余热余压在锅炉节能减排中的有效应用探析

谢栋华

（厦门长塑实业有限公司，福建 厦门 361000）

引言

随着全球环境压力的加剧和能源消耗的增加，如何提高能源效率，实现节能减排成为了一项重要的任务。对于众多工业生产过程中的设备，尤其是锅炉，其中所蕴含的余热余压是一项宝贵的能源，若可以有效利用，不仅可提高能源利用效率，同时也可减少二氧化碳的排放。本文将深入探讨余热余压在锅炉节能减排中的有效应用，通过具体的案例分析，揭示其如何在实际中发挥作用。

1 余热余压简述

余热通常指的是在生产过程中所产生的，而又无法直接利用的热能。这种热能的存在形式十分多样，包括高温烟气、高温产物、热化学反应、高温冷却水等。当这些热能没有得到合理利用时，便会形成废热，不仅浪费了能源，也对环境造成了负面影响。

余压是指设备运行过程中产生的、超出设备工作所需压力的部分压力。在一些压力设备或系统中，由于设计或运行等原因，系统的实际工作压力可能会超过所需压力。这部分超过的压力，如果没有得到合理的利用，就会形成余压。

在现代工业生产中，充分利用余热余压资源是提高能源利用效率，实现节能减排的重要手段。对于锅炉设备而言，合理利用余热可以提高燃烧效率，减少能源消耗；而有效利用余压，可以实现能量的回收和再利用，进一步降低生产成本[1]。

2 余热余压的使用现状

厦门长塑实业锅炉改造项目是一个典型的余热余压利用实践案例。在此项目中，工作人员对既有的水煤浆锅炉进行了改造，使其改为使用天燃气，以满足更严格的环保要求。项目的总投资约为1 000万元人民币。就当前的应用现状来看，余热余压利用在很多行业中已经得到了广泛的应用，但仍有许多潜力未被充分挖掘。

2.1 成本问题

尽管天燃气锅炉在燃烧效率和环保性能上相比水煤浆锅炉有明显优势，但其运行成本相对较高。为了尽可能降低运行成本，需要更加精确地控制燃烧过程，充分利用余热进行热能回收。

2.2 稳定性因素

本项目在锅炉改造中成功地集成了一些余压回收装置，但实际运行中，锅炉产生的余压并非始终保持恒定，而是存在一定的波动性。这种波动性对余压回收装置的运行效率产生了负面影响，因为设备的优化设计和运行一般都基于特定的压力值。

余压的波动性可能源于多种原因，包括燃料供应的不稳定、环境温度的变化、设备自身的老化等。这些因素导致锅炉内部的压力和温度变动，进而影响余压回收装置的效率。为了克服这些挑战，还需进一步探索和开发更先进、更稳定的余压利用技术。

2.3 复杂的因素

余热余压利用可以显著提高能源效率，降低排放，但在实施过程中，投资成本、设备的复杂性以及技术的不成熟都是限制其广泛应用的主要因素。这也是在厦门长塑实业锅炉改造项目中需要考虑和解决的问题。因此，尽管已经在余热余压的利用上取得了一些成绩，但要将这些技术更广泛地应用到工业生产中，还需要进一步研究和改进[2]。

3 余热余压在锅炉节能工程中的可行性与必要性

针对厦门长塑实业锅炉改造项目，利用余热余压不仅具有明显的可行性，也具有极大的必要性。从经济效益、环境保护以及能源利用效率的角度，以下进行具体分析：

3.1 提高经济效益

从经济效益角度，利用余热余压能显著降低运营成本。例如，在此项目中，一、三、四号厂的进水槽前用水被引至锅炉房，通过余热回收装置加热后再通过管道输送回产线供给水槽使用。此举可以减少加热器的电力消耗，同时余压可以驱动涡轮机发电或进行机械作业，进一步节约能源。根据计算，每小时可以产生的能量为122.4 KW，年节省电量为105.7万度，这将为企业节省约66.6万元的电费，投资在1年左右即可收回。

3.2 有利于环境保护

从环境保护角度，余热余压的有效利用能显著降低碳排放。锅炉尾气的余热回收可以减少燃料消耗，进而降低二氧化碳等温室气体的排放。余压的回收能减少对电力的需求，从而降低电力生产的环境影响。

(一)在制度层面，首先，镇街非税收入的执收没有具体法规支撑，财政部虽然发布了《政府非税收入管理办法》，但相应的实施细则等有关具体的规章制度没有及时配套。其次，镇街实现的非税收入未真正纳入非税征缴系统，仅仅靠财政部门的调度上缴，具体上缴收入的是什么内容、应收多少、是否足额征收等等，财政部门无法具体掌握。

3.3 提高能源利用效率

从能源利用效率的角度看，余热余压的回收和利用是提高整体能源效率的重要途径。在厦门长塑实业锅炉改造项目中，通过余热回收装置预热用水，可以提高锅炉的热效率。此外，余压的有效利用可以提升设备的机械效率，这些都将有助于提升整个工厂的能源效率。

在此，可通过计算来更明确地看到余热回收的效益。利用公式：

其中，Q为烟气中的热量（单位为kcal）；C为空气比热（约为1.01 kJ/kg℃）；M为空气质量流量（1 m3空气≈1.29 kg）；T2为需求温度、T1为空气温度；以及4.184为热量单位换算系数（1 kcal=4.184 kJ）。

代入实际数值，我们有Q=1.014 830 1.29*(150-80)/4.184，得到Q=105 285 kcal。随后可将这些热量转换为电能，Q=122.4 kW。

根据Q=CM△T，每小时可以产生3.5吨的温差为30 ℃的热水，即每天可以产生84吨。因此，每月可节省电量88 128度，每年则可节省电量1 057 536度，为企业节省约66.6万元的电费。

通过计算表明，余热余压在锅炉节能工程中的可行性和必要性，它在提高能源利用效率，节约运营成本，以及减少环境影响方面都具有显著的优势。

4 余热余压在锅炉节能减排中的应用

4.1 应用于钢铁行业

钢铁行业是热能消耗大户，利用其产生的余热余压可以实现显著的节能减排效果。在钢铁行业，常见的余热利用方式主要有三种：高炉煤气发电、炉渣热回收和转炉煤气发电。

（1）高炉煤气发电是利用高炉排出的煤气（热值约为2 100～2 600 kJ/Nm³）驱动涡轮发电机发电的技术。该技术可以提高能源利用率，减少电网供电压力。在实际操作中，煤气经过除尘、冷却、脱硫处理后，输入煤气轮机，进行电能转换[3]。（2）炉渣热回收则是通过收集炉渣的热量，用于预热生产过程中的物料或者产生蒸汽。比如采用双回转炉渣热回收技术，炉渣热量可以被高效利用，其系统效率可以达到70%以上。（3）转炉煤气发电则是将转炉煤气（热值约为2 500～3 500 kJ/Nm³）用于驱动涡轮发电机。相比于高炉煤气，转炉煤气热值更高，能够产生更多的电力。

4.2 有色金属行业

在有色金属行业中，主要的余热利用方式是冶炼炉热电联产。这种方式通过收集冶炼炉排放的高温烟气（通常温度在800 ℃以上）进行余热回收。具体操作中，通常采用余热锅炉对高温烟气进行换热，将其温度降低至200 ℃左右，而产生的高温高压蒸汽可以驱动蒸汽轮机发电。（1）以铝冶炼为例，其电解炉的排气温度一般可达900℃，热量可达为4 200 kJ/Nm³。如果采用余热锅炉进行热能回收，产生的蒸汽压力可以达到3.8 MPa，温度为450 ℃，在此高温高压蒸汽可用于发电。理论计算，每年可以生产约50万千瓦时的电能，既提高了能源利用效率，也减少了对电网的依赖。（2）在铜、铅和锌的冶炼过程中，炉渣的热量同样不可忽视。这些高温炉渣通常包含有大量的热量，其温度可达1 100 ℃以上。通过利用特殊的热能回收设备，可以从这些炉渣中回收热量，将其转化为蒸汽，进一步用于驱动蒸汽轮机发电。

4.3 煤炭化工行业

在煤炭化工行业中，热电联产和煤气余热发电是主要的余热利用方式。（1）热电联产是指在煤炭化工过程中，将产生的大量热能转化为电能并供给工厂使用。具体来说，这一过程通常包括两个步骤：首先，利用化工过程产生的高温热源，通过余热锅炉产生蒸汽；然后，利用蒸汽驱动蒸汽轮机发电。一般情况下，如果煤炭化工过程中的余热能够充分利用，可以将能源利用效率提高20%以上[4]。（2）煤气余热发电则是通过回收化工过程中的煤气余热实现的。煤气化过程会产生大量的高温煤气，这些煤气除了作为化工原料外，其余热也可以被利用。常见的方式是采用余热锅炉将煤气余热转化为蒸汽，然后通过蒸汽轮机发电。比如，一个年产100万吨的煤化工项目，通过回收煤气余热，可以产生约2亿千瓦时的电能。

4.4 其他行业

（1）在水泥行业中，水泥回转窑的排气温度通常高达300 ℃至400 ℃，这些高温烟气可被用于干燥砂石料或预热窑料。此外，利用余热发电也是水泥行业节能的有效途径。例如，通过建立热力联合循环系统，即使在300 ℃的温度下，也可以通过高效的余热锅炉和蒸汽轮机系统，实现每年约3 000万千瓦时的电力产出。（2）在石油化工行业，生产过程中的许多反应都会产生大量的热量。对于这部分热量，可以通过热交换器进行回收，用于预热原料或者产生蒸汽。同时，高压的反应气体在减压后也可以通过膨胀机进行余压回收，进一步提高能源利用效率。（3）在制纸行业，纸浆和纸张的生产过程中会产生大量的高温蒸汽。这部分蒸汽可以被回收，用于预热和烘干纸浆，或者通过蒸汽轮机进行余热发电。（4）在玻璃制造业，玻璃熔炉的排气温度通常在500℃以上。通过余热锅炉，这些高温烟气的热能可以被用来产生蒸汽，从而驱动蒸汽轮机发电，进一步提高能源利用率。

5 锅炉烟道余热热管换热器的使用分析

热管换热器是一种高效的热能转移设备，其优点在于具有高热传导性，结构简单，且运行稳定。在锅炉系统中，热管换热器通常被用于烟道余热的回收，从而实现能源的二次利用。

设Q为热管换热器的热量交换率，用于评价热管换热器的性能。其可以通过下面的公式计算：

其中，U是总热传导系数，单位是W/(m²·K)；A是换热面积，单位是m²；ΔT是进出口温度差，单位是K。

在此拟定针对具体的锅炉烟道热管换热器，假设烟道烟气的出口温度为T1=150 ℃，进口温度为T2=60 ℃，换热面积为A=100 m²，总热传导系数为U=800 W/(m²·K)，该换热器的热量交换率Q可通过计算得到Q=7.2 MW。

在具体计算示例中，假设热管换热器在满足条件下可以回收7.2 MW的热能。这是一个相当大的能量，相当于几千个家庭一天的电力需求。这些热能可以用于预热锅炉的供水，也可以用于生产蒸汽，进一步驱动蒸汽轮机发电，大大提高了能源的利用效率[5]。

然而，虽然热管换热器有很多优点，但在实际应用中，也需要注意一些问题。例如，热管换热器的热交换效率受到许多因素的影响，如工作介质的选择，热管的设计，以及其它具体情况。另外，热管换热器在长时间运行后可能会出现结垢、腐蚀等问题，这些问题如果不及时处理，可能会影响热管换热器的性能，甚至导致设备损坏。因此，在使用热管换热器时，一定要做好设备的维护和保养，保证其持续、稳定、高效的运行。

6 余热余压在锅炉节能减排中的应用实例探究

6.1 案例提要

以厦门长塑实业锅炉改造项目为例，笔者深入探讨余热余压在锅炉节能减排中的实际应用。为了达成更高的环保标准和降低碳排放，厦门长塑实业决定对其原有的水煤浆锅炉进行全面改造，转型为更环保的天然气锅炉。

6.2 案例分析

厦门长塑实业的原有水煤浆锅炉每天消耗大量的水煤浆，在燃烧过程中产生的烟气中有大量的未充分利用的热量。在改造前，这部分热量大多被直接排放到大气中，造成了大量能源的浪费。此外，传统的水煤浆锅炉还会排放大量的有害物质，对环境造成严重污染。

因此，厦门长塑实业对锅炉进行了全面改造，主要目标是回收并利用烟气中的余热。为了实现这一目标，公司引进并安装了高效的热管换热器来回收烟气中的余热。热管换热器能有效地吸收烟气中的热量，转化为高压蒸汽。然后，这些高压蒸汽通过蒸汽轮机进行发电[6]。

此外，为了最大限度地利用余热余压，该项目在热管换热器的基础上，增设了膨胀机进行余压回收。余压被转化为机械能，提供给发电设备使用，进一步提高了发电效率。

6.3 案例所产生效益的启示

根据厦门长塑实业的统计数据，这次锅炉改造极大提高了资源的利用效率，带来了显著的经济效益。据统计，改造后的锅炉每天能额外产生约3 000千瓦时的电能，这意味着每年可以节约约734吨的煤炭消耗，同时减少了约1 650吨的二氧化碳排放。

这个案例揭示了，通过设计合理的利用余热余压，不仅可以大幅提高能源的利用效率，减少环境污染，而且还能为企业带来显著的经济效益。此外，在进行改造后，还可通过技术改造实现环保和经济效益的双赢。因此，应鼓励和支持更多的企业学习借鉴这些成功经验，积极引进先进的节能减排技术。

7 结语

综上所述，适当的技术和管理策略的应用可以显著提高能源利用效率，降低二氧化碳排放。然而，为了实现这些成效，必须充分考虑设备的特性，以及实际操作环境等多个因素。期待有更多的企业和行业积极引入并实施这些节能减排的策略，同时，科研机构也需要继续进行相关技术的研发和优化，以期推动我国的环境保护工作。