工業鍋爐供熱節能應用技術

熱源與熱媒的選擇及其經濟效益分析

一、工業鍋爐供熱任務與范圍

工業鍋爐供熱技術就是研究并實施將熱源從鍋爐房輸送到各用戶的工程技術及其節能減排方法，以取得最佳經濟效果。這就是工業鍋爐供熱工程的主要任務與服務范圍。其具體情況，可分以下幾種類型。

1.按工業鍋爐供出熱媒狀態劃分：

2.按工業鍋爐供熱對象劃分：

①生產工藝供熱；②熱電聯產供熱；③采暖、通風、空調、制冷供熱；④大型公建供熱（商場、賓館、飯店、洗浴、游樂場、游泳館等）；⑤飲水及生活熱水供熱。

供熱工程涉及如此廣泛的應用范圍，本章不可能面面俱到，只能在有限篇幅內，抓其重點，主要介紹集中采暖與生產供熱兩個方面的內容及其節能減排的相關應用技術。

二、供熱系統熱源的選擇與經濟效益分析

1.確定熱源方案：

熱源的選擇涉及該地區有關合理用能與整體規劃問題，應該充分利用當地資源，并尊重、服從整體規劃。同時還涉及熱源、熱網與熱用戶三者之間的關系與具體情況，應當了解清楚，做到心中有數。選擇的熱源方案是否符合節能減排的規定與要求、還須經過調查研究，摸清熱用戶的性質與要求、供熱負荷的大小與特點、熱媒的種類與供熱方式等方面的具體情況與資料，經過綜合技術經濟論證比較，進行全面分析，方可擇優確定。

目前常用的集中供熱系統熱源有以下幾種：

（1）熱電廠供熱系統　本處所列熱電廠系指城市或某個地區規劃所建熱電廠，一般規模較大，安裝具有可調節抽汽口的汽輪發電機組。由于該系統具有可調節抽汽口的供熱汽輪機組，能根據區域熱用戶的用熱負荷變化來調節抽汽量。當抽汽量很小時，可以按凝汽式電廠運行，提高電廠效率。從鍋爐產生的高溫、高壓蒸汽進入汽輪機，推動汽輪機高速旋轉而產生電能。蒸汽在汽輪機內膨脹做功降壓后，可抽出適量蒸汽供熱。剩余者做功后降至冷凝器所維持的真空度，然后進入冷凝器排出冷凝水。

（2）熱電聯產供熱系統　此種供熱方式與熱電廠無原則區別，多用于工廠企業的自備電廠，規模較熱電廠小。安裝的是背壓式汽輪發電機組，進行熱電聯供，按“以熱定電”原則進行運行。一般采用工業鍋爐，所產生高溫高壓蒸汽，推動汽輪機高速旋轉，帶動發電機發電。蒸汽發電降溫、降壓后從汽輪機排出，進行供熱。也可以視用戶需要經換熱器產生高溫熱水供熱。蒸汽系統的凝結水和熱網水進行集中回收，經凈化、除氧和化學處理后再作為鍋爐的補給水。

（3）區域熱水鍋爐房供熱系統　以高溫熱水或低溫熱水為熱媒的區域鍋爐房供熱系統，經熱平衡測試，該系統利用循環水泵使水在系統中循環。水在熱水鍋爐內被加熱到用戶要求的溫度，通過供水干管輸送到熱用戶，供采暖、加熱生活用熱水或生產供熱。熱水在各用戶散熱降溫后，又被熱水循環泵抽回到鍋爐再重新加熱。系統中損失和消耗的水量由補給水泵再供鍋爐補充水，須經除氧和化學處理后變為凈化水。系統的水壓力由壓力調節閥進行調節。有關熱水鍋爐定壓問題，將在以后詳細敘述。

2.熱源廠經濟效益分析：

一般凝汽式發電機組是遵循朗肯循環原理工作的，很多能量在冷凝過程中損失掉了，熱效率很低，經熱平衡測試所繪熱流圖如圖9-8所示。其中汽輪機凝結水熱能損失很大，通過采取多項技術措施，發電效率約為30％多，是很不經濟的。而熱電聯產，不管是背壓式或抽汽式發電機組，由于高壓、高溫蒸汽先用于發電，待降壓、降溫后再供熱，實行能量梯級利用，提高了能量利用率，可產出一定數量的熱能和電能。熱電聯產方式比熱電分產可節約1/3左右的燃料，綜合效率可由50％提高到75％?？梢?，熱電聯產是熱能和電能聯合生產的一種高效能量轉換生產方式。

熱電聯產的優越性還可從節能減排角度進行分析。對于一般中壓熱電聯產廠，汽輪機帶動發電機做功后，如能從汽輪機抽出4.18GJ（1Gcal）熱量，就相當于節約140kg標煤；對于高壓熱電聯產廠，如能再抽出4.18GJ（1Gcal）熱量，就相當于節約170kg標煤，其經濟效益是相當可觀的。同時熱電聯產一般選用大型鍋爐或循環流化床鍋爐，便于集中進行環保治理，煙氣達標排放。因此集中供熱系統應優先選擇熱電聯產或熱電廠作為熱源，是比較經濟的。

選擇熱電聯產作熱源時，必須遵守“以熱定電”原則。首先要保證機組供熱能力，要與供熱負荷匹配。在保證供熱的前提下，再考慮發電問題，杜絕借故變為小熱電廠。否則機組供出蒸汽遠大于實際需要，就會造成浪費。小機組電廠屬于國家明令淘汰的設備，即使采用抽汽式發電機組，如供熱負荷太低時，就會自動轉化為按凝汽式機組運行，其熱效率更低。由此可見，對于穩定的供熱負荷，最好選擇背壓式發電機組；對于變負荷，特別是夏季需要供冷的場合，或者多臺發電機組需要調峰，則至少應選擇1臺抽汽式發電機組。如有大型公建設施，需要冬季供熱、夏季供冷時，則應選配適量抽汽式發電機組，并應設置吸收式制冷機組，將富余蒸汽轉化為冷量，實行“電、熱、冷三聯供”更為經濟合理。

三、供熱系統熱媒的選擇及對比分析

集中供熱系統熱媒有蒸汽和熱水。其選擇的依據主要是當地熱用戶的要求、耗熱設備的種類與特點以及地區總體規劃或者已建熱源廠的鍋爐類別。

1.蒸汽熱媒的選擇：

全部為生產供汽負荷、南方非采暖地區或生產工藝用汽所占比例很大、采暖負荷很小時，應選擇蒸汽進行供熱，如果采暖，可通過換熱器轉換為熱水解決。蒸汽作熱媒的主要優點是：

①可利用熱電聯產排出的低壓蒸汽供熱，方便快捷，總體成本低，經濟效益好；

②蒸汽作熱媒適用面廣，能滿足多種不同用戶的需求；

③蒸汽輸送管網直徑較小，不用專門設泵輸送，有時回收凝結水用泵，但耗電較少；

④蒸汽溫度較高，在耗熱設備中傳熱系數大，可減小該設備的換熱面積，降低費用；

⑤蒸汽重度很小，可適應各種地形，方便地輸送到各用戶，不會像熱水那樣產生靜壓力，且連接簡單，運行方便。

2.熱水作熱媒的選擇：

全部為采暖負荷的供熱系統，應選擇熱水作熱媒。有些企業耗熱設備主要是空調、暖風機、低溫烘箱、干燥設備、紡織印染用熱水槽及各種低溫加熱、空調盤管與換熱設備等，一般選擇熱水作熱媒。熱水作熱媒有以下優點：

①熱水供熱系統熱能利用率高。因為熱水作熱媒時無凝結水，不會產生蒸汽泄漏和閃蒸汽等問題，且熱水鍋爐排污率比蒸汽鍋爐小得多，對鍋爐水質要求較低，水處理費用少，可綜合節能20％左右。

②以水為熱媒采暖供熱時，可按質調節方法進行調節，既可節能，又可較好地滿足室內舒適度的要求。特別是能適應熱水地板采暖方式，符合采暖供熱發展趨勢，這一點很重要。

③水的比熱容大，系統中熱水容量大，蓄熱能力強。當熱力工況或水力工況短時間發生故障時，不會明顯引起供熱狀況大的波動。

④熱水供熱系統可用泵進行遠距離輸送，熱能損失小，供熱半徑大，能適應城市集中供熱規劃要求，便于拆除污染嚴重的社區燃煤小鍋爐。

⑤可充分利用熱電聯產排出的低壓蒸汽，經換熱后用于熱水采暖。熱水作為熱媒供熱的主要缺點是溫度較低，傳熱系數較小，熱能利用率比較低，應盡可能采用高溫水作熱媒供熱。

3.高溫熱水作熱媒的選擇：

高溫熱水供熱在國外發展很快，得到了廣泛應用；在國內對高溫熱水供熱早已統一了認識，并頒發了GB 3166《熱水鍋爐系列標準》。額定出口/進口溫度（℃）規定為95/70、115/70、130/70、150/90、180/110，其溫差分別為25℃、45℃、60℃、60℃和70℃。如按出水溫度120℃作為高、低溫熱媒水的分界線，前邊兩組為低溫熱媒水供熱，后邊三組為高溫熱媒水供熱。其主要優點如下：

①高溫熱媒水供熱，出水溫度高，供回水溫差大，因而熱能利用率高，經濟效益好。據大量熱平衡測試與節能監測資料分析顯示，在鍋爐容量相同、排煙溫度與爐渣含碳量相近、負荷率大于80％條件下，熱水鍋爐熱效率主要與燃煤發熱量和供、回水溫差有關。低溫熱水鍋爐供、回水溫差小，而高溫熱水溫差大，鍋爐效率相比較高。

②鍋爐出水溫度高，供、回水溫差大，在同樣供熱負荷條件下，熱媒水循環流量減小。因而循環水泵功率降低，輸送管網直徑變小，可節省電耗，降低管網投資。

③高溫熱媒水溫度高，換熱器傳熱系數K值大，熱交換器面積可相應縮小，換熱效果好，投資可降低。

④由于熱媒水溫度高，可擴大高溫熱水的應用范圍，代替部分蒸汽供熱。

⑤熱媒水溫度高，有利于設置中間換熱站，經水-水換熱器換熱后供用戶采暖，擴大了供熱半徑，有利于拆除城市社區燃煤小鍋爐，減少環境污染，符合節能減排要求，改善城市環境衛生，建設和諧社區。

任何一項新技術，都有其特定的技術條件和要求。如按GB3166規定施行高溫熱媒水供熱，就必須提高鍋爐運行壓力。因而一次管網保溫材料級別應相應提高，所用管網閥門等部件要適應，并應采取因突然停電可能造成水擊或汽化的措施。對原有鋪設的舊管網，因保溫材料、防腐性能等不一定能滿足新的要求，都應采取相應措施，得到妥善解決。對于新建熱源廠，應盡可能采用高溫熱水供熱。

四、有機熱載體爐供熱與優勢

1.有機熱載體熱媒供熱優勢與適用范圍：

有機熱載體鍋爐也叫導熱油鍋爐，是一種以煤、油、氣為燃料，以導熱油為循環介質供熱的新型熱能設備；是采用高溫循環油泵強制導熱油進行閉路循環，在將其供至用熱設備放熱后，再返回鍋爐中再加熱的直流式特種工業鍋爐。有機熱載體爐能在較低的運行壓力下獲得較高的工作溫度，可進行穩定供熱與溫度調節，具有低壓、高溫的工作特性。一般工作壓力不高于1MPa，而供熱溫度可達到液相340℃或氣相400℃。

有機熱載體鍋爐作為鍋爐家族中的新成員，有著廣泛的用途。凡是需要均勻穩定間接加熱，且不允許火焰直接加熱，工藝加熱溫度在150～380℃之間的各種生產場合，都可以采用有機熱載體鍋爐供熱。特別是近年來國家提出節能減排、保護環境的政策，有機熱載體鍋爐更顯出其優越特性。如在石油化工、原油管網輸送、紡織印染、塑料加工、橡膠制品加工、食品加工、木材干燥、瀝青加熱、紙箱生產、蔬菜脫水、烤漆、鑄造砂模烘干、藥品生產等領域得到日益廣泛的應用。

有機熱載體鍋爐的技術特性可由主要參數來表征，如供熱量或熱功率、供油溫度、回油溫度、工作壓力、循環流量、適用熱載體、適用燃料、燃料消耗量、熱效率、排煙溫度、煙塵排放濃度及煙氣黑度等。

按GB/T 17410—2008《有機熱載體爐》規定，有機熱載體爐可分為液相爐和氣相爐。各個鍋爐廠家根據自己的生產習慣已形成了一些不同的分類方法。按燃料種類分，有：燃煤、燃油、燃氣、燃水煤漿及電加熱的有機熱載體爐；按有機熱載體循環方式分，有：自然循環和強制循環鍋爐；按有機熱載體鍋爐本體結構分，有：盤管式、管架式和鍋殼式鍋爐；按有機熱載體鍋爐整體結構分，有：立式和臥式鍋爐。

2.有機熱載體的種類與特性：

熱載體是一種用來傳遞熱量的中間媒體。有機熱載體是一種有機化合物，通常為油狀液體，因為在工業上用作傳熱介質，也稱導熱油。按其生產方法可分為礦物型導熱油和合成型導熱油兩大類。

（1）礦物型導熱油　礦物型導熱油是以石油高溫裂解過程或催化裂化過程生產的餾分油產品作為原料，再經過深度加工，加入清凈分散劑和抗氧化劑等添加劑精制而成的。礦物型導熱油原料來源比較豐富，價格便宜，制造工藝簡單，無毒無味，常溫下不易氧化，使用溫度可達到液相340℃。

（2）合成型導熱油　合成型導熱油是以化工或石油化工產品為原料，經有機合成工藝制得的。這類產品加工復雜，成本較高，使用溫度也較高，熱穩定性也較好。

導熱油的技術特性可用以下幾方面參數來表示：閃點、殘炭、酸值、沸程、密度、燃點、凝固點、蒸氣壓、最高使用溫度、膨脹系數等等。其中最高使用溫度是導熱油最主要的一個技術指標，它表示導熱油在這一溫度下工作，能保持熱穩定性，不分解、變性、降質或發生事故。因而必須控制導熱油在最高使用溫度以下工作，不得超溫使用。

3.有機熱載體鍋爐的結構與工作原理：

（1）盤管式有機熱載體爐　盤管式有機熱載體爐應當說是一種經典爐型，分為立式和臥式兩種，主要由本體和燃燒室兩大部分組成。根據鍋爐容量，煙氣流程，可采用三回程或兩回程結構。本體由圓形盤管、支撐鋼架、外殼保溫層及附件組成。使用固體燃料，一般0.7MW以下的使用手搖固定爐排，而0.7MW及以上使用鏈條爐排。

盤管式有機熱載體爐具有結構緊湊、占地面積小、材料省、造價低、投資省等優點。但因容量小，一旦發生停電，循環油泵停止運轉，爐墻蓄熱和爐膛內燃料余熱會促使爐管中的導熱油超溫裂解，造成結焦甚至燒穿爐管，甚至發生火災。因此這類鍋爐最好設雙電源，若無雙電源突然停電，應馬上停止進料，打開爐門或清灰門，清除殘余燃料，開通冷油置換閥，使膨脹槽中的冷油靠靜壓力進入爐內，將爐管內熱油排入儲油槽，防止因超溫發生事故。

（2）管架式有機熱載體爐　管架式有機熱載體爐容量較大，熱功率可達到14MW，為組裝式鏈條爐排鍋爐。一般分上部組件、下部爐排及尾部空氣預熱器三部分，可組裝出廠。本體由輻射受熱面及對流受熱面組成，爐排設計為輕型鏈條爐排，尾部設有空氣預熱器及多管（或旋風）除塵器。

（3）鍋殼式有機熱載體爐　鍋殼式有機熱載體爐主要是針對上述兩種爐型設計的，多以鏈條爐排和往復爐排為主。但是在生產實踐中，沒有很好地解決上述問題，且鍋殼底部易出現鼓包甚至開裂問題，因此這種爐型并不適合有機熱載體爐。

4.有機熱載體爐供熱工作系統與主要功能：

有機熱載體氣相爐多采用自然循環系統，而液相爐主要采用強制循環系統，即液相爐中的導熱油是靠循環油泵的壓頭打入熱網系統供熱的。循環油泵在系統中的安裝位置不同，又分為注入式和抽吸式強制循環系統。

在工作系統框圖中，有機熱載體是由循環油泵輸出→加熱爐→熱用戶（即用熱設備）→油氣分離器，再進入循環油泵。這是一個主循環回路。其他部分有膨脹槽、儲油槽、注油泵等都是不可缺少的輔助系統，其主要功能如下。

加熱爐：即有機熱載體爐，是將燃料燃燒，并將熱量傳給熱載體的設備。

熱用戶：即用熱設備，系從熱載體中吸收熱量，供生產所用的設備。

油氣分離器：將循環中的導熱油所析出的氣體分離出來，保證系統能正常穩定的工作。

循環油泵：推動導熱油在系統內不斷循環，克服整個循環系統中的阻力。

膨脹槽：吸收系統中的導熱油由于受熱膨脹所增加的體積，補充系統中導熱油損耗，穩定系統中的壓力，并將油氣分離器中分離出的液體進一步分離，將氣體排出。

儲油槽：儲存來自系統、膨脹油槽排出的導熱油，正常工作時處于低液位，膨脹油槽液位高于最高液位后由溢流管泄放至儲油槽。

過濾器：有機熱載體供熱管網中的雜質，對系統運行是很不利的，可通過過濾器分離出來。在供熱系統正常運行一段時間后，定期將雜質排出。