工业锅炉燃烧烟气余热回收技术研究

马成虎,马小兰,马龙龙

(宁夏奇点新动力科技有限公司,宁夏 银川 750000)

工业锅炉是大型工业生产中常见的能源消耗设备,其燃烧过程中产生的烟气含有丰富的热能,然而传统的锅炉系统中这部分烟气余热往往被直接排放到大气中,造成了能源的浪费和环境污染。为了有效利用工业锅炉燃烟气中的余热,提高能源利用效率并减少环境污染,研究和开发燃烟气余热回收技术显得尤为重要。本论文旨在对工业锅炉燃烟气余热回收技术进行深入研究,探索有效的余热回收方式和优化方法。通过回收烟气中的余热,可以实现能源的再利用,提高工业锅炉的能效,降低能源消耗,减少温室气体的排放,对于实现可持续发展具有重要意义,期望能够为工业锅炉燃烟气余热回收技术的发展提供新的思路和方法,为工业生产提供可持续、高效的能源利用解决方案,促进工业的可持续发展和环境保护。

1 工业锅炉燃烧烟气利用现状分析

(1)直接排放浪费能源:工业锅炉是工业生产中的主要燃料转化设备,具有较大的燃煤量。

传统的工业锅炉系统中,燃烧后的烟气中的余热往往直接排放,造成了能源的浪费。大量的热能未能得到有效回收利用,导致能源利用效率低下[1]。

(2)环境污染问题:工业锅炉燃烧烟气中含有多种有害气体和颗粒物,包含一氧化碳、氮氧化物以及硫氧化物,除此之外,工业锅炉燃烧的烟气中还含有大量的有机物以及微量元素,直接排放到大气中会对环境造成污染,加剧大气污染和温室效应,对人类健康和生态环境造成负面影响[2]。

(3)法规和环保压力:随着环保意识的增强和环境法规的日益严格,各国政府对于工业排放的限制和控制力度不断加大。工业企业需要承担更多的环保责任和压力,加强对烟气排放的控制和治理。

(4)技术挑战和经济成本问题:尽管已经有一些烟气余热回收技术被应用于工业锅炉系统中,但仍然存在技术挑战和经济成本问题。例如,一些技术的设备投资和运维成本较高,技术可行性和经济性有待进一步研究和改进[3]。

综上所述,工业锅炉燃烧烟气的利用在某些领域已经取得了一定的进展,但仍然存在一系列挑战和问题需要解决。进一步研究和开发高效、可持续的烟气余热回收技术,促进工业锅炉系统的能源利用效率和环境友好性的提升,具有重要的现实意义和发展潜力。

2 工业锅炉燃烧烟气的特性和能量分布

2.1 燃烧烟气特性

工业锅炉可以使用多种类型的燃料,如煤炭、天然气、石油、生物质等。不同燃料的燃烧产生的烟气成分和特性不同,例如煤炭燃烧产生的烟气中含有较高的灰分和硫氧化物。燃烧过程的调控方式和燃烧设备的设计对烟气的特性和能量分布有着重要影响[4]。燃烧过程中的燃料供给、空气供给和燃烧温度等参数的控制将直接影响烟气中各种组分的生成和含量。工业锅炉的炉膛结构也会影响烟气的特性和能量分布。炉膛的形状、尺寸和传热方式将直接影响烟气中的温度分布和热量转移效率。此外,由于工业锅炉通常配备烟气处理设备,如除尘器、脱硫装置、脱硝装置等[5]。这些设备能够对烟气中的颗粒物、硫氧化物和氮氧化物等有害成分进行净化处理,对烟气特性和能量分布产生影响。

2.2 燃烧烟气能量分布

工业锅炉燃烟气中的能量分布通常表现为以下几个方面:

(1)烟气温度高:烟气中的温度取决于燃料的燃烧效率、炉膛结构和燃烧过程的调控。烟气温度一般较高,可达数百摄氏度甚至更高。

(2)烟气中的可利用热量多:烟气中的可利用热量主要包括烟气中的高温热能和烟气中的水蒸气潜热。高温热能可以通过烟气余热回收技术进行回收利用,而水蒸气潜热则可以通过烟气冷凝回收技术进行利用[6]。

(3)烟气中的废热利用率低:烟气中的废热指的是烟气中的热能无法有效利用的部分,主要表现为烟气中的过热蒸汽、烟气中的高温废气等。这部分废热需要通过合适的烟气余热回收技术进行回收和利用,以提高能源利用效率。

总体而言,工业锅炉燃烟气具有高温、高压、复杂成分和多种能量分布的特点。

3 工业锅炉燃烧烟气余热回收技术分析

3.1 烟气余热锅炉

烟气余热锅炉是一种常见的烟气余热回收设备,其应用广泛且成熟,如图1所示。

图1 烟气余热锅炉实况图

烟气余热锅炉可将烟气中的高温余热转化为蒸汽,用于工业生产中的热能需求。这种方式能够提高能源利用效率,减少额外的燃料消耗,节约能源成本。通过烟气余热锅炉,可以将烟气中的余热转化为热水,用于供暖系统。这种应用方式适用于建筑物、工厂或其他需要供暖的场所,能够有效利用烟气中的热能,减少对传统能源的依赖[7]。此外,烟气余热锅炉可以直接作为烟气热源,用于工业过程中的热能需求。烟气中的高温余热可以通过热交换器传递给生产过程中需要加热的介质,如空气、水或其他流体。同时,烟气余热锅炉还可以与蒸汽涡轮发电机组相结合,将烟气中的高温余热转化为蒸汽驱动涡轮发电机发电。这种方式可以同时实现热能和电能的回收利用,提高整体能源利用效率。

3.2 烟气换热器

烟气换热器包括板式换热器、管式换热器、螺旋板式换热器等,通过传热原理将烟气中的热量转移到其他介质中,实现烟气中高温余热的回收利用。它可以降低工业锅炉系统的能源消耗,提高能源利用效率,减少环境污染。其工作流程如图2所示。

图2 烟气换热器工作流程

通过烟气换热器能够实现工业锅炉燃烧烟气的以下利用。

(1)热水供暖;烟气换热器能将烟气中的热量传递给水,生成热水用于供暖系统。烟气中的高温余热通过换热器传递给水,提高供暖系统的热效率,降低能源消耗。这种应用方式适用于建筑物、工厂或其他需要供暖的场所。

(2)工业过程加热:烟气换热器可将烟气中的热能传递给工业过程中需要加热的介质,如水、空气或其他流体。通过换热器的传热,烟气中的高温余热被有效回收利用,提供热源用于工业生产过程中的加热需求[8]。

(3)产生蒸汽:烟气换热器可将烟气中的热量转化为蒸汽,用于工业生产中的蒸汽需求。烟气中的高温余热通过换热器传递给水,生成高温高压蒸汽,可用于驱动设备、加热介质或其他工艺需求。

(4)空气预热:烟气换热器可将烟气中的热量传递给进入锅炉或其他燃烧设备的空气,预热空气用于燃烧过程中。通过提前加热空气,燃烧过程的热效率得到提高,减少燃料的消耗和烟气的排放[9]。

(5)燃气脱硫:烟气换热器可用于燃气脱硫系统中,通过将烟气中的热能传递给脱硫剂,提高脱硫过程的效率。脱硫剂在吸收烟气中的二氧化硫时需要一定的热量,烟气换热器的应用可以满足脱硫过程对热能的需求。

3.3 烟气热泵

烟气热泵在燃烟气余热回收中的工作原理如下:首先,烟气热泵通过压缩机将制冷剂(通常为工质)进行压缩。这会使制冷剂的温度和压力升高。压缩后的制冷剂进入冷凝器,通过冷却介质(例如水或空气)与介质进行热交换。在这个过程中,制冷剂会释放热量,从而降低其温度和压力。冷却后的制冷剂通过膨胀阀进入蒸发器,使其压力骤降,从而使制冷剂的温度降低[10]。其次,烟气经过烟气换热器,与低温的制冷剂进行热交换。在这个过程中,烟气中的余热被传递给制冷剂,使制冷剂吸收热能并蒸发。经过蒸发后,制冷剂以低温低压的状态进入压缩机,再次进行压缩。这会使制冷剂的温度和压力升高,以便下一轮制冷循环的进行。最后通过循环的工作,烟气热泵将烟气中的低温余热转移到制冷剂中,并将其提升至足够高的温度,以供给热水、蒸汽或空气调节系统。这样就实现了对烟气中的余热的回收和利用[11]。如图3所示,烟气由全热回收换热塔回收后,在热源的驱动下,热泵将高温烟气、燃料以及电力转化为热网水。

图3 烟气热泵工作原理

烟气热泵的应用可以大幅度提高能源利用效率,减少对传统能源的依赖,从而实现节能减排的目标。通过回收烟气中的余热,烟气热泵可以减少工业锅炉系统的能源消耗和温室气体排放[12]。

4 燃烟气余热回收技术效益分析

4.1 经济效益分析

(1)节能降耗:通过回收利用烟气中的余热,燃烟气余热回收技术可以显著减少能源消耗。减少能源消耗意味着降低燃料成本,从而为企业带来经济效益。

(2)提高能源利用效率:燃烟气余热回收技术能够将烟气中的余热转化为可用的热能,提高能源的利用效率。这将减少额外的能源采购成本,并提高能源利用的经济性[13]。

(3)缩短投资回收周期:尽管燃烟气余热回收技术的安装和设备成本较高,但通过能源节约和能源成本的降低,通常能够实现较短的投资回收周期。具体回收周期的长短会受到能源价格、设备性能和使用情况等多个因素的影响。

4.2 环境效益分析

(1)减少温室气体排放:通过燃烟气余热回收技术的应用,可以减少对传统能源的需求,从而降低温室气体(如CO2)的排放量。减少温室气体排放有助于减缓气候变化和改善环境质量[14-15]。

(2)减少污染物排放:工业燃烧烟气中常含有一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)等污染物。燃烟气余热回收技术可以减少烟气中污染物的排放,降低对大气和环境的污染程度。

(3)促进环境可持续发展:通过燃烟气余热回收技术的应用,可以实现能源的高效利用和资源的节约,促进环境可持续发展。这有助于企业提升环境形象,满足环境监管要求,提升可持续竞争力。

5 结 语

随着科学技术的进步,燃烟气余热回收技术将不断创新和改进。新型的烟气余热回收装置、材料和控制系统将被研发和应用,提高能源回收效率、降低设备成本,并适应不同工业锅炉的特殊需求。未来有望将多种燃烟气余热回收技术相结合,形成复合应用系统,能够更全面、高效地回收利用烟气中的余热。