工业锅炉低温烟气余热回收利用技术的研究

张清山，汪枫

四川川润动力设备有限公司，四川省自贡市，643000

摘要：过度燃烧的产物是二氧化碳等温室气体，随着我国现代工业技术的飞速发展和能源形势的日益严峻，做好节能减排工作已成为全社会的共识，我国工业余热资源丰富，广泛存在于各行业的生产过程中，余热资源约占其总燃料消耗量的17%~67%，回收率为60%。余热利用率还有很大的提高空间，节能潜力很大。工业余热回收利用也被视为“新能源”，近年来已成为推动我国节能减排的重要内容。基于此，本文对工业锅炉低温烟气余热回收技术进行了简要的分析和研究。

关键词：工业锅炉；低温烟气；余热；回收利用；技术

引言：目前我国工业锅炉的高温烟气余热大部分尚未回收利用。一些企业对工业锅炉的烟气余热进行了回收，但回收效果并不理想。深度回收工业锅炉高温烟气余热（最高温度1600℃以上），符合节能减排的基本国策和绿色发展理念，提高工业锅炉的能源利用效率，降低工业锅炉的工艺能耗和碳排放。也是企业保护环境、降低成本、提高效率的重要途径。

1工业锅炉烟气余热利用技术现状

由于废钢、电力、铁矿石、煤炭和天然气等资源条件的不同，各国短流程工业锅炉的发展和烟气余热的利用也有所不同。欧美等发达国家废料资源丰富，工业锅炉用钢占50%以上。其中大部分主要是用全部废钢冶炼，烟气温度较低。大多数钢厂不回收工业锅炉废气中的余热。中国废钢资源短缺。在工业锅炉熔炼中，热装铁水通常作为废钢的补充。与全废钢冶炼排放的炉气相比，铁水冶炼排放的炉气具有CO含量高、烟气量大、烟气热值高的特点，具有很大的回收潜力。国内多家钢厂对工业锅炉烟气进行了余热回收改造。少数国外钢厂回收了工业锅炉烟气余热，包括预热废钢、汽化冷却+自用/Orc发电产生的蒸汽等。工业锅炉烟气余热回收的主要技术是水冷烟道/汽化冷却烟道+热管余热锅炉/水管余热锅炉。

（1）水冷烟道+机械空冷器/喷淋冷却器技术具有一次性投资少、技术可靠、运行稳定的特点。目前，在国内外仍得到广泛应用。然而，该技术存在着烟气中大量显热无法回收、能效低、能耗大、水电耗大等缺点。

（2）废钢预热+喷淋冷却器技术在国内外钢厂也得到了广泛应用，但也存在一些问题，如低温段烟气余热未利用，大量注入冷水增加除尘负荷；同时，该工艺也存在一些问题，如二恶英的产生、废钢预热效果差等。

（3）汽化烟道技术：部分烟气显热产生的蒸汽由VD炉汽化冷却系统回收，但低温段烟气余热未回收。

（4）汽化烟道+Orc有机工质发电技术：采用汽化冷却回收的蒸汽进行Orc发电，但实施效果不理想。实际发电量低于设计值的50%，低温段烟气余热未回收。

（5）水冷烟道+热管余热锅炉技术仅回收部分烟气余热（约800～250℃），仍需建设大型水冷系统。同时，热管余热锅炉存在故障时间短、传热效率显著降低的缺点。

（6）汽化烟道+热管余热锅炉技术回收了工业锅炉烟气的大部分余热，但热管余热锅炉的换热效率仍随着时间的推移而降低。

（7）汽化烟道+水管余热锅炉技术不仅回收了工业锅炉各温度段的烟气余热，而且避免了热管余热锅炉的缺点，但仍存在局部余热。目前回收水平为20～25t/h，利用效率不高。

2烟气余热回收影响因素分析

2.1排烟温度对冷凝率的影响

在回收天然气燃烧余热时，烟气中的水汽凝结越多，则回收的热量越多。随着排气温度的不断升高，烟气中所含水蒸气的凝结速率逐渐降低，而随着过量空气系数的增大，水蒸气的露点温度逐渐降低。当废气温度超过水蒸气的露点温度时，水蒸气的冷凝率降低到0。随着废气温度的逐渐升高，水汽凝结率的变化趋势越来越明显。结果表明，当排气温度接近露点温度但不超过露点温度时，蒸汽冷凝过程释放的潜热增长速度最快。当排气温度远低于露点温度时，蒸汽冷凝过程释放的潜热增长率相对较小。由于冷凝率和余热回收率之间的密切关系，存在一个最佳的废气温度，这不仅保证了余热回收的效果，而且降低了余热回收的成本。

2.2空气含湿量对露点温度的影响

在确定外部环境温度时，烟气中水蒸气的露点温度与空气的含水量有着密切的关系，二者之间存在着正比例关系，即空气中水蒸气越多，露点温度越高。水蒸气的露点温度会对余热回收过程产生明显的影响，空气的含水量会间接影响余热回收过程。

3工业锅炉烟气余热利用技术分析

3.1工业锅炉烟气余热回收系统结构设计

工业锅炉烟气余热回收系统结构设计如图1所示，主要构造为换热单元和制备单元两大部分。

图1：工业锅炉烟气余热回收系统结构设计图

3.2工业锅炉烟气余热回收系统工艺流程设计及原理

工业锅炉烟气余热回收系统工艺流程主要分为四个流程：S1、S2、S3、S4。（1）过程S1。高炉煤气通过煤气管道分流，部分进入煤气预热器预热。预热后的高炉煤气从煤气预热器中流出，通过煤气管道直接送入工业锅炉；另一部分高炉煤气通过燃气管道作为燃料进入烟气发生器。（2）过程S2。部分助燃空气通过风管进入空气预热器进行预热，预热后的助燃空气从空气预热器中流出，通过风管直接送至工业锅炉；另一部分助燃空气通过空气管进入烟气发生器。（3）过程S3。工业锅炉产生的低温烟气进入烟气管道，经分流后，一部分通过烟气管道与烟气发生器产生的高温烟气混合后进入烟气预热器；另一部分通过烟气管道与烟气发生器产生的高温烟气混合进入空气预热器。换热后的烟气从空气预热器和气体预热器中流出，进入烟气管道排放。（4）过程S4。换热后的烟气从换热单元排出，进入制备单元。依次经过制备单元的碳酸氢钠脱硫脱硝装置、加氢除氧装置和烟气干燥装置，去除烟气中的SO

2、NOx、O2、水分等杂质。排出的烟气进入气体分离装置。分离后，N2通过N2分离出口排出，CO2通过CO2分离出口排出。

3.3工业锅炉烟气余热回收系统控制原理

工业锅炉烟气余热回收系统的控制单元包括中央控制模块和温度传感器。所述中央控制模块与所述换热单元中的部件连接，以调节各部件的工作状态，并将所述换热单元中对应节点的温度调节到相应值；该温度传感器包括设置在气体预热器中的气体温度传感器和设置在空气预热器中的空气温度传感器。系统运行时，中央控制模块通过温度传感器实时检测气体预热器出口高炉煤气温度和空气预热器助燃空气出口温度。根据检测结果，将第一、二截止阀的开度调整到相应值。在调整第一和第二截止阀时，中央控制模块根据高炉煤气和助燃空气到工业锅炉的流量比调整第一和第二截止阀。当工业锅炉排烟温度不足时，将高温烟气与工业锅炉低温烟气混合，提高进入气体预热器和空气预热器的烟气温度。

结束语：

为应对全球气候变化，确保国家能源安全，中国继续优化产业结构和能源消费结构，积极倡导研究和推广清洁能源开发利用技术，全面构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系。本文研究了工业锅炉低温烟气余热回收技术，取得了良好的运行效果，具有很好的推广应用价值。研究和应用成果对实施《大气污染防治行动计划》，促进节能减排产业创新发展具有重要意义，而加快绿色发展对传统产业色彩转型升级起到了重要的推动和示范作用，实现了“双碳”目标。

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