工業(yè)鍋爐燃燒煙氣余熱回收技術(shù)研究

馬成虎,馬小蘭,馬龍龍

(寧夏奇點新動力科技有限公司,寧夏 銀川 750000)

工業(yè)鍋爐是大型工業(yè)生產(chǎn)中常見的能源消耗設(shè)備,其燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣含有豐富的熱能,然而傳統(tǒng)的鍋爐系統(tǒng)中這部分煙氣余熱往往被直接排放到大氣中,造成了能源的浪費和環(huán)境污染。為了有效利用工業(yè)鍋爐燃煙氣中的余熱,提高能源利用效率并減少環(huán)境污染,研究和開發(fā)燃煙氣余熱回收技術(shù)顯得尤為重要。本論文旨在對工業(yè)鍋爐燃煙氣余熱回收技術(shù)進行深入研究,探索有效的余熱回收方式和優(yōu)化方法。通過回收煙氣中的余熱,可以實現(xiàn)能源的再利用,提高工業(yè)鍋爐的能效,降低能源消耗,減少溫室氣體的排放,對于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,期望能夠為工業(yè)鍋爐燃煙氣余熱回收技術(shù)的發(fā)展提供新的思路和方法,為工業(yè)生產(chǎn)提供可持續(xù)、高效的能源利用解決方案,促進工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護。

1 工業(yè)鍋爐燃燒煙氣利用現(xiàn)狀分析

(1)直接排放浪費能源:工業(yè)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)中的主要燃料轉(zhuǎn)化設(shè)備,具有較大的燃煤量。

傳統(tǒng)的工業(yè)鍋爐系統(tǒng)中,燃燒后的煙氣中的余熱往往直接排放,造成了能源的浪費。大量的熱能未能得到有效回收利用,導(dǎo)致能源利用效率低下[1]。

(2)環(huán)境污染問題:工業(yè)鍋爐燃燒煙氣中含有多種有害氣體和顆粒物,包含一氧化碳、氮氧化物以及硫氧化物,除此之外,工業(yè)鍋爐燃燒的煙氣中還含有大量的有機物以及微量元素,直接排放到大氣中會對環(huán)境造成污染,加劇大氣污染和溫室效應(yīng),對人類健康和生態(tài)環(huán)境造成負面影響[2]。

(3)法規(guī)和環(huán)保壓力:隨著環(huán)保意識的增強和環(huán)境法規(guī)的日益嚴格,各國政府對于工業(yè)排放的限制和控制力度不斷加大。工業(yè)企業(yè)需要承擔(dān)更多的環(huán)保責(zé)任和壓力,加強對煙氣排放的控制和治理。

(4)技術(shù)挑戰(zhàn)和經(jīng)濟成本問題:盡管已經(jīng)有一些煙氣余熱回收技術(shù)被應(yīng)用于工業(yè)鍋爐系統(tǒng)中,但仍然存在技術(shù)挑戰(zhàn)和經(jīng)濟成本問題。例如,一些技術(shù)的設(shè)備投資和運維成本較高,技術(shù)可行性和經(jīng)濟性有待進一步研究和改進[3]。

綜上所述,工業(yè)鍋爐燃燒煙氣的利用在某些領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的進展,但仍然存在一系列挑戰(zhàn)和問題需要解決。進一步研究和開發(fā)高效、可持續(xù)的煙氣余熱回收技術(shù),促進工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的能源利用效率和環(huán)境友好性的提升,具有重要的現(xiàn)實意義和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 工業(yè)鍋爐燃燒煙氣的特性和能量分布

2.1 燃燒煙氣特性

工業(yè)鍋爐可以使用多種類型的燃料,如煤炭、天然氣、石油、生物質(zhì)等。不同燃料的燃燒產(chǎn)生的煙氣成分和特性不同,例如煤炭燃燒產(chǎn)生的煙氣中含有較高的灰分和硫氧化物。燃燒過程的調(diào)控方式和燃燒設(shè)備的設(shè)計對煙氣的特性和能量分布有著重要影響[4]。燃燒過程中的燃料供給、空氣供給和燃燒溫度等參數(shù)的控制將直接影響煙氣中各種組分的生成和含量。工業(yè)鍋爐的爐膛結(jié)構(gòu)也會影響煙氣的特性和能量分布。爐膛的形狀、尺寸和傳熱方式將直接影響煙氣中的溫度分布和熱量轉(zhuǎn)移效率。此外,由于工業(yè)鍋爐通常配備煙氣處理設(shè)備,如除塵器、脫硫裝置、脫硝裝置等[5]。這些設(shè)備能夠?qū)煔庵械念w粒物、硫氧化物和氮氧化物等有害成分進行凈化處理,對煙氣特性和能量分布產(chǎn)生影響。

2.2 燃燒煙氣能量分布

工業(yè)鍋爐燃煙氣中的能量分布通常表現(xiàn)為以下幾個方面:

(1)煙氣溫度高:煙氣中的溫度取決于燃料的燃燒效率、爐膛結(jié)構(gòu)和燃燒過程的調(diào)控。煙氣溫度一般較高,可達數(shù)百攝氏度甚至更高。

(2)煙氣中的可利用熱量多:煙氣中的可利用熱量主要包括煙氣中的高溫?zé)崮芎蜔煔庵械乃魵鉂摕帷８邷責(zé)崮芸梢酝ㄟ^煙氣余熱回收技術(shù)進行回收利用,而水蒸氣潛熱則可以通過煙氣冷凝回收技術(shù)進行利用[6]。

(3)煙氣中的廢熱利用率低:煙氣中的廢熱指的是煙氣中的熱能無法有效利用的部分,主要表現(xiàn)為煙氣中的過熱蒸汽、煙氣中的高溫廢氣等。這部分廢熱需要通過合適的煙氣余熱回收技術(shù)進行回收和利用,以提高能源利用效率。

總體而言,工業(yè)鍋爐燃煙氣具有高溫、高壓、復(fù)雜成分和多種能量分布的特點。

3 工業(yè)鍋爐燃燒煙氣余熱回收技術(shù)分析

3.1 煙氣余熱鍋爐

煙氣余熱鍋爐是一種常見的煙氣余熱回收設(shè)備,其應(yīng)用廣泛且成熟,如圖1所示。

圖1 煙氣余熱鍋爐實況圖

煙氣余熱鍋爐可將煙氣中的高溫余熱轉(zhuǎn)化為蒸汽,用于工業(yè)生產(chǎn)中的熱能需求。這種方式能夠提高能源利用效率,減少額外的燃料消耗,節(jié)約能源成本。通過煙氣余熱鍋爐,可以將煙氣中的余熱轉(zhuǎn)化為熱水,用于供暖系統(tǒng)。這種應(yīng)用方式適用于建筑物、工廠或其他需要供暖的場所,能夠有效利用煙氣中的熱能,減少對傳統(tǒng)能源的依賴[7]。此外,煙氣余熱鍋爐可以直接作為煙氣熱源,用于工業(yè)過程中的熱能需求。煙氣中的高溫余熱可以通過熱交換器傳遞給生產(chǎn)過程中需要加熱的介質(zhì),如空氣、水或其他流體。同時,煙氣余熱鍋爐還可以與蒸汽渦輪發(fā)電機組相結(jié)合,將煙氣中的高溫余熱轉(zhuǎn)化為蒸汽驅(qū)動渦輪發(fā)電機發(fā)電。這種方式可以同時實現(xiàn)熱能和電能的回收利用,提高整體能源利用效率。

3.2 煙氣換熱器

煙氣換熱器包括板式換熱器、管式換熱器、螺旋板式換熱器等,通過傳熱原理將煙氣中的熱量轉(zhuǎn)移到其他介質(zhì)中,實現(xiàn)煙氣中高溫余熱的回收利用。它可以降低工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的能源消耗,提高能源利用效率,減少環(huán)境污染。其工作流程如圖2所示。

圖2 煙氣換熱器工作流程

通過煙氣換熱器能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)鍋爐燃燒煙氣的以下利用。

(1)熱水供暖;煙氣換熱器能將煙氣中的熱量傳遞給水,生成熱水用于供暖系統(tǒng)。煙氣中的高溫余熱通過換熱器傳遞給水,提高供暖系統(tǒng)的熱效率,降低能源消耗。這種應(yīng)用方式適用于建筑物、工廠或其他需要供暖的場所。

(2)工業(yè)過程加熱:煙氣換熱器可將煙氣中的熱能傳遞給工業(yè)過程中需要加熱的介質(zhì),如水、空氣或其他流體。通過換熱器的傳熱,煙氣中的高溫余熱被有效回收利用,提供熱源用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的加熱需求[8]。

(3)產(chǎn)生蒸汽:煙氣換熱器可將煙氣中的熱量轉(zhuǎn)化為蒸汽,用于工業(yè)生產(chǎn)中的蒸汽需求。煙氣中的高溫余熱通過換熱器傳遞給水,生成高溫高壓蒸汽,可用于驅(qū)動設(shè)備、加熱介質(zhì)或其他工藝需求。

(4)空氣預(yù)熱:煙氣換熱器可將煙氣中的熱量傳遞給進入鍋爐或其他燃燒設(shè)備的空氣,預(yù)熱空氣用于燃燒過程中。通過提前加熱空氣,燃燒過程的熱效率得到提高,減少燃料的消耗和煙氣的排放[9]。

(5)燃氣脫硫:煙氣換熱器可用于燃氣脫硫系統(tǒng)中,通過將煙氣中的熱能傳遞給脫硫劑,提高脫硫過程的效率。脫硫劑在吸收煙氣中的二氧化硫時需要一定的熱量,煙氣換熱器的應(yīng)用可以滿足脫硫過程對熱能的需求。

3.3 煙氣熱泵

煙氣熱泵在燃煙氣余熱回收中的工作原理如下:首先,煙氣熱泵通過壓縮機將制冷劑(通常為工質(zhì))進行壓縮。這會使制冷劑的溫度和壓力升高。壓縮后的制冷劑進入冷凝器,通過冷卻介質(zhì)(例如水或空氣)與介質(zhì)進行熱交換。在這個過程中,制冷劑會釋放熱量,從而降低其溫度和壓力。冷卻后的制冷劑通過膨脹閥進入蒸發(fā)器,使其壓力驟降,從而使制冷劑的溫度降低[10]。其次,煙氣經(jīng)過煙氣換熱器,與低溫的制冷劑進行熱交換。在這個過程中,煙氣中的余熱被傳遞給制冷劑,使制冷劑吸收熱能并蒸發(fā)。經(jīng)過蒸發(fā)后,制冷劑以低溫低壓的狀態(tài)進入壓縮機,再次進行壓縮。這會使制冷劑的溫度和壓力升高,以便下一輪制冷循環(huán)的進行。最后通過循環(huán)的工作,煙氣熱泵將煙氣中的低溫余熱轉(zhuǎn)移到制冷劑中,并將其提升至足夠高的溫度,以供給熱水、蒸汽或空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這樣就實現(xiàn)了對煙氣中的余熱的回收和利用[11]。如圖3所示,煙氣由全熱回收換熱塔回收后,在熱源的驅(qū)動下,熱泵將高溫?zé)煔?、燃料以及電力轉(zhuǎn)化為熱網(wǎng)水。

圖3 煙氣熱泵工作原理

煙氣熱泵的應(yīng)用可以大幅度提高能源利用效率,減少對傳統(tǒng)能源的依賴,從而實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。通過回收煙氣中的余熱,煙氣熱泵可以減少工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的能源消耗和溫室氣體排放[12]。

4 燃煙氣余熱回收技術(shù)效益分析

4.1 經(jīng)濟效益分析

(1)節(jié)能降耗:通過回收利用煙氣中的余熱,燃煙氣余熱回收技術(shù)可以顯著減少能源消耗。減少能源消耗意味著降低燃料成本,從而為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。

(2)提高能源利用效率:燃煙氣余熱回收技術(shù)能夠?qū)煔庵械挠酂徂D(zhuǎn)化為可用的熱能,提高能源的利用效率。這將減少額外的能源采購成本,并提高能源利用的經(jīng)濟性[13]。

(3)縮短投資回收周期:盡管燃煙氣余熱回收技術(shù)的安裝和設(shè)備成本較高,但通過能源節(jié)約和能源成本的降低,通常能夠?qū)崿F(xiàn)較短的投資回收周期。具體回收周期的長短會受到能源價格、設(shè)備性能和使用情況等多個因素的影響。

4.2 環(huán)境效益分析

(1)減少溫室氣體排放:通過燃煙氣余熱回收技術(shù)的應(yīng)用,可以減少對傳統(tǒng)能源的需求,從而降低溫室氣體(如CO2)的排放量。減少溫室氣體排放有助于減緩氣候變化和改善環(huán)境質(zhì)量[14-15]。

(2)減少污染物排放:工業(yè)燃燒煙氣中常含有一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)等污染物。燃煙氣余熱回收技術(shù)可以減少煙氣中污染物的排放,降低對大氣和環(huán)境的污染程度。

(3)促進環(huán)境可持續(xù)發(fā)展:通過燃煙氣余熱回收技術(shù)的應(yīng)用,可以實現(xiàn)能源的高效利用和資源的節(jié)約,促進環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。這有助于企業(yè)提升環(huán)境形象,滿足環(huán)境監(jiān)管要求,提升可持續(xù)競爭力。

5 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)的進步,燃煙氣余熱回收技術(shù)將不斷創(chuàng)新和改進。新型的煙氣余熱回收裝置、材料和控制系統(tǒng)將被研發(fā)和應(yīng)用,提高能源回收效率、降低設(shè)備成本,并適應(yīng)不同工業(yè)鍋爐的特殊需求。未來有望將多種燃煙氣余熱回收技術(shù)相結(jié)合,形成復(fù)合應(yīng)用系統(tǒng),能夠更全面、高效地回收利用煙氣中的余熱。