二級節能器在工廠鍋爐上的應用案例分析

王一聞上海煙草集團有限責任公司上海卷煙廠

0 引言

天然氣鍋爐已廣泛應用于工業及民用生產生活中，其最主要的熱損失為排煙損失，即煙氣離開末級受熱面未帶走的熱量，約占鍋爐燃料的18%。排煙熱損失主要決定于排煙溫度，排煙溫度越高，排煙熱損失越大，導致鍋爐熱效率降低，能耗增大，造成經濟效益降低能源浪費。當鍋爐安裝一級節能器后此排煙損失可降至10%。

某工廠D區工房目前使用的天然氣鍋爐系統已有一級節能器、連排板式熱交換器、冷凝水回收器。故可將排煙損失由18%降至10%，本課題將著重研究如何將排煙損失（10%）進行進一步的熱量回收，通過二級節能器進一步對煙氣中的熱量進行回收利用，將鍋爐的效率提升約5%。

1 D區鍋爐房能耗現狀

D區工房天然氣鍋爐能耗占該工廠能耗中較大一部分。據調研可知，工廠用蒸汽量隨著季節變化有波動，秋冬季全廠用汽量會持續升高，天然氣費用所占比也會持續上升。因此有效降低鍋爐的能耗，提升鍋爐效率不僅具有節能減排效益，同時能夠有效降低全廠能源成本，具有良好的經濟效益，助力全廠實現節能降耗目標。

2 降低排煙損失的技術措施

降低鍋爐排煙損失最直接的方式是將煙氣中的熱量進行熱交換，帶走煙氣熱量，使煙氣中的水蒸氣冷凝，降低排煙溫度。

工廠鍋爐排煙溫度在180℃左右，經過一級節能器后約150℃排向大氣，增加二級節能器可以大幅降低排煙溫度（低于水蒸氣及煙氣露點溫度）。在能量回收的同時可以減少有害氣體的排放，減少空氣污染。

二級節能器利用溫度較低的軟水冷卻煙氣，實現煙氣溫度的降低，靠近換熱面區域，煙氣中的水蒸汽冷凝，同時實現煙氣顯熱釋放和水蒸汽凝結潛熱釋放，換熱器內的軟水吸熱而被加熱，實現熱能回收，提高鍋爐熱效率。

根據各類文獻，鍋爐二級節能器對鍋爐效率的提升大多都是從鍋爐煙氣側來計算，即排煙溫度降到某個數值時鍋爐效率提升多少。但此類計算均為純理論計算，有些參數條件為固定值并不一定符合鍋爐實際運行時隨負荷變化而波動的情況，且無法實時跟蹤計算數據。而本項目是根據二級節能器進出水的溫度來測算二級節能器對鍋爐效率的提升，數據更加直觀，計算結果更加準確且不受鍋爐負荷變化而造成的干擾影響，還可實時跟蹤計算數據并以此擬合曲線趨勢，形成長效機制。

3 改造實施方案

3.1 二級節能器的種類及區別

二級節能器的種類見圖1，節能器種類及區別見表1。

圖1 直接接觸式二級節能器類型

由于D區工房燃氣鍋爐給水需采用軟化水，對水質要求較高，因此在選用二級節能器時，采用間接接觸式二級節能器。

3.2 二級節能器的控制方式

1）二級節能器軟水出口溫度控制煙氣擋板的啟閉。

通過控制二級節能器煙氣擋板的開關來控制煙氣是直接通過二級節能器煙氣旁通向空排放或煙氣經過二級節能器內水側盤管加熱管道內軟水。此種控制是根據二級節能器出口軟水溫度控制煙氣擋板開關。低于設定溫度，關閉煙氣擋板使煙氣經過水側盤管加熱管道內軟水。高于設定溫度，打開煙氣擋板使煙氣直接向空排放。此種控制煙氣余熱無法充分吸收且排煙溫度不可控。

表1 二級節能器的種類及區別

圖2 啟閉型控制

2）二級節能器進水流量控制二級節能器排煙溫度

通過控制進水流量（進水電動閥的開度）來控制排煙溫度處于設定值附近。當排煙溫度高于設置溫度越多，進水電動閥開度越大，使更多的軟水流經二級節能器進行換熱來降低排煙溫度。此控制方式煙氣完全經過二級節能器內水側盤管，當設定一個比較低的排煙溫度時可充分吸收煙氣余熱。D區工房天然氣鍋爐采用該控制方式。

3）防止煙氣低溫腐蝕的方法

天然氣鍋爐煙氣中含有大量CO2和NOx。從下面兩個公式中可以看出：CO2和NOx在二級節能器中與冷凝結露的H2O結合生成對應的酸。

為了應對煙氣低溫冷凝形成的酸對二級節能器造成腐蝕，有以下幾種方法：

（1）深鍍耐腐金屬涂層：使用耐酸金屬深鍍在節能器及煙道金屬表層，滲入金屬母材幾微米，阻隔亞硫酸等與受熱面或煙道母材的接觸，引起防腐作用。

（2）化學中和法：天然氣、燃油中含硫成份較少，亞硫酸生成量也有限，可在煙道進口適當加注相應的堿質中和煙氣中的酸液，防止腐蝕煙道及吸熱器。

（3）煙垢防護法：二級節能器安裝后不向二級節能器進水，正常使用鍋爐燃燒（天然氣爐2～3個月）。讓煙垢先附著在吸熱面上結有薄煙垢，起到阻隔煙氣中結露酸液與金屬界面直接接觸，達到阻滯金屬腐蝕作用。

（4）使用耐腐蝕金屬材質：使用耐腐蝕性強的金屬材質，對抗酸對于二級節能器的腐蝕，延長設備使用壽命。

D區工房天然氣鍋爐選用316不銹鋼材質作為二級節能器內翅片管換熱器的材質。在鍋爐調試結束后不向二級節能器進水，使用鍋爐3個月后再進行二級節能器的調試工作，使二級節能器內翅片管換熱器上結有一層薄煙垢起到阻滯金屬腐蝕作用。

4 改造結果

為準確計算二級節能器節能效果，在D區工房4臺天然氣鍋爐二級節能器的出口管道、連排板式熱交換器出口管道安裝溫度變送器，并對運行數據進行實時采集。連排板式熱交換器出口溫度即為二級節能器進水溫度。

鍋爐二級節能器進出口的溫度提升即為二級節能器對于軟水加熱效果的體現。連排板式熱交換器出口溫度即為二級節能器進水溫度，通過二級節能器出口的流量計可以得知換熱器內的軟化水流量，計算二級節能器的換熱量。為了充分利用二級節能器的熱量，鍋爐運行過程中將排煙溫度設至0℃，使二級節能器的進水電動閥始終保持最大開度，軟化水流經二級節能器與煙氣進行充分換熱。

工廠D區工房4臺燃氣鍋爐典型日二級節能器運行情況詳見圖3。

通過連續監測加裝二級節能器后鍋爐運行效率變化，可得出4臺鍋爐運行效率均提升約5%，詳細數據變化詳見圖4（a）-4（d）。

根據鍋爐天然氣賬單可知，4臺鍋爐加裝二級節能器后，月節約約20.3 tce，月節約天然氣費用65 365.4元。

圖3（a）-圖3（d）

圖（4a）1#鍋爐運行效率提升情況

圖4（b）2#鍋爐運行效率提升情況

圖4（c）3#鍋爐運行效率提升情況

5 結論

基于降低工廠鍋爐系統能耗的節能技術，通過分析某廠區D區工房4臺天然氣鍋爐加裝二級節能器的改造實施方案，表明天然氣鍋爐加裝二級節能器能夠降低鍋爐排煙損失，進一步回收煙氣顯熱和水蒸汽凝結潛熱，提高鍋爐熱效率。根據鍋爐運行數據采集分析，加裝二級節能器后鍋爐效率提升約5%，月節約標煤約20.3 tce，月節約能源費用65 365.4元，具有良好的節能減排效益及經濟效益。

天然氣鍋爐加裝二級節能器的技術是提高鍋爐用戶環保效益、經濟效益和社會效益的重要技術之一，可在工業領域大力推廣應用，為工業企業的綠色發展提供切實保障，實現工業企業“綠色工廠、綠色制造”的目標，值得推廣復制。

圖4（d）4#鍋爐運行效率提升情況