余热锅炉的热力回收计算分析

王士国

（广西中烟工业公司，广西南宁530001）

卷烟厂制冷过程中产生的热量及燃气锅炉的烟气，通常被直接排放到环境中，这样不仅浪费能源，而且造成环境污染。有效地回收利用这部分余热，是烟厂降低能耗、加强环保的重要途径。余热回收不仅可以带来能源方面的经济效益，同时还可以减少对环境的污染。并且烟厂使用的溴化锂制冷机组及燃气锅炉排出的废气，温度也比较高，具有能源回收的巨大潜力。

在比较了多种可行设计方案的基础上，本文对目前余热回收的数种典型工艺的优缺点做了深入分析，并结合烟厂生产现场实际，以实现回收余热资源为目的，对不同的能源介质、数量、热力参数、工艺路线的余热回收方案进行比较，筛选出了优化方案。经过应用热力学分析的基本方法，通过计算确定了回收系统主要的设备名目及参数。

在诸多的技术方案中，余热锅炉作为联合循环系统中的能源交换设备，是整个系统的关键之一。烟厂原来使用的是燃煤锅炉，现为了提高系统的热效率，欲使用燃气联合循环，因为燃气联合循环效率高，环保效果好，在我国也有广泛的应用。

1 余热锅炉的形式

余热锅炉设置在各类工业流程中，用于回收余热，在提高整体装置的热效率，从而减少公害和满足某些工艺要求方面，起着十分重要的作用。余热锅炉的热回收对象，最普通的是工艺气体、烟道气体等显热，以及固体余热交换后的排气显热和固体辐射等。

1.1 余热锅炉的分类

按工艺原有设备的性质，余热锅炉可分为两类：一类主要是对工厂生产过程中的气体进行冷却，满足工艺要求；另一类主要是为节能而进行的热回收。

余热锅炉按水循环方式，可分为自然循环与强制循环。从联合循环应用的趋势来看，自然循环是一种更可取的技术。

余热锅炉按气体通道，可划分为火管式和水管式。

按换热形式划分，余热循环可分为辐射和对流。

在以动力回收为目的的系统中，还采用多压余热锅炉，如双压与三压余热锅炉，来提高发电效率。采用多压余热锅炉技术，可更有效地回收排气的余热，由于多压，吸热线与放热线能够更好地匹配，减少了传热的不可逆损失，回收的值高，构成的循环效率高；另一方面，由于节点的改变，减轻了单压等级的增加，尽量回收的热量几乎不增加，但回收的增加，发电量增加。

1.2 余热锅炉的发展趋势

美国从上世纪50年代开始，就研究用于回收钢铁工业余热的余热锅炉，此后相继开展了用于回收其他行业余热资源的余热锅炉研制，积累了大量的经验。美国已制造并运行数十台热管余热锅炉；用于燃油、燃气和煤的联合循环的无补燃、补燃和全燃的单压、双压、三压和再热或不再热的余热锅炉已商业化。日本已研制推广用于各种余热源的多种型号的余热锅炉，并已成批制造热管式余热锅炉；干法熄焦余热锅炉，已成为日本钢铁企业中实用化节能效果的高温余热回收设备。

现在，余热锅炉已向高参数和全部用于发电为主要目的的方向发展。我国已开发并制造出用于冶金、化工、建材和轻纺等行业的余热锅炉。但纵观我国余热锅炉成套产品的技术水平，与国外先进的同类产品相比，尚有一定差距，尤其是自控水平仍比较落后，积灰清理效果差，配套辅机质量差，尚有待业内继续探索。

2 热水余热资源的计算

烟厂所用的余热锅炉的余热资源，是来自压缩机的温度为140℃、流量为53 t/h的饱和水。其余热资源的参数如表1所示。

表1140℃饱和水的余热资源具体参数

冷却水的余热量QW。

式中，

QW——冷却水的余热量（kW）；

GW——冷却水用量（kg/s）；

lW——冷却水的出水温度（℃）

cW——冷却水的比热(kJ/（kg·℃）)

对140℃的饱和水来说，代入数据得

Q140=53×103×140×4.328=32×106（kJ/h）=8907.6（kW）

表2 蒸汽的参数表

烟厂压缩机废气余热，是一种低温的余热资源。压机的余热如直接排放，不仅浪费了热能，而且污染环境。原来该厂的冷却水排放到环境中，在厂区中的小河常年烟雾缭绕，能源浪费现象一目了然。

3 余热锅炉的热力学计算

3.1 余热锅炉烟气回收的余热量

（1）加热炉进口烟气的总余热量Qi。

其中，

Qi——加热炉进口烟气总余热量（kW）；

α ——加热炉烟气冒顶损失系数，一般取0.9；

Vi——加热炉入口的烟气体积（m3/h）；

ti——加热炉入口烟气平均温度（℃）；

Ci——加热炉入口在温度为ti时，烟气的平均比热(kJ/（m3·℃）)。

（2）加热炉出口烟气的总余热量Q0。

其中，

Q0——加热炉排出烟气总热量（kW）；

t0——加热炉排烟平均温度（℃）；

C0——加热炉出口在温度为t0时，烟气的平均比热(kJ/（m3·℃）)。

（3）余热锅炉可回收利用的烟气余热量ΔQ。

3.2 余热锅炉的水吸热量

回收得到的热量，可视为进出口流体的焓差。进入水的温度为20℃，出口蒸汽为1 MPa的饱和蒸汽。

查表的焓值：

h0'=2777.7（kJ/kg）；

hi'=83.96（kJ/kg）。

每kg水吸收的热量为

q'=h0'-hi'=2 777.7-83.96=2 693.74（kJ/kg） （4）

余热锅炉的效率与排烟温度的关系如图1所示，本文选取的锅炉，当排烟温度为100℃时，锅炉的效率为93.3%。

Q水=η Q=46 966.43（kW）

余热锅炉蒸发量为

图1 余热锅炉排烟温度与锅炉效率的关系图

3.3 余热锅炉经济性核算

余热回收所需的受热面积，如下式所示

式中，

假定W、k为常数，引入无因次受热面积α；

图2 受热面积、设备成本、蒸发量、设备投资效益与烟气出口温度的关系

设备成本与受热面之间的关系为

c——设备成本；

a——受热面积；

α、β——常数由余热锅炉形式决定。

由上图可知，单位蒸发量所需的设备成本（c/s）随烟气出口温度t2温度变化有一个最小值，与这个最小值相对应的，是最经济的烟气出口温度，该值约为（ti-t0'）的25%。最经济的排烟温度约为70℃，但由于烟气露点温度和设备的限制，选择的排烟温度为100℃。

4 余热锅炉的分析

4.1 余热锅炉的分析计算的基础

为了确定能系统中（进行能量转换或交换的系统）个别设备或整个装置能量损失的性质、大小、分布及探求提高能量利用率的方向和措施，其方法一般可分为两种：能量分析法和分析法。

（1）能量分析法。又称为“能效率法”，其特点是依据热力学第一定律（仅从能量的数量出发）分析揭示装置或设备在能量数量上的转换、传递、利用和损失的情况，故此法亦称“第一定律分析法”。其主要计算是对装置或设备进行“能量平衡”（又称热平衡）的计算。主要热力学指标为ηt，定义为

ηt=（收益的能量）/（消耗的能量）=（消耗的能量-能量的损失）/（消耗的能量）（10）

ηe=（收益的）/（消耗的）=（消耗的-的损失）/（消耗的）（11）

由此可见，能量分析法只能反映能量利用的总效果，不能反映其热力过程的完善程度。为了准确地揭示系统及其各设备热力过程的完善程度，找出影响系统性能的薄弱环节，为系统的改进和热经济优化设计和优化操作做明确的方向，就必须对所研究的系统进行分析。

当比热CP取常数计算时，

通常燃气轮机排气压力，稍微高于环境的压力。计算表明，对大型燃气轮机的排气压力，约为占烟气总的1%。而且对联合循环来说，燃气轮机排气压力，主要用于克服烟气的流动阻力，而不是对外做功，对烟气的计算，可仅考虑温度。目前排烟温度通常在400～500℃之间，烟气比热可近似视为常数，因此可用上式计算其比。

由式e=(h-h0)-T0(s-s0)进行计算。

4.2 余热锅炉的回收热力学过程分析

图3 余热锅炉的平衡

平衡方程为

损失系数为

5 结束语

余热回收系统仅利用了烟厂的部分蒸汽余热，但是为余热的有效利用开拓了新的途径。余热利用技术能提高能源的使用效率，减少对环境的污染，因而受到全社会的推崇，但在技术措施和经济核算方面，仍需做进一步的探索。

[1]汤蕙芬，范季贤.热能工程设计手册[K].北京：机械工业出版社，1999.

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[3]严俊杰，黄锦涛，何茂钢.冷热电联产技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

[4]杨世铭，陶文铨.传热学（第3版）[M].北京：高等教育出版社，1998.

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