投资与回收周期

以上述KHSS0.5－0.7型锅炉为例，其节煤率为4.3%，改造前其每小时煤耗为83 kg。以一天运行10 h，全年运行300天计算，年节煤量为:10×300×83×4.3%=10 707 kg=10.7 t。按目前市场价格节约资金约1万元。该装置制造和安装总费用为5 097元。回收周期约为半年。

对于长期24 h生产的锅炉，节能效果更为明显。在一台4蒸吨锅炉上，将排烟温度降低40℃(目前在用锅炉中运行时间较长的4蒸吨锅炉，排烟温度都在200℃左右，新出厂的锅炉也在170℃)，节煤率将在3%以上，换热器制造费用在2万元左右，安装费用约为1万元左右。如果按全年运行300天计算，年节煤量为632.5×24×300×3%=136 620 kg=136.6 t，市场价值约为13万元。回收周期不到3个月。

4 小型工业锅炉余热利用新技术的特点

(1)采用了无压设计，设备制造成本有效降低，也有利于现场改造的实施。换热后的介质进入原系统给水泵的入口，避免了新设备承压爆炸的危险，保证了安全性。

(2)对于有省煤器的锅炉，省煤器出口水温会升高，但不会使省煤器出口出现汽化现象，对锅炉的安全运行没有影响。

(3)有效地利用水箱中的水的蓄热能力，在锅炉停止给水后，继续吸收烟气余热，降低排烟温度，达到了冷却换热器、提高水温、吸收余热、节约能源的目的。

(4)试验证明，采用该技术改造后，对整个锅炉烟风阻力基本没有影响。

5 结束语

小型工业锅炉烟气余热利用新技术基本覆盖了燃煤小型工业锅炉的主要类型，在未改变原有设备基本结构的基础上，通过简单改造，获得了满意的节能效果。目前，该技术已经成功地应用于十多家单位，由于给水温升明显，设备投资少，回收周期短，操作人员也无需培训，取得了用户的一致认可，推广应用前景较好。

［1］林伯强.中国能源战略调整和能源政策优化研究［J］.电网与清洁能源，2012(1):1－3.

［2］张科，余德祖.我国工业锅炉行业现状及发展［J］.中国锅炉压力容器安全，2004(2):17－21.

［3］山东金质特种设备管理系统［CP］.济南:山东金质信息技术有限公司，2009.3.

［4］王凤荣.关于锅炉烟气露点温度计算的探讨［J］.锅炉技术，1997，(6):19－20.

［5］连红奎，李艳，束光阳子，等.我国工业余热回收利用技术综述［J］.节能技术，2011，(3):123－128，133.

［6］杨群峰，曹颖，谭兆强.燃煤工业锅炉节能装置:中国，ZL200920226226.8［P］.2010－5－19.

［7］JB/T 8659－1997热水锅炉水动力计算方法［S］.

［8］冯俊凯，沈幼庭.锅炉原理及计算［M］.2版.北京:科学出版社，1992，7.

［9］GB 5659－85多级离心水泵技术条件［S］.

［10］杨群峰，董哲，陈瑞广.立式锅炉余热节能利用装置:中国，201120477049.8［P］.2011－11－25.

［11］TSG G0002－2010锅炉节能技术监督管理规程［S］.