燃气锅炉的节能降耗改造方案分析

周 勇

(重庆凯林制药有限公司)

国家“十一·五”规划对企业节能降耗有了明确要求，环境保护的要求越来越高，同时随着天然气等不可再生能源价格的上涨，企业能源运行成本呈上升趋势。重庆凯林制药有限公司根据锅炉的使用情况，和有资质的锅炉生产厂商合作，成功地设计安装了一套半冷凝式烟气余热回收系统，经过近三年的使用，节能效果明显，有效降低了运行成本。

1 可行性分析

天然气锅炉运行产生的高温烟气直接排放带走大量显热(180～250℃)，同时烟气中的水蒸汽仍处于过热状态不能冷凝放出潜热，形成较大的排烟损失。锅炉热效率一般在80%左右，约20%的热能从炉体表面散发和烟气排空浪费。在锅炉排烟管线上安装热交换器可将烟气热量大部分回收，回收的热量用于加热锅炉的补水，提高了锅炉的补水温度，节省了天然气燃料费用，降低产品的生产成本，同时可减少废气排放，节能环保一举两得。这在热工理论和技术上都具有可行性。

2 整改方案选择和自控系统

2.1 设计原理

通过设计冷凝式热交换器利用温度较低(常温)的锅炉补水冷却烟气。锅炉烟气通过换热器壳程第一换热面区域温度降低后，接着进入壳程的第二换热面区域(冷凝区)，降温烟气中水蒸气冷凝成水发生相变释放出潜热，实现烟气显热释放和水蒸气凝结潜热释放，而换热器管程内的锅炉补水吸热而被加热，实现热能回收，提高锅炉热效率。再通过电气自动控制整个过程。

2.2 整改方案

在原锅水补充管路中直接串联半冷凝式换热器的管程，换热器壳程直接串联进排烟管道中(方案一)，如图1所示。需要增加一台半冷凝不锈钢换热器。该方案只有在锅炉补水时回收热量，回收时间只有运行时间的30%，利用率低；增加设备故障或维保时会影响原锅炉的运行和使用。

图1 改造方案一

在原锅水补充管路并联一套锅水加热系统，加装阀门转换；原排烟管道不变，并联一根同样大小的排烟管安装在半冷凝式换热器壳程上，加装阀门转换，新增加热系统可对锅水进行循环加热(方案二)，如图2所示。需要增加并联烟道、烟道转换阀2个，半冷凝不锈钢换热器1台，不锈钢补水管道泵1台，不锈钢循环管道泵1台，不锈钢保温水箱1台，不锈钢阀门7个，电气变频自动控制系统1套。该方案回收时间可以覆盖全部锅炉运行时间；增加设备故障或维保时通过阀门切换，不影响原锅炉的运行使用。

图2 改造方案二

通过两种方案的比较，第二种方案虽然投资稍高，但投资回收期相近，综合性价比好，因此选择方案二进行安装改造。

2.3 自动运行控制

半冷凝式余热回收装置需安装单独的电气控制系统，但也必须和锅炉本体控制联动，部分控制信号要由锅炉本体给出。运行控制过程为：如锅炉燃烧机启动时，回收系统的循环泵立即启动，把保温水箱的冷水进行循环换热加温并回流到保温水箱中，不断地循环工作；当锅炉本体以小火燃烧时，回收系统的补水泵会自动切换到频率f=30Hz运行，当锅炉本体以大火燃烧时，回收系统的补水泵会自动切换到频率f=50Hz运行，增大保温水箱的冷水补给。当锅炉需要补水时，原锅炉补水泵启动，把保温水箱中经过加热的水泵入锅炉中，从而达到节能的目的。

加热循环系统保温水箱内的水位由水位电极自动控制，当水位到极低位置时，会自动通过补水泵从原软水池中补水，当补到高水水位时会自动停止。

整个回收装置故障维修时，可通过断开烟道并联阀门，断开保温水箱进水阀，关闭回收电气自动控制箱而停止运行，恢复到原锅炉运行系统而不会导致停蒸汽影响生产。

3 设计计算

根据《换热器设计手册》的相关计算公式[1]：

Q=KAΔt

式中Q——热负荷，W；

K——总传热系数，W/(m2·℃)；

A——换热器传热面积，A=9.14 m2；

Δt——进行换热两流体的平均温差，℃。

该型锅炉尾气排放余热负荷Q=MCpΔt=175×1.41×90=22207.5 kJ/ h 。

根据计算结果，为充分回收烟气中的显热和水蒸气的凝结潜热，笔者选择BLN-4型不锈钢换热器较为合适，补水进口端为冷凝端，出口为冷却端，其技术参数为：

工作压力 2.5MPa

进水温度 20℃

出水温度 80℃

换热面积 10.8m2

余热回收率 45%

由国家锅炉压力容器质量监督检验中心进行了新产品能效检测，结果列于表1。

表1 加装余热回收装置前、后能效对比

4 经济效益

根据以上实际检测数据，每天节约天然气100Nm3，每年按330天生产计算，每年节约天然气33 000Nm3，天然气价格按1.68元/Nm3,每年可节约55 440元，投资在3年内就可收回，经济效益显著。

5 结束语

半冷凝余热回收装置能充分回收利用天然气锅炉烟气余热(显热与潜热)，达到节能减排目的。半冷凝余热回收器装置具有造价低、安装使用方便以及自动控制运行等特点，投资短期内可回收。半冷凝余热回收装置在使用中也发现一些不足：烟气中CO2和SO2和冷凝水生成碳酸和微量硫酸，对冷凝水管道和换热气接水盘有一定的腐蚀作用，因此必须要定期进行检查更换。

[1] 钱颂文.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2006：165～167.