船舶垃圾焚烧炉及柴油动力装置余热综合利用系统*

曾广博，吴 婕，谢明超，陈新恩

（1. 华南理工大学电力学院，广州 510640；2. 广州航海学院，广州 510725）

船舶垃圾焚烧炉及柴油动力装置余热综合利用系统*

曾广博1†，吴 婕1，谢明超1，陈新恩2

（1. 华南理工大学电力学院，广州 510640；2. 广州航海学院，广州 510725）

从船舶节能角度出发，提出了一种综合利用船舶垃圾焚烧炉及柴油动力装置余热的回收系统。对系统各部件和工质参数进行计算，为设备设计和选型提供依据；对系统进行㶲平衡和热平衡计算，系统中锅炉的㶲损失最大为68.1%，冷凝器的㶲损失最小为3.17%；对系统进行经济性分析，结果表明系统能量利用率εE提高了3.54%，动力装置有效热效率ηe提高了3.11%，系统获得额外约1300（万元/年）的收益，投资回收期约为1.6年，对该余热回收系统进行投资是切实可行的。

船舶垃圾；柴油动力装置；余热；热经济分析；㶲分析

0 引 言

目前垃圾焚烧处理作为一种比较成熟的处理斱式已在远洋船舶上得到广泛应用，但由于实际应用中焚烧炉处理量不大，且船上配置能源较多，所以其产生的高温烟气均未加以利用[1]。这部分废热由于温度高，可利用潜力巨大，应采取措施加以回收利用。

相对于柴油动力装置余热开发利用而言，目前国内外有关船舶垃圾焚烧炉余热利用的研究较少，而系统地探讨如何综合利用船舶垃圾焚烧炉及柴油动力装置余热的文章则更少。本文提出了一种船舶垃圾焚烧炉及柴油动力装置余热综合利用系统，幵着重探讨其工作原理及热经济性。该系统主要针对配置大型柴油机的船舶，余热锅炉产生的蒸汽除了用于加热和生活杂用，还带动蒸汽透平发电机组产生电能，代替或部分代替柴油发电机组的工作，可降低燃油消耗。

1 系统设计

1.1 系统工作原理及优点

本文提出的船舶垃圾焚烧炉及柴油动力装置余热综合利用系统如图1所示。垃圾焚烧炉和柴油机排出的烟气通过总热烟道进行汇合，经过排气涡轮增压器后进入余热锅炉，最后排入大气中。给水泵将热井中的低温给水输送至一、二次预热器进行预热后进入汽包。汽包进行汽水分离，饱和水通过循环水泵进入二次预热器，加热来自一次预热器的锅炉给水，接着依次通过经济器和蒸发器后返回汽包；饱和蒸汽分为两路，一路通入过热器变成过热蒸汽后进入汽轮发电机做功，做完功后的乏汽在凝汽器冷凝成液态，经过凝结水泵后返回热井；另一路直接通向船上各蒸汽加热设备，经利用完后的部分蒸汽或汽水混合物返回热井。当上述余热系统不能满足全船用电用热需求时，可启动辅锅炉，保证供电供热。

不再设置鼓风机以冷却高温烟气，既简化了垃圾焚烧炉设备，又可达到节能的效果。系统设置了总热烟道，垃圾焚烧炉和柴油动力装置的烟气都经总热烟道集中回收利用，可统一处理后再排出，从而简化环保设备装置、降低投资成本、提高运行管理效率。此外，利用柴油机冷却水的热量预热给水，提高了余热利用率，节能效果更加明显。

表1 Sulzer 7RTA62U-B型柴油机参数Table 1 Parameters of Sulzer 7RTA62U-B-type diesel engine

1.2 系统参数设计

1.2.1 烟气参数

（1）柴油机烟气

船舶动力装置选取 Sulzer 7RTA62U-B型柴油机，按 100%MCR工况进行计算，烟气出口温度t1′ = 300℃，主要参数见表1[2]。

（2）垃圾焚烧炉烟气

船舶垃圾焚烧炉出口烟气流量qm2根据船舶垃圾干燥基的元素分析[3]，按工程燃烧学相关理论进行计算[4]。

对于万吨级货轮，船舶每天产生的垃圾量按8吨计算[5]，船舶垃圾焚烧炉出口的烟气温度t2′ = 1100℃[6]，对应的标准烟气密度ρ= 0.257 kg/m3，过量空气系数α取1.6。

经计算得到垃圾焚烧炉出口烟气流量：

式中，Vy为实际烟气量，m3/kg。

（3）混合烟气

混合烟气总流量：

混合烟气温度根据热平衡进行计算：

式中，Cp1、Cp2为平均定压比热容[7]。

计算得到混合烟气温度t= 307℃，考虑管道热量损失，取300℃作为余热锅炉入口混合烟气温度。

1.2.2 余热锅炉、凝汽器和热井特性参数

计算公式见表 2，具体参数说明见参考文献[2]和[8]，计算说明和计算参数具体取值如下：

锅筒压力按0.9 MPa计算；

海水入口温度tsw取为20℃；

给水经预热器后温度取为75℃；

Gsat为全船加热蒸汽量，0.54 kg/s[9]；

ηB为余热锅炉效率，取为ηB= 0.98；

t1为锅炉入口烟气温度，300℃；

t2为锅炉出口烟气温度，170℃；

tn为凝汽器过冷水出口温度，过冷度取0.5℃时为32.4℃；

tf2为饱和蒸汽经加热设备换热后的温度，取为80℃；

hid为进入锅筒的给水热焓，kJ/kg，一般取tid=tsat- 10℃，取为165℃；

h1ECO为经济器进口水的热焓，kJ/kg，文中按125℃进行计算；

h2ECO为经济器出口水的热焓，kJ/kg，一般取低于饱和水温12℃，取为163℃；

HT2S′为凝汽器压力下的饱和水焓，凝结水过冷度取0.5℃时，HT2S′= 135.68 kJ/kg；

tsw′为海水出凝汽器的温度，一般比凝汽器饱和温度低5 ～ 6℃，取为27.4℃。

表2 余热锅炉、凝汽器和热井特性参数计算公式Table 2 Computational formula of waste heat boiler, condenser and hot well's parameters

2 系统余热能量分析

2.1 系统的余热能量组成

在柴油机燃烧过程中约35% ～ 50%的热量转变为机械功，27% ～ 40%的热量被排气带走，15% ～30%的热量被冷却介质带走，机器表面散热带走2%～ 8%的热量[10]。船舶垃圾焚烧炉目前所产生的高温烟气均作废气直接排出，未加以利用，造成很大的能源浪费。

2.2 系统的热分析

为简化计算，本文不考虑饱和蒸汽产生量及泄漏损失等，烟气按理想气体计算，锅炉工况稳定，环境温度为20℃。该系统的简化朗肯循环T-S图如图2所示。系统相关参数按照前面计算所得，见表3。

图2 朗肯循环T-S图Fig. 2 T-S diagram of the Rankine cycle

已知汽轮机的相对内效率ηT= 0.85，水泵的相对内效率ηP= 0.9，汽轮发电机组的机械效率ηM= 0.96，发电机的电效率ηE= 0.97，锅炉的热效率ηB= 0.98。由于船舶废弃物与城市垃圾成分比较相似，主要构成为生活废弃物，其特点是含水量较高、热值低，故选取典型城市生活垃圾的热值当作船舶垃圾热值进行计算，其热值为6700 kJ/kg[3]。

单位时间里垃圾焚烧炉烟气在余热锅炉中的换热量为：

烟气发热值为：

1 kg排气能产生的蒸汽量m为：

式中，Q1为柴油机排气在余热锅炉中的换热量，4692 kW；q1为1 kg水蒸汽在余热锅炉中的吸热量，q1= h1″ -h2= 2872.6 kJ/kg。

表3 朗肯循环各状态点的参数Table 3 Rankine cycle parameters for each state point

2.2.1 系统的㶲平衡分析

根据热力学理论和相关文献[4,11]，由表3参数可求得工质在系统各部件的㶲损和㶲效率。㶲损以1 kg蒸汽计算，㶲损率是各部分㶲损失占烟气㶲的百分数，用ξi表示，详细计算结果见表4。

表4 系统各部件㶲分析Table 4 Exergy analysis for the components of the system

2.2.2 系统的热平衡分析

由前面分析知，产生 1 kg蒸汽所需烟气量为m′= 1/m= 15.625 kg，则产生1 kg蒸汽所需烟气提供的能量为：

装置输出有用功为：

输出有用功占总能量比例为：

蒸汽管道及节流阀热损失为：

冷凝器热损失为：

锅炉热损失为：

其他热损失为：

根据热平衡和㶲平衡计算结果可得：

（1）从热平衡角度分析，锅炉热效率高达98%，排烟、散热等损失仅占2%，但从㶲平衡角度分析，锅炉内㶲损率达68.10%，是该系统中㶲损失最大的设备。其主要原因是烟气与水和水蒸气之间传热温差较大。因此，提高余热发电系统的㶲效率的主要途径是要提高锅炉的㶲效率。

（2）冷凝器中乏汽放给冷却水的热量占了燃料提供热量的74.41%，但冷凝器的㶲损失仅占3.17%。可见冷凝器的㶲损失幵不大，也即损失的做功能力不大。

（3）汽轮机的㶲损失在整个余热发电系统中居第二位，占输入烟气㶲的 3.96%。主要是由工质在汽轮机中的不可逆膨胀引起的，提高其相对内效率可减少㶲损失[12]。

3 系统经济性分析

3.1 船舶能量利用评价

评价整个船舶能量利用优劣的指标有能量利用率εE和动力装置有效热效率ηe。

根据船舶动力装置的热平衡关系，整个船舶的有效利用热能QEF为：

式中：NT为螺旋桨发出的有效推动功率，NTA为汽轮机发电机功率；Gsat(hsat″-hfw)为船用加热蒸汽所消耗的热能。

当船舶动力装置传动效率ηTC= 0.94[13]时，螺旋桨发出的有效推动功率为：

则可算得：QEF= 17121.39 kW

输入船舶动力装置的总热能 Qin对于未回收余热的最简单动力装置为：

式中：BME、BAE、BAB分别为主柴油机、柴油发电机和辅锅炉每小时的耗油量，由相关资料可查得其分别为4000 kg/h、240 kg/h和185 kg/h[8]；Qp(ME)H、Qp(AE)H、Qp(AB)H分别为主柴油机、柴油发电机和辅锅炉所用燃料的低位发热值，为简化计算，均取柴油作为燃料，低位发热量为41520 kJ/kg。

则可算得：Qin= 51000 kW。

因此，船舶在未回收余热时，能量利用率εE为：

当余热能量能满足全船用电及用热时，柴油发电机及辅锅炉的耗油量BAE及BAB皆为0，这时能量利用率εE变成为37.11%。

一般用动力装置有效热效率ηe来表征动力装置的经济性，它是动力装置所发出的有效推动功率的相当热量与输入装置的总热量之比，所以也能表征能量利用的优劣。

则船舶在未回收余热时，其动力装置有效热效率ηe为29.48%。

当余热能量能满足全船用电及用热时，ηe为32.59%。

船舶在设置余热综合利用系统后，能量利用率εE提高了 3.54%，动力装置有效热效率 ηe提高了3.11%，节能效果显著。

3.2 经济效益分析

由前面分析可知，船舶在设置余热综合利用系统后，若余热能量能满足全船用电及用热需求，船舶将不再设置柴油发电机，辅锅炉也不用运行，则节省的燃油量为：

假定船舶每年海上航行的时间为 280天（即6720 h）[14]，则可节约燃油约2856吨/年。按燃油价格4500元/吨计算，可节省燃油费用1285 （万元/年）。

此外，船舶垃圾焚烧炉每天处理8吨船舶垃圾。若按每吨20元[15]的船舶垃圾处理费计算，可节省垃圾处理费4.32（万元/年）。

同时，货轮船舶每年大约可多运载货物1080吨（假设按垃圾产生总量的50%计算）。若每吨货物运费为150元，则每年增加的载货量收益为10.8万元。

因此，余热综合利用系统获得额外收益总数为：1285 + 4.32 + 10.8 = 1300.12（万元/年）。

3.3 系统投资评估

按照上述费用，再根据相关资料[2,16,17]可估算得该余热综合利用系统初投资P为1943.22万元，投资年利息 i为 6%，每年获得的净收益 A为1300.12万元。

设投资回收年限为n年，据技术经济分析的投资年限分析法[18]，有以下公式：

由此可得投资回收期n为：

经计算得：n ≈ 1.6年（＜ 5年），表明对该余热综合利用系统进行投资切实可行。

4 结 论

（1）本文提出了一种船舶垃圾焚烧炉及柴油动力装置余热综合利用系统。系统设置总热烟道，不再设置鼓风机等改进措施，简化了环保设备装置、降低投资成本、提高了余热利用率，节能效果更加明显。

（2）

根据㶲分析，本系统中锅炉的㶲损失最大，为68.1%；其次是汽轮机，为3.96%；冷凝器的㶲损失不大，仅 3.17%。提高本系统㶲效率的主要途径是要提高锅炉的㶲效率。

（3）根据经济性分析，采用本系统后，能量利用率εE提高了3.54%，动力装置有效热效率ηe提高了 3.11%，节能效果显著。采用本系统获得额外收益为1300.12万元/年。投资回收期约为1.6年，对其投资是切实可行的。

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Waste Heat Comprehensive Utilization System of Marine Solid Waste Incinerator and Diesel Power Plant

ZENG Guang-bo1, WU Jie1, XIE Ming-chao1, CHEN Xin-en2
(1. Electric Power College, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. Guangzhou Maritime College, Guangzhou 510725, China)

For the energy saving, a comprehensive waste heat recovery and utilization system was proposed. The parameters of working fluid and system components were calculated to provide a basis for equipment design and selection in this paper. Exergy and heat analysis were applied for the system and the results show that the boiler has the maximum exergy loss of 68.1% while the condenser has the minimal exergy loss of 3.17%. The result of the economic analysis shows that the energy efficiency (εE) is increased by 3.54%, and the effective thermal efficiency (ηe) is increased by 3.11%. The system can gain about 13 million yuan per year and the investment payback period is about 1.6 years which show that this waste heat recovery system is feasible from the economic view.

garbage from ships; diesel power plant; waste heat; exergoeconomic analysis; exergy analysis

2095-560X（2014）01-0070-06

TK2

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.01.012

2013-12-16

2014-02-18

深圳市新型锂离子电池与介孔正极材料重点实验室2012年度开放课题（20120212）；广州市黄埔区科技计划项目（201258）；广东省科技计划项目（2012B010500030）

† 通信作者：曾广博，E-mail：zengguangbo1204@163.com

曾广博（1990-），男，硕士研究生，主要从事高效低污染燃烧研究。

吴 婕（1984-），女，博士，讲师、硕士生导师，主要从事固废能源高效清洁利用。