二级节能器在工厂锅炉上的应用案例分析

王一闻上海烟草集团有限责任公司上海卷烟厂

0 引言

天然气锅炉已广泛应用于工业及民用生产生活中，其最主要的热损失为排烟损失，即烟气离开末级受热面未带走的热量，约占锅炉燃料的18%。排烟热损失主要决定于排烟温度，排烟温度越高，排烟热损失越大，导致锅炉热效率降低，能耗增大，造成经济效益降低能源浪费。当锅炉安装一级节能器后此排烟损失可降至10%。

某工厂D区工房目前使用的天然气锅炉系统已有一级节能器、连排板式热交换器、冷凝水回收器。故可将排烟损失由18%降至10%，本课题将着重研究如何将排烟损失（10%）进行进一步的热量回收，通过二级节能器进一步对烟气中的热量进行回收利用，将锅炉的效率提升约5%。

1 D区锅炉房能耗现状

D区工房天然气锅炉能耗占该工厂能耗中较大一部分。据调研可知，工厂用蒸汽量随着季节变化有波动，秋冬季全厂用汽量会持续升高，天然气费用所占比也会持续上升。因此有效降低锅炉的能耗，提升锅炉效率不仅具有节能减排效益，同时能够有效降低全厂能源成本，具有良好的经济效益，助力全厂实现节能降耗目标。

2 降低排烟损失的技术措施

降低锅炉排烟损失最直接的方式是将烟气中的热量进行热交换，带走烟气热量，使烟气中的水蒸气冷凝，降低排烟温度。

工厂锅炉排烟温度在180℃左右，经过一级节能器后约150℃排向大气，增加二级节能器可以大幅降低排烟温度（低于水蒸气及烟气露点温度）。在能量回收的同时可以减少有害气体的排放，减少空气污染。

二级节能器利用温度较低的软水冷却烟气，实现烟气温度的降低，靠近换热面区域，烟气中的水蒸汽冷凝，同时实现烟气显热释放和水蒸汽凝结潜热释放，换热器内的软水吸热而被加热，实现热能回收，提高锅炉热效率。

根据各类文献，锅炉二级节能器对锅炉效率的提升大多都是从锅炉烟气侧来计算，即排烟温度降到某个数值时锅炉效率提升多少。但此类计算均为纯理论计算，有些参数条件为固定值并不一定符合锅炉实际运行时随负荷变化而波动的情况，且无法实时跟踪计算数据。而本项目是根据二级节能器进出水的温度来测算二级节能器对锅炉效率的提升，数据更加直观，计算结果更加准确且不受锅炉负荷变化而造成的干扰影响，还可实时跟踪计算数据并以此拟合曲线趋势，形成长效机制。

3 改造实施方案

3.1 二级节能器的种类及区别

二级节能器的种类见图1，节能器种类及区别见表1。

图1 直接接触式二级节能器类型

由于D区工房燃气锅炉给水需采用软化水，对水质要求较高，因此在选用二级节能器时，采用间接接触式二级节能器。

3.2 二级节能器的控制方式

1）二级节能器软水出口温度控制烟气挡板的启闭。

通过控制二级节能器烟气挡板的开关来控制烟气是直接通过二级节能器烟气旁通向空排放或烟气经过二级节能器内水侧盘管加热管道内软水。此种控制是根据二级节能器出口软水温度控制烟气挡板开关。低于设定温度，关闭烟气挡板使烟气经过水侧盘管加热管道内软水。高于设定温度，打开烟气挡板使烟气直接向空排放。此种控制烟气余热无法充分吸收且排烟温度不可控。

表1 二级节能器的种类及区别

图2 启闭型控制

2）二级节能器进水流量控制二级节能器排烟温度

通过控制进水流量（进水电动阀的开度）来控制排烟温度处于设定值附近。当排烟温度高于设置温度越多，进水电动阀开度越大，使更多的软水流经二级节能器进行换热来降低排烟温度。此控制方式烟气完全经过二级节能器内水侧盘管，当设定一个比较低的排烟温度时可充分吸收烟气余热。D区工房天然气锅炉采用该控制方式。

3）防止烟气低温腐蚀的方法

天然气锅炉烟气中含有大量CO2和NOx。从下面两个公式中可以看出：CO2和NOx在二级节能器中与冷凝结露的H2O结合生成对应的酸。

为了应对烟气低温冷凝形成的酸对二级节能器造成腐蚀，有以下几种方法：

（1）深镀耐腐金属涂层：使用耐酸金属深镀在节能器及烟道金属表层，渗入金属母材几微米，阻隔亚硫酸等与受热面或烟道母材的接触，引起防腐作用。

（2）化学中和法：天然气、燃油中含硫成份较少，亚硫酸生成量也有限，可在烟道进口适当加注相应的碱质中和烟气中的酸液，防止腐蚀烟道及吸热器。

（3）烟垢防护法：二级节能器安装后不向二级节能器进水，正常使用锅炉燃烧（天然气炉2～3个月）。让烟垢先附着在吸热面上结有薄烟垢，起到阻隔烟气中结露酸液与金属界面直接接触，达到阻滞金属腐蚀作用。

（4）使用耐腐蚀金属材质：使用耐腐蚀性强的金属材质，对抗酸对于二级节能器的腐蚀，延长设备使用寿命。

D区工房天然气锅炉选用316不锈钢材质作为二级节能器内翅片管换热器的材质。在锅炉调试结束后不向二级节能器进水，使用锅炉3个月后再进行二级节能器的调试工作，使二级节能器内翅片管换热器上结有一层薄烟垢起到阻滞金属腐蚀作用。

4 改造结果

为准确计算二级节能器节能效果，在D区工房4台天然气锅炉二级节能器的出口管道、连排板式热交换器出口管道安装温度变送器，并对运行数据进行实时采集。连排板式热交换器出口温度即为二级节能器进水温度。

锅炉二级节能器进出口的温度提升即为二级节能器对于软水加热效果的体现。连排板式热交换器出口温度即为二级节能器进水温度，通过二级节能器出口的流量计可以得知换热器内的软化水流量，计算二级节能器的换热量。为了充分利用二级节能器的热量，锅炉运行过程中将排烟温度设至0℃，使二级节能器的进水电动阀始终保持最大开度，软化水流经二级节能器与烟气进行充分换热。

工厂D区工房4台燃气锅炉典型日二级节能器运行情况详见图3。

通过连续监测加装二级节能器后锅炉运行效率变化，可得出4台锅炉运行效率均提升约5%，详细数据变化详见图4（a）-4（d）。

根据锅炉天然气账单可知，4台锅炉加装二级节能器后，月节约约20.3 tce，月节约天然气费用65 365.4元。

图3（a）-图3（d）

图（4a）1#锅炉运行效率提升情况

图4（b）2#锅炉运行效率提升情况

图4（c）3#锅炉运行效率提升情况

5 结论

基于降低工厂锅炉系统能耗的节能技术，通过分析某厂区D区工房4台天然气锅炉加装二级节能器的改造实施方案，表明天然气锅炉加装二级节能器能够降低锅炉排烟损失，进一步回收烟气显热和水蒸汽凝结潜热，提高锅炉热效率。根据锅炉运行数据采集分析，加装二级节能器后锅炉效率提升约5%，月节约标煤约20.3 tce，月节约能源费用65 365.4元，具有良好的节能减排效益及经济效益。

天然气锅炉加装二级节能器的技术是提高锅炉用户环保效益、经济效益和社会效益的重要技术之一，可在工业领域大力推广应用，为工业企业的绿色发展提供切实保障，实现工业企业“绿色工厂、绿色制造”的目标，值得推广复制。

图4（d）4#锅炉运行效率提升情况