一种附加能量式节能锅炉系统

张文涛　夏文庆

摘 要：附加能量式节能锅炉系统利用高压蒸汽作为动力源，高压蒸汽受到引射作用后产生1个低压区，利用水在低压下具有的蒸发温度降低特性，可从周围环境或其他难以利用的低品位热源中吸收热量，达到“以热制热”的目的，从而提高锅炉系统的热效率。具体分析了附加能量式节能锅炉系统的组成、工作原理和研究意义等，总结了其相比于传统锅炉系统的优点，以期为今后锅炉节能技术的发展提供参考。

关键词：锅炉系统；附加能量；热量；热效率

中图分类号：TK221 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.102

能源是人类生存的重要物质基础，也是社会发展必不可少的源动力。由于经济发展的需求，能源已成为当今各国政治、经济、军事和外交等领域关注的焦点。世界各国都在大力发展节能技术，达到降低能源消耗的目的。而在我国，有80%的工业用煤用于锅炉燃烧，且工业燃煤锅炉的运行热效率仅有65%左右，与发达国家相比有很大差距。因此，提高锅炉的热效率将成为我国节能减排中的关键问题。

1 系统的主要组成和工作原理

1.1 系统的主要组成部分

附加能量式节能锅炉系统的主要组成部分包括主锅炉、高压蒸汽发生器、水分离器、分汽缸、低压热交换器、低品位热源、一级引射器、二级引射器、三级引射器和阀门等部件。该系统与传统锅炉系统相比，新增了高压蒸汽发生器、引射器和低压热交换器等部件，导致系统结构较为复杂，且附加能量式节能锅炉主锅炉内部会根据锅炉设计运行，出口状态可为蒸汽或热水。因此，高压蒸汽发生器设计工况参数应高于主锅炉，且可以调节。

1.2 系统的工作原理

锅炉给水分为3路：第一路连接主锅炉的补水口、第二路连接高压蒸汽发生器的补水口、第三路连接低压热交换器的补水口。因3路的补水压力不同，可在分路上加装不同程度的减压阀。工作原理为：高压蒸汽发生器内的水会吸收燃料（比如燃煤）燃烧释放的热量，生成高温、高压的蒸汽；蒸汽经过水分离器，其中的水会分离出去；蒸汽进入分汽缸；分汽缸的出口与多级引射器的喷嘴相连，即分汽缸的多路出口分别与单个引射器的主喷嘴相连，第一级引射器的抽气管与上述低压热交换器的出汽口相连，次一级引射器的抽气管与上一级喷射器的出口相连，出口可直接与主锅炉相连，也可与下一级引射器的抽气管相连；通过阀门控制，最后一级喷射器的出口与主锅炉的入口相连，或最后一级不使用。经过引射器的引射作用，在低压换热器的上方会形成低压区，使换热器下方的水处于低压环境，从而降低饱和水蒸汽的温度。此时，换热器内的水可吸收热源热量，以补充被引射器抽走的蒸汽，从而维持平衡。在引射器中，引射蒸汽与被引射蒸汽混合，并被下一级引射器引射，反复此环节后，待最终混合蒸汽的压力高于主锅炉时，直接供给主锅炉使用。

1.3 系统热力理论分析

该锅炉系统的热力学原理图如图1所示。从图1中可以看出，各个点分别代表附加能量式节能锅炉部件的热力学状态参数：点“0”表示给水状态，点“1”表示高压蒸汽发生器出口蒸汽的状态，点“6”表示低压换热器的给水状态，点“5”表示低压换热器出口蒸汽的状态，点“4”表示一级引射器出口状态，点“3”表示二级引射器出口的状态，点“2”代表三级引射器出口的状态。低压换热器中的水吸收的热源热量由点6状态变为点5状态；点1状态的蒸汽通过一级引射器的喷嘴（假设引射器绝热）经过绝热膨胀变成点5状态，并与点5状态的蒸汽在引射器接受段与混合段中充分混合形成点5”状态的蒸汽；点5”状态的蒸汽进入扩压段后绝热压缩，最终变为点4状态蒸汽；点1状态的高压蒸汽再次通过二级引射器；引射点4状态的蒸汽变为点3状态蒸汽；经过三级引射器，将点3状态的蒸汽最终变成将点2状态的混合蒸汽（或汽液混合物）后，输送至主锅炉。

在引射器中，引射蒸汽和被引射蒸汽均处于绝热过程。因此，由点1状态的单位质量的高压蒸汽引射所产生的附加能量值为：

式（1）中：q1为附加能量值；μ1为一级喷射器1 kg高压蒸汽引射的锅炉给水量；h表示单位质量的焓值。

则可将引射效率ε定义为引射吸收的能量与引射投入能量的比值：

式（2）中：ε为引射效率；μ2，μ3分别表示二级、三级喷射器1 kg蒸汽引射的前级锅炉汽液混合物量；h0表示环境温度下给水的焓值。

通过式（2）可计算通过引射器多级引射作用所增加能量的百分比，也可计算锅炉系统热效率的提高程度。

2 系统性能的对比分析

目前，提高锅炉热效率的方法有很多种，比如在锅炉炉膛内使用拱炉、分层燃烧技术、烟气余热利用等，这些技术均可减少能量损失、提高能源利用率。但就目前锅炉系统的运行热效率看，这些技术的应用并没有起到预期的效果。在热电厂等锅炉使用场所，通过回收部分被排入到环境中的能量，理论上可使热效率达到95%以上，但因系统庞大，并不适宜推广，且目前锅炉系统的排烟温度较高（不宜<200 ℃），这在无形中浪费了大量的热量。

本文介绍的附加能量式节能锅炉系统可实现“以热制热”，

而不像传统锅炉以提高热量利用率为出发点。附加能量式节能锅炉系统在原有的热量利用率下，将产生的压力转换成动能，并以动能作为能量源“制造”新的热能。由此可见，与传统锅炉系统相比，附加能量式节能锅炉系统在能源利用率上有了很大的提高。附加能量式节能锅炉系统通过低压换热器，可吸收自然环境中的热能，而自然环境中的能量是巨大、可再生和无污染的，从而使锅炉系统对环境造成的污染也很小。附加能量式节能锅炉系统在提高锅炉热效率的同时，还可制冷，达到了一机多用、充分利用能源和减少能源消耗的目的。

3 结束语

本文通过介绍附加能量式节能锅炉系统的结构组成、系统原理等，为提高锅炉系统的热效率提供了一种崭新的方法，拓宽了提高锅炉系统热效率的途径。同时，该方法突破了传统提高锅炉系统热效率方法的瓶颈，尤其是可使锅炉系统的热效率得到质的提高，且具有节能减排、无污染的优点，可为提高锅炉系统热效率的研究提供参考，从而为我国的节能减排作出更大的贡献。

参考文献

[1]江泽民.对中国能源问题的思考[J].上海交通大学学报.2008，42（03）：345-359.

[2]柳鹏飞.高效节能型冷凝式锅炉的研究与开发[D].大连：大连理工大学，2012.

[3]田琦.太阳能喷射式制冷[M].北京：科学出版社，2007.

[4]曾丹苓.工程热力学[M].北京：人民教育出版社，1980.

〔编辑：张思楠〕