工业锅炉设计中的环保问题及体现分析

郑伟伟

【摘要】我国近些年的发展和工业锅炉具有密切的关系，通过几十年的发展，工业锅炉开始进入到各个领域。我国属于煤炭大国，工业锅炉直接关系到煤炭消费，工业锅炉达到全国总煤炭出产的一半，虽然利用煤炭非常多，但是煤炭利用率却比较低，使用煤炭的过程中却是在浪费能源。在经济发展过程中加剧了环境污染，尤其是废气排放方面比较严重，大幅度降低了我国的空气质量，是造成我国近些年雾霾的主要原因之一。当前工业锅炉在我国市场当中占据的份额已经比较重，合理的设计工业锅炉及其系统可以实现节能减排，满足环保和安全方面的需求，这也是当前主要的发展形势。本文主要论述了工业锅炉设计中的环保问题，在工业发展过程中发挥着非常重要的作用。

【关键词】工业锅炉 设计 环保问题

工业锅炉简单来说就是一种加热装置，主要就是在工业原料的加工和制造过程进行利用。工业锅炉在我国发展的时间非常长，对于我国的发展起到很大的作用，我国属于发展中国家，工业锅炉属于我国重要的热力设备。在技术方面我国和发达国家仍旧存在一定的差距，在环保和煤炭利用率方面的差距更是巨大。我国属于人口大国，因为污染物和废气的高排放量，严重威胁到我国公民的人生安全。我国不仅能源利用率比较低，资源方面也相对比较短缺，在这些矛盾冲突下，需要采取有效的措施该机设计工业锅炉。

一、工业锅炉的设计规范和要求

设计工业锅炉的过程中，需要以国家规定的相关标准为基础，实现技术整改，主要就是为了将劳动条件进行改善，前提条件就是保障安全，主要的發展方向就是利用资源和保护环境，保证锅炉可以实现安全生产，利用先进的技术满足经济要求。设计锅炉的过程中首先需要满足近期工作需求，利用长远的发展需求合理利用各种资源。

二、工业锅炉在环保方面的问题

（一）高热量高污染问题

工业锅炉的容量比较小，其热效率比较低。近些年我国不断提升了热电联产项目水平，但是在总体上看，小容量锅炉的比重仍旧比较高，但是大多数锅炉的运行负荷比较低，产生不完全燃烧的情况，增大了热损失，严重影响运行效率。大部分燃煤工业锅炉使用的煤炭都是没有进行过预处理，无法保证其粒度和热值等。工业锅炉通常以层燃为主，但是缺乏适应性，如果煤种发生变化，锅炉的运行特性也会发生改变，影响了锅炉运行效率。

工业锅炉的排烟温度比较高，会产生很大的污染，企业利用的有机热载体锅炉，其燃烧方法通常就是层燃，排烟温度可以大于300℃以上，会排放大量的二氧化氮、二氧化碳等，严重污染到环境，出现严重的热量流失。

（二）自控装置的水平比较低

锅炉运行自控装置的工作水平比较低，当前利用的工业锅炉通常都没有设置检测仪表，操作人员将锅炉燃烧工况和负荷变化在实际调整的过程中，无法及时掌控具体的数据，无法结合负荷的实际变化对于锅炉运行工况进行调整，这样就会限制了锅炉和电机的运行效率，导致浪费的情况比较严重。

（三）能源浪费情况比较严重

当前我国能源浪费的情况比较严重，我国能源结构的主体就是煤炭，其主导产品就是燃煤工业锅炉，这也是我国主要的煤烟型污染源。当前我国燃煤工业锅炉占据的比例非常高，主要是在工业动力和建筑采暖等领域当中利用工业锅炉，每年都会损耗煤炭4亿吨。我国近些年的能源还出现了短缺情况，在寻找新能源的过程中需要对于工业锅炉重新设计，使燃烧效率不断提高，使原料用量不断降低。

三、我国能源应用现状

一个国家发展的主要动力就是能源，能源直接影响到国民经济的发展。我国能源储量非常丰富，人口基数也比较，人均资源拥有量非常低。虽然我国能源储量非常丰富，但是我国仍旧需要面对开采率和利用率比较低的问题。我国开采基数和发达国家进行比较具有很大的差距，还缺乏保护意识，在实际开采阶段就造成大量的浪费。煤炭在我国是非常重要的，我国工业多数都是由煤炭支持的，这种情况是不够科学的，煤炭自身的出产量对于我国的发展也造成严重的制约，利用良好的能源结构，才可以均匀的分配能源需求。

如果过度依赖煤炭，我国工业发展也会变得畸形。由于煤炭也会造成环境污染问题，我国很少有关于废气废渣的处理装置，对于我国的空气质量和环境造成严重的影响。

我国工业的用煤量不断增长，但是产煤量却不断降低，此外也增加了有害气体，我国需要大力整顿我国的工业，首先需要整顿工业锅炉，提高能源利用效率，降低排放量。

四、工业锅炉设计中的环保措施

（一）合理化使用能源

对于小容量燃煤锅炉，由于锅炉房无法进行合理化管理，建议结合周边实际，形成集中供热的能源供给模式，形成以园区为单位的锅炉房进行统一合理化管理；若如法规模化使用能源，建议采用高热值的洁净煤或经过洗煤后使用，如果条件允许，建议改用天然气等洁净燃料，高污染低成本的经营模式迟早是要被淘汰的，正是如此，全国大范围的煤改气正在有序的进展之中。

部分领域的企业，在自身的生产中会产出部分能源，可对其加以利用。例如化工行业生产中会有多余的氢气、甲醛等，农林废弃物如秸秆、甘蔗渣等，地板家具厂加工废料等。通过对这些可利用资源的分析，设计合理的锅炉设备，并将产生的热能并入企业原先的用能设备网，代替企业部分的原化石能源所获取的热能，降低企业对化石能源的消耗，同时提高了企业的经济效益与社会效益。

（二）提高能源的使用效率

提高能源的使用效率即提高锅炉的设计及运行效率，但并不是简单的增加钢耗来获取更多的辐射及对流换热面。

对于燃煤锅炉，改善炉内配风，提高煤的燃烧率，有效减少炉渣含碳量，巧妙组织炉内燃烧动力场，使锅炉在宽煤种的范围内均可保证较好的燃烧。对于链条燃煤锅炉常用的方法有：利用分层给煤技术、类似于双人字拱的节能炉拱、合理布置炉膛内一次风及二次风等。

对于燃气锅炉，由于燃煤烟气成分灰分含量较高，一般烟气流速都有很严格的控制，以免造成对流换热面的磨损，影响其使用寿命，燃油燃气锅炉则可在烟气对流段增加烟气的流速，从而增加对流换热系数。另一方面，以天然气为燃料的锅炉烟气中水蒸汽容积成分一般为15%～19%，远高于燃煤锅炉产生的烟气中6%以下的水蒸汽含量。目前锅炉热效率均以低位发热量计算，尽管名义上热效率较高，但由于天然气高、低位发热量值相差10%左右，实际能源利用率尚待提高。为了充分利用能源，降低排烟温度，回收烟气的物理热能，当换热器壁面温度低于烟气的露点温度时，烟气中的水蒸汽将被冷凝，释放潜热，10%的高低位发热量差就能被有效利用。

对于生物质锅炉，在燃烧机理上，生物质固体燃料与煤炭很类似，但生物质燃料的挥发分由于析出温度低而易着火，直接采用燃煤锅炉改成生物质锅炉效果不理想，燃烧效率普遍较低。建议在炉膛内采用分段送风形式，在进料挥发断采用高速送風，使燃料可以充分扰动，高速空气迅速与挥发分混合发生燃烧，而在燃尽段采用低俗配风，延长燃烧时间，使碳充分燃烧，同时采用一定的技术形成炉内循环，使燃尽阶段的高温燃料回到前段充分干燥及析出挥发分。

（三）工业锅炉系统设计中的节能技术

变频调速的原理就是将交流电整流成直流电，经过平滑滤波，再经逆变回路把直流变成频率可调的交流电，使电机获得无级调速所需的电压、电流频率。采用变频调速，根据负荷的变化，由微机控制电机的转速，既能满足不同负荷条件下锅炉水位和燃烧调节的需要，又可以将阀门挡板开到最大，管路阻力减到最小，明显降低电能的消耗。使用这种方法具有效率高、调速范围大、无级调速、节能等特点。

为消除供汽锅炉负荷的较大波动，稳定供汽压力，提高锅炉的运行热效率，可在供汽系统中设置蓄热（蒸汽）装置，使锅炉连续地按满负荷或某一稳定的负荷运行。当外界用汽负荷低锅炉供汽有多余时，将热能储蓄于蓄热装置；在发生高峰负荷锅炉供汽不足时，蓄热装置释放出所蓄热能以补不足。这样就使锅炉负荷不必跟随用汽负荷的波动而变动，在相对稳定的燃烧工况下达到最佳的运行热效率。

结合实际情况，采用合适的冷凝水回收系统（开式或闭式）回收冷凝水作为锅炉的给水。提高锅炉给水温度，可大幅度降低燃料消耗，同时增加锅炉蒸发量，能适应锅炉负荷变化及减少备用锅炉使用频率；冷凝水为蒸馏水，不含污垢等固体成份，若加以回收和利用可节省大量清锅费用、水费、水处理费等相应费用；提高锅炉给水品质，使蒸汽品质提高，同时减少锅炉排污，节省能源；锅炉给水温度提高，水中含氧量减少，可避免锅炉及配管锈蚀，减少锅炉汽包的温度差，减少钢板热胀冷缩产生的热应力，延长锅炉使用寿命；冷凝水回收可减少锅炉软化水补给量，使炉内及炉外水处理费大量降低；给水与炉水温差小，锅炉给水时，蒸汽压力稳定；凝水回收利用，无蒸汽污染现象及疏水阀疏水时产生的噪音，改善工作环境。

（四）燃煤工业锅炉的脱硫脱硝

对于燃煤工业锅炉的脱硫方式主要有湿法烟气脱硫技术和干法烟气脱硫技术。湿法脱硫的主要优点是气液反应，反应速度快，脱硫效率高，一般均高于90%，技术成熟，适用面广；缺点是生成物是液体或淤渣，较难处理，设备腐蚀性严重，洗涤后烟气需再热，能耗高，占地面积大，投资和运行费用高。干法脱硫的主要优点是气同反应，相对于湿法脱硫系统来说，设备简单，占地面积小、投资和运行费用较低、操作方便、能耗低、生成物便于处置、无污水处理系统等；缺点是反应速度慢，脱硫率低，先进的可达60-80%，但目前此种方法脱硫效率较低，吸收剂利用率低，磨损、结垢现象比较严重，在设备维护方面难度较大，设备运行的稳定性、可靠性不高，且寿命较短，限制了此种方法的应用。

对于燃煤工业锅炉的脱硝方式主要有选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）。SCR的主要优点是脱硝效率高，一般为80%-95%，反应温度低（一般为250℃至420℃）；缺点是投资与运行成本高，占地面积大，除了还原剂以外，还需要碱性金属催化剂，催化剂会造成较大的系统压力损失，催化剂还会对二氧化硫及三氧化硫的氧化起催化作用，从而造成空预器的堵塞或腐蚀。SNCR的主要优点是投资与运行成本较低，占地面积小，不需要额外催化剂，系统压力损失小；缺点也很明显，脱硝效率比较低，一般为40%-60%，反应温度较高（一般为850℃至1150℃），通常在炉膛内喷射，温度场容易随锅炉运行负荷改变而改变，严重影响脱硝的效率。

（五）燃气工业锅炉低氮燃烧技术

燃气锅炉降低氮氧化物NOx排放，一般采用低氮燃烧技术，在燃烧过程中控制NOx的产生，由NOx形成原因可知对NOx的形成起决定作用的是燃烧区域的温度和过量空气量。低NOx燃烧技术就是通过控制燃烧区域的温度和空气量，以达到阻止NOx生成及降低其排放量的目的。常用的技术有燃烧工况优化、空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气外循环、烟气内循环、表面燃烧技术。

根据北京市2015年颁布的锅炉大气污染物排放标准，2017年4月1日起，新建锅炉房排放氮氧化物浓度限定值为30mg/m3，已经成为世界氮氧化物排放控制最为严格的地区，这也是作为全国锅炉排放标准一个方向性的指标。从目前改造情况来看，燃气锅炉基本采用烟气外循环的方式来进行设计及改造，也是目前最为可靠并且可行的技术，难度在于需要很强的技术实力，对控制及调试要求非常高。表面燃烧技术作为一种在国内比较新颖的低氮燃烧技术，目前国内技术尚未成熟，由于采用全预混方式，非常容易引起燃气的爆炸等安全事故。

五、结束语

工业锅炉的设计已经不是简单的设计高效换热设备，需要更加深入到工业锅炉系统并且兼顾各种环保要求，设计的产品及系统不仅要解决企业的经济效益，更要解决企业的社会效益。我国应该加强环保意识，建立环保型工业措施，建立环境友好型社会。我国工业重点不仅需要提高燃烧效率，还要做好污染治理，不仅需要促进发展，还要避免伤害到环境。

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