表 1 140 ℃ 饱和水的余热资源具体参数
参数名称 乏汽流量 （kg /h ） 乏汽温度 （℃ ） 乏汽压力 （MPa ） 数 值 53 000 140 0.36
2
热水余热资源的计算
冷却水的余热量 QW。 QW = GW×lW×cW （1 ）
收稿日期： 2010- 05- 26 作者简介： 王士国 （1977— ） ， 男， 江苏丰县人， 中烟生产管理部技改业务员,学士学位， 从事设备管理工作。
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 ）
《装备制造技术》 2010 年第 8 期
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 ）
摘 要： 针对烟厂余热锅炉的热力回收问题， 运用热力学原理进行了多方面的计算分析， 得出了余热锅炉的热效率数据， 为余热锅炉 的设计提供了依据， 阐明了余热利用的巨大潜力， 指出余热的利用是企业降低能耗、 加强环保的重要途径。 关键词： 烟厂； 余热； 锅炉； 回收； 计算； 分析 TS43 中图分类号： 文献标识码： A 文章编号： 1672- 545X （2010 ） 08- 0061- 04
设备成本与受热面之间的关系为 c =α a c—— —设备成本； a—— —受热面积； α、β—— —常数由余热锅炉形式决定。
0.5
+β
（9 ）
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《装备制造技术》 2010 年第 8 期
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 的 25 %。最经济的 最经济的烟气出口温度， 该值约为 （ti - t0'） 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 ℃。 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 烟气比热可近 度。目前排烟温度通常在 400～500 ℃之间， 似视为常数， 因此可用上式计算其比。 （4 ）水和水蒸气的。对于稳定流动的系统 e1 = T 1c dT - c dT = 乙 T T 乙c T T
e1 = e1 =
dh - T 乙T
h
0
dq T
s
dh - T ds T T =乙 T
0 0 0 0
（17 ） （18 ）
乙dh - T 乙ds = (h - h ) - T (s - s )
h0 0 s0
由式 e = (h - h0 ) - T0 (s - s0 )进行计算。 余热锅炉的回收热力学过程分析 余热锅炉回收的示意如图所示， 图中 Egh 为燃机排气带 Eg， （外部 入余热锅炉的 ， L 为余热锅炉排烟带走的 损失 损失） ， Esh 为进入余热锅炉水的， Ehs 为余热锅炉产生蒸汽 所携带的 ， EL， （内部 i 为余热锅炉换热过程的不可逆 损失 损失 ） 。 Ehs
108
（5 ）
（6 ）
表2
参数 名称 数 值 温度 （℃ ） 140 压力 （MPa ） 0.36
蒸汽的参数表
饱和液体比焓 （kJ/kg ） 589.21 饱和液体比熵
锅炉效率 （% ）
106 104 102 100 98 96 94 92 90 88 0 20 40 60 80 100 120 140 排烟温度 （℃） 160 180 200 a = 1.05
受热面积、 设备成本、 蒸发量、 设备投资效益
（8 ）
1
2 Gmax
3 4
烟气出口温度 t2(℃)
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
1. 蒸发量 s 2.设备投资效益 c/s 3.受热面积 f 4.设备成本 c
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
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 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。
图 1 余热锅炉排烟温度与锅炉效率的关系图
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 W(ti - t0 ) A= Q = k△tm k 式中， △tm = (ti - t0 ) t- t ' In i 0 t0 - t0 ' （7 ）
假定 W、 k 为常数， 引入无因次受热面积 α； a= k A W
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 化工、 建材和轻 的方向发展。我国已开发并制造出用于冶金 、 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。
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Equipment Manufactring Technology No.8 ，2010 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
0
4
余热锅炉的分析
p
p
p
T0 dT TT源自（16 ）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 大小、 分布及探求提高能量利 备或整个装置能量损失的性质 、 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 ） （2 ）分析法。是结合热力学第一定律和第二定律 （以第 二定律为主） 即从能量的数量和质量相结合的角度出发， 分析 揭示装置或设备在能量中的 （有效能） 的转换、 传递、 利用和 损失的情况， 故又被称为 “第二定律分析法” 。 其主要计算是对 装置或设备进行平衡的计算， 故又称为平衡法， 其主要热 力学指标为 “效率” ηe， 定义为： ηe =（收益的 ） /（消耗的 ） =（消耗的- 的损失 ） （ / 消耗的 ） （11 ） 4.2
( kJ （ / kg · K ） ) 1.7393
压机的余 烟厂压缩机废气余热， 是一种低温的余热资源。 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
3.1
余热锅炉的热力学计算
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 。 Qi = α Vi t i C i 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。 Q0 = α V0 t 0 C 0 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。 ΔQ = Qi - Q0 = α V（ 0 ti Ci - t0 C0 ) = 0.9×390 600×4.186× （450×0.347 - 100×0.33 ） = 50 339.1 （kW ） （3 ） （2 ） 3.3