工业烟气余热回收利用方案优化分析

罗先辉

摘  要：我国工业余热资源较为丰富，但是余热的回收利用效率不高，其中烟气余热的节能利用潜力巨大。以工业烟气余热回收利用为研究对象，对工业烟气余热回收利用方案优化进行了分析，希望能为相关研究领域提供借鉴。

关键词：工业烟气;烟气回收;烟气余热;节能设备

中图分类号：X706                文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.022

当前，我国资源、能源问题日益严峻，引起了国家与各地政府的高度关注。在节能减排的背景下，为了节约资源，实现社会经济的可持续发展，对工业烟气余热进行回收利用成为了大势所趋。在工业生产中，对烟气余热进行回收利用不仅节约了能源，保护了生态环境，还能为我国经济社会的建设与发展提供强大动力支持。

1  工业余热回收利用现状

工业余热主要是指在工作生产过程中使用的热能转换设备和相关机械设备中未被利用的能量。总体来看，我国余热资源较为丰富。相关研究资料显示，我国余热资源数量平均高达4.0×107 t标准煤。

工业部门的余热资源平均率为7.3%，但是回收利用率却只为34.9%.我国余热资源之所以回收利用率较低，主要原因是过多的余热量以各种形式浪费掉。在工业未来发展中，可以看出余热资源存在巨大的回收利用潜力。随着科学技术的发展，通过有效的管理、设备改造升级、节能操作等手段，可以使余热资源得到有效利用，余热资源利用回收率将会大幅提高。在现代工业发展中，充分利用余热资源，对提高资源平均利用率具有重要意义，同时这也是工业发展中亟需解决的问题。

2  利用烟气余热的原则

合理利用能源，主要是在能量系统中使数量保持平衡，使质量匹配合理化。在烟气余热的利用过程中，要使烟气余热利用价值最大化，燃料要在高温下充分燃烧。由于燃烧燃料有多种类型，发热量和绝热燃烧温度也会存在差异。因而在对燃料进行评价时，不仅只考虑热值，还要考虑到材料的质量，准确判断材料性质，合理利用。同时要减少损失量，在利用烟气热能时，要尽可能地减少各类损失，包括传热温差、摩擦等，实现质量合理匹配，做到热尽其用。如果在只需要低热能的场合使用高质量热能，必然会造成燃料的浪费。另外，要合理应用总能系统，按照能量高低，采用梯级的利用方式，合理匹配功、热等能量之间的关系，全面考虑环保、热力、经济等多方面的因素，实现余热利用的良性循环。需要指出的是，在通过余热回收实现节能的过程中，不能只是为了回收而回收，还应该考虑节能装置本身的热效率，通过改进装置结构来节约能耗，提高经济效益。图1为烟气余热回收方案。

3  设计工业烟气余热回收利用优化方案

烟气回收工作中使用的主要设备是余热回收换热器，它是工业生产中的主要节能设备，在提高工业烟气热效率的同时，还能够大幅提升能量的有效能效率。因而在设计工业烟气余热回收利用优化方案时，就需要对换热器进行优化。

3.1  确定优化目标

余热回收换热器最优方案受到多种因素的影响，包括能源价格、原材料价格、安装费用、贷款方式和利率等。另外，技术因素也会对其产生影响，例如换热器性能和使用寿命。

当前比较明显的优化目标方案主要有换热器回收预热年净收益最大目标函数、基于相对费用参数的换热器优化目标函数、最小投资回收年限目标函数等。这些目标函数的取法各有利弊，利用追求年净收益最大和相对费用参数的目标函数对预热回收效果进行了定量研究，但是能量、质量没有得到准确反映;而换热器优化目标函数虽然对能量的考虑更全面，但在投资经济效果方面存在欠缺。

针对上述目标函数确定方法的利弊，我们在热力学分析的基础上建立了工业烟气余热回收利用额价值型技术经济评价指标——净现值，用于对余热回收换热器热力学性能与经济效益进行综合评价。

3.2  选择设计变量

设计变量就是设计工作中需要选择的参数，也就是目标函数中的待解参数，是目标函数的基本组成成分，选择合适的设计变量对目标函数非常重要。

换热器设计工作主要有热力学设计、结构、强度三方面内容，热力学设计主要工作有计算换热面积、提高换热效果、调整换热面积、完善系统设计与控制方案、合理选择设备型号，同时合理选取设计参数，包括换热面积、换热温差、换热系数等。在结构强度方面需要保证结构强度，提高系统的高温稳定性，保证结构运行安全。

在设计参数选取中，换热面积的确定是比较重要的一个问题。增加换热面积能够升高空气预热温度，空气预热温度为相关变量，换热面积则为独立变量。换热面积增加能够提高预热回收量，然而也会导致运行维护费用增加，所以在设计中需要控制设计变量维数，选择独立变量换热面积为设计变量，求解目标函数，实现设计参数的优选。

3.3  约束条件

预热回收换热器优化设计约束条件有技术和经济两方面。

3.3.1  壁温

余热的温度范围较大，甚至可能超过1 000 ℃，然而在余热回收中，换热器传热面所能承受的最高温度是有限制的。温度过高时，余热回收不充分。壁温主要受换热器材质、流型、结构的影响。

3.3.2  传热面积

传热面积的确定要综合考虑换热效率和经济效益，安装、维修等具体条件也会影响传热面积。

3.3.3  流体输送功率消耗

预热回收装置会增加预热源通路阻力，造成风机功率消耗偏大，需要根据经验选择合理的流速范围。

3.3.4  结构强度

设计中，换热器不同部分热膨胀问题对结构强度提出了要求，所以需要根据实际情况合理选择结构强度设计值。

3.4  经济技术分析

选取设计参数，设定约束条件，建立分析模型进行分析。预热回收换热器优化中考虑最多的问题是提高换热器经济效果，使用技术经济评价指标能够准确对其进行衡量。技术经济评价指标有时间型、效率型、价值型等不同的评价指标，本次研究使用净现值动态分析按照资金的时间价值考虑是否可以选用静/动态分析方法。

本次研究使用净现值动态分析评价方法评估方案的经济效果。净现值是一种有效的计算方式，能够真实反映工程项目建设期间以及生产服务年限内的获利能力，是一个综合的动态评价体系，是方案取舍的有效判据。NPV=0表示方案达到了基准收益水平;NPV>0，表示该方案在满足基准收益水平要求的同时还能够获得超额收益，方案是可取的;NPV<0，说明方案不能获得规定基准收益，是不可取的方案。

使用该模型和评价指标进行本次预热回收利用方案优化的技术经济性能评价，发现方案的燃料节约率大为提高，二氧化碳排量大量减少，整体运行经济效益和环保效益良好。

4  结束语

近年来，能源危机日益严峻，节能减排成为了世界性的研究热题。我国余热资源较为丰富，但是整体回收利用效果不够理想。在工业生产中，中、低温烟气余热回收利用还有很大提升空间，因而我们要给予工业烟气余热回收利用足够的重视。要加大对回收利用方法的研究，使工业烟气余热回收利用方案不断得到优化，节约资源，降低能耗，减少运行成本，提高经济效益，促进经济社会的可持续发展。

参考文献

[1]鞠硕华，颜丽娟，廉学军.烟气余热回收利用技术经济分析[J].中国建筑，2012，12（9）：13.

[2]孟嘉.工业烟气余热回收利用方案优化研究[D].武汉：华中科技大学，2012，05（01）：12-13.

[3]刘功国，吴秋廷.转底炉高温烟气余热回收利用分析研究[J].矿冶，2011，12（15）：9-10.

〔编辑：王霞〕

Optimization Analysis of Waste Heat Recovery and Utilization Plan of Industrial Gas

Luo Xianhui

Abstract： The waste heat resource of our country is rich， but the waste heat recovery efficiency is not high， and the flue gas waste heat energy saving energy use potential is huge. Taking the waste heat recovery and utilization of industrial flue gas as the research object， the optimization of the waste heat recovery and utilization of industrial gas is analyzed， and it is hoped that it can provide reference for the related research field.

Key words： industrial flue gas; flue gas recovery; flue gas waste heat; energy saving equipment