余熱鍋爐的熱力回收計算分析

王士國

（廣西中煙工業公司，廣西南寧530001）

卷煙廠制冷過程中產生的熱量及燃氣鍋爐的煙氣，通常被直接排放到環境中，這樣不僅浪費能源，而且造成環境污染。有效地回收利用這部分余熱，是煙廠降低能耗、加強環保的重要途徑。余熱回收不僅可以帶來能源方面的經濟效益，同時還可以減少對環境的污染。并且煙廠使用的溴化鋰制冷機組及燃氣鍋爐排出的廢氣，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計方案的基礎上，本文對目前余熱回收的數種典型工藝的優缺點做了深入分析，并結合煙廠生產現場實際，以實現回收余熱資源為目的，對不同的能源介質、數量、熱力參數、工藝路線的余熱回收方案進行比較，篩選出了優化方案。經過應用熱力學分析的基本方法，通過計算確定了回收系統主要的設備名目及參數。

在諸多的技術方案中，余熱鍋爐作為聯合循環系統中的能源交換設備，是整個系統的關鍵之一。煙廠原來使用的是燃煤鍋爐，現為了提高系統的熱效率，欲使用燃氣聯合循環，因為燃氣聯合循環效率高，環保效果好，在我國也有廣泛的應用。

1 余熱鍋爐的形式

余熱鍋爐設置在各類工業流程中，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

按工藝原有設備的性質，余熱鍋爐可分為兩類：一類主要是對工廠生產過程中的氣體進行冷卻，滿足工藝要求；另一類主要是為節能而進行的熱回收。

余熱鍋爐按水循環方式，可分為自然循環與強制循環。從聯合循環應用的趨勢來看，自然循環是一種更可取的技術。

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，余熱循環可分為輻射和對流。

在以動力回收為目的的系統中，還采用多壓余熱鍋爐，如雙壓與三壓余熱鍋爐，來提高發電效率。采用多壓余熱鍋爐技術，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，構成的循環效率高；另一方面，由于節點的改變，減輕了單壓等級的增加，盡量回收的熱量幾乎不增加，但回收的增加，發電量增加。

1.2 余熱鍋爐的發展趨勢

美國從上世紀50年代開始，就研究用于回收鋼鐵工業余熱的余熱鍋爐，此后相繼開展了用于回收其他行業余熱資源的余熱鍋爐研制，積累了大量的經驗。美國已制造并運行數十臺熱管余熱鍋爐；用于燃油、燃氣和煤的聯合循環的無補燃、補燃和全燃的單壓、雙壓、三壓和再熱或不再熱的余熱鍋爐已商業化。日本已研制推廣用于各種余熱源的多種型號的余熱鍋爐，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中實用化節能效果的高溫余熱回收設備。

現在，余熱鍋爐已向高參數和全部用于發電為主要目的的方向發展。我國已開發并制造出用于冶金、化工、建材和輕紡等行業的余熱鍋爐。但縱觀我國余熱鍋爐成套產品的技術水平，與國外先進的同類產品相比，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，配套輔機質量差，尚有待業內繼續探索。

2 熱水余熱資源的計算

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

表1140℃飽和水的余熱資源具體參數

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140℃的飽和水來說，代入數據得

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

表2 蒸汽的參數表

煙廠壓縮機廢氣余熱，是一種低溫的余熱資源。壓機的余熱如直接排放，不僅浪費了熱能，而且污染環境。原來該廠的冷卻水排放到環境中，在廠區中的小河常年煙霧繚繞，能源浪費現象一目了然。

3 余熱鍋爐的熱力學計算

3.1 余熱鍋爐煙氣回收的余熱量

（1）加熱爐進口煙氣的總余熱量Qi。

其中，

Qi——加熱爐進口煙氣總余熱量（kW）；

α ——加熱爐煙氣冒頂損失系數，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，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，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，可視為進出口流體的焓差。進入水的溫度為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系如圖1所示，本文選取的鍋爐，當排煙溫度為100℃時，鍋爐的效率為93.3%。

Q水=η Q=46 966.43（kW）

余熱鍋爐蒸發量為

圖1 余熱鍋爐排煙溫度與鍋爐效率的關系圖

3.3 余熱鍋爐經濟性核算

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，引入無因次受熱面積α；

圖2 受熱面積、設備成本、蒸發量、設備投資效益與煙氣出口溫度的關系

設備成本與受熱面之間的關系為

c——設備成本；

a——受熱面積；

α、β——常數由余熱鍋爐形式決定。

由上圖可知，單位蒸發量所需的設備成本（c/s）隨煙氣出口溫度t2溫度變化有一個最小值，與這個最小值相對應的，是最經濟的煙氣出口溫度，該值約為（ti-t0'）的25%。最經濟的排煙溫度約為70℃，但由于煙氣露點溫度和設備的限制，選擇的排煙溫度為100℃。

4 余熱鍋爐的分析

4.1 余熱鍋爐的分析計算的基礎

為了確定能系統中（進行能量轉換或交換的系統）個別設備或整個裝置能量損失的性質、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”，其特點是依據熱力學第一定律（僅從能量的數量出發）分析揭示裝置或設備在能量數量上的轉換、傳遞、利用和損失的情況，故此法亦稱“第一定律分析法”。其主要計算是對裝置或設備進行“能量平衡”（又稱熱平衡）的計算。主要熱力學指標為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，能量分析法只能反映能量利用的總效果，不能反映其熱力過程的完善程度。為了準確地揭示系統及其各設備熱力過程的完善程度，找出影響系統性能的薄弱環節，為系統的改進和熱經濟優化設計和優化操作做明確的方向，就必須對所研究的系統進行分析。

當比熱CP取常數計算時，

通常燃氣輪機排氣壓力，稍微高于環境的壓力。計算表明，對大型燃氣輪機的排氣壓力，約為占煙氣總的1%。而且對聯合循環來說，燃氣輪機排氣壓力，主要用于克服煙氣的流動阻力，而不是對外做功，對煙氣的計算，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，因此可用上式計算其比。

由式e=(h-h0)-T0(s-s0)進行計算。

4.2 余熱鍋爐的回收熱力學過程分析

圖3 余熱鍋爐的平衡

平衡方程為

損失系數為

5 結束語

余熱回收系統僅利用了煙廠的部分蒸汽余熱，但是為余熱的有效利用開拓了新的途徑。余熱利用技術能提高能源的使用效率，減少對環境的污染，因而受到全社會的推崇，但在技術措施和經濟核算方面，仍需做進一步的探索。

[1]湯蕙芬，范季賢.熱能工程設計手冊[K].北京：機械工業出版社，1999.

[2]劉紀福，白榮春.實用余熱回收和節能計術[M].北京：機械工業出版社，1993.

[3]嚴俊杰，黃錦濤，何茂鋼.冷熱電聯產技術[M].北京：化學工業出版社，2006.

[4]楊世銘，陶文銓.傳熱學（第3版）[M].北京：高等教育出版社，1998.

[5]（日）一色尚次，等.余熱回收利用系統實用手冊（上冊）[K].北京：機械工業出版社，1988.