醇基燃料導熱油鍋爐節能改造技術探析

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[摘要]目前，煤炭和重油等傳統能源因對環境污染嚴重被逐漸禁用，而天然氣等清潔能源價格昂貴，因此很多工業企業采用醇基燃料作為替代能源。醇基燃料作為一種清潔能源，其價格雖然低于天然氣，但是與煤炭和重油等能源相比成本相對較高，因此節能降耗勢在必行。尤其是采用醇基燃料的導熱油鍋爐排煙溫度過高，能源消耗更加嚴重，如何節能減耗是本文的研究重點。本文通過采用在導熱油鍋爐尾部加裝高效空氣預熱器等節能措施，回收鍋爐排煙余熱將助燃空氣加熱到200攝氏度左右，有效提高了鍋爐熱效率。通過權威測試報告可知，經過改造后導熱油鍋爐效率提高了8%以上，節能效果十分顯著。

[關鍵詞]醇基燃料；熱效率；空氣預熱器；余熱回收；節能效益

1背景

近年來，我國經濟和科技發展迅猛，政府高度重視節能與環保工作。各級地方政府經過調研商討，決定對工業企業采取一系列措施，督促其逐漸淘汰如煤炭和重油等對環境污染嚴重的能源，并且鼓勵使用清潔能源，因此，采用天然氣、生物質燃料等清潔能源來替代重油和煤炭將被更廣泛地推廣應用。其中，由于重油的制取途徑廣，且熱值高，因此大多數工業企業廣泛使用重油作為鍋爐燃料。此外，工業生產中的加熱爐也普遍以重油作為主要燃料，它的主要作用是作為鍛煉和熔化的原料。因此，重油占了市場上能源消耗的大部分。但近幾十年來，隨著工業生產中重油消耗量的不斷遞增以及價格的持續攀升，導致使用重油進行生產的企業承擔了很高的能源成本，而且重油燃燒后排放的煙氣也會對環境造成污染。在這樣的背景下，隨著科技的加速發展，新型清潔醇基燃料出現在市場上，憑借其清潔、優質、高效等優點在工業企業的生產中獲得了廣泛應用，并開始逐步取代成本高、污染相對嚴重的重油。由于醇基燃料能夠保證鍋爐在高效率下運行，同時又能將生產的成本降低(與天然氣相比)，同時對環境幾乎沒有污染，可謂一舉多得，是一種理想的清潔燃料。醇基燃料是主要由85%的甲醇和10%的乙醇組成，之后再以一定比例摻混擴散劑、加氧劑、穩定劑、防爆劑等試劑而形成的液體燃料。使用時首先利用高效鼓風機將助燃氣體輸送進鍋爐，然后和醇基燃料充分混合燃燒。在燃燒的同時如H2O2這類加氧劑以及擴散劑可以在醇基燃料燃燒時分解產生氧氣，使醇基燃料在鍋爐中的燃燒更加完全；此外，由于穩定劑和防爆劑的化學性質可以改變甲醇原本的揮發性較強等特性，因此醇基燃料在添加了穩定劑和防爆劑后可以充分降低甲醇的揮發性。綜上所述，醇基燃料具有燃點高、穩定性好、燃燒完全等優點，因此是一種熱效率高、使用安全、成本低的可再生新型清潔燃料。清潔醇基燃料的物理性質如下：相對密度0.83(20℃)，熔點為-90℃，沸點為70℃，閃點大于20℃，引燃點大于400℃。醇基燃料的資源豐富、生產成本與其他燃料相比較低，因此十分適合作為企業生產運作中的燃料。甲醇是制造醇基燃料的原材料，其制取技術較成熟，在我國來源渠道廣泛，所以醇基燃料非常適合成為重油的替代能源。甲醇的來源主要有兩類渠道：(1)煤炭制甲醇。煤炭資源的主要加工生產地為山西等省，儲能豐富，而且煤炭制甲醇在我國經過多年的探索發展，已經成為一項領先于世界水平的技術，其產能可觀，價格低廉。(2)天然氣制甲醇。在我國西部地區地下天然氣資源十分豐富并且開發成本較低，因此如青海、新疆等地區成為了甲醇的主要生產地，同樣具有產能可觀，價格低廉等優勢。醇基燃料能有效替代重油等傳統能源，因為它不僅價格便宜，而且熱值較高，燃燒能產生足夠的熱量供生產之用，所以是一種清潔衛生、低碳環保的燃料。而且，它的燃燒廢氣排放物傳統燃料相比也存在巨大差別，具體對比如表1。由表1可見，甲醇在醇基燃料中占比達到85%，而乙醇與其它四種添加劑僅占15%，因此，醇基燃料完全燃燒后的主要生成物為二氧化碳和水，這兩種物質對環境幾乎沒有影響，并且醇基燃料燃放后也不會排放黑煙，所以可以有效降低對環境的污染。此外，醇基燃料的優勢還包括：在常溫和常壓的狀態下，不需要使用高壓鋼瓶，只用普通的鐵罐和塑料桶封口保存，就可以方便地進行儲存、運輸和使用。因此，醇基燃料目前已在導熱油鍋爐上獲得了廣泛地應用。我國的導熱油鍋爐其排煙溫度普遍在300℃以上，其運行效率實際在70%以下，而國外導熱油鍋爐效率能達到85%~90%，因此我國與發達國家相比起來十分落后，近7000萬噸的標準煤沒有完全利用，因此亟待改進。企業生產中造成耗能設備的能量浪費有多種因素，而占大部分的熱損失是在煙氣排放這一過程中產生的。以導熱油爐這一耗能設備為例，通過測試分析得知，其排煙溫度已經超過300℃，并且對大量煙氣余熱充未進行回收利用，使得熱損失大大增加，因此這類設備有很大的節能環保余量。隨著煙氣余熱回收技術的逐步發展，本文采用了在導熱油鍋爐尾部加裝高效換熱器的節能技術。此技術能在通過換熱器時，將煙氣內可利用的能量以對流換熱方式傳遞給助燃空氣進行回收利用。本文對某化工廠的導熱油鍋爐改造案例進行了分析，在該鍋爐尾部加裝了空氣預熱器，通過對排煙進行余熱回收將助燃空氣加熱到220℃以上，有效降低了導熱油鍋爐的運行成本。

2國內研究現狀

鐘式玉等人[1]將熱交換器安裝在燃氣鍋爐尾部用來回收煙氣余熱，有效提高了鍋爐的熱效率。本研究在燃氣鍋爐煙道尾部上加裝了1個高效節能氣-氣換熱器，節能效果顯著，有效地減少了排煙熱損失，從而達到了節約能源的目的。石磊[2]對燃用重油的導熱油鍋爐改燒天然氣以及進行煙氣余熱回收的效果進行了研究，本研究采用的煙氣余熱回收的技術方案其主要優點在于主要余熱被回收后，可以撤掉冷卻塔的設置，從而節省了成本和空間。孔永平等人[3]對使用在鍋爐上的醇基液體燃料與煤和天然氣等傳統能源的一些參數對比進行了研究，發現醇基液體燃料在設備成本、燃料經濟性和使用成本的綜合分析中領先于其它能源。王金旺[4]對鍋爐排煙余熱回收利用的技術方案進行了研究，結合案例分析，發現在鍋爐上采用煙氣余熱回收技術后，成效顯著。不僅經濟效益得到了增加，也能減少對環境的污染。薛永明等人[5]對三種不同形式的鍋爐排煙余熱回收系統進行了經濟性研究分析，發現針對鍋爐的排煙進行余熱回收能夠有效提高經濟性效益。孫崇東[6]對天然氣燃氣鍋爐進行了綜合節能技術的研究分析，本研究提出提高鍋爐能效的方法是采用冷凝式和分離式余熱回收技術。并通過分析實驗數據得知，分離式余熱回收技術雖然能高效率回收煙氣余熱，同時也有因液化煙氣冷凝而產生出來酸性液體的缺點，因此這種方法的應用受到嚴重限制。陳江[7]對鍋爐煙氣余熱深度利用及節能減排技術進行了研究，根據實驗結果分析得出以下結論：當將煙氣余熱深度利用技術投入運行后，一方面既能減少耗能，另一方面又能降低排放物對環境的污染，可謂一舉兩得。許巧云等人[8]對醇基燃料解決資源短缺這一應用及發展對策進行了研究，本研究給出了醇基燃料未來的發展方向及發展對策，同時可以推動我國醇基燃料市場的良性發展。

3案例分析

某化工廠安裝了1臺天然氣導熱油鍋爐用于工藝生產，其蒸發量為5t/h，主要用來為生產提供熱量。經過對鍋爐運行狀況精確調研得出的結論如下：(1)設備的排煙溫度偏高，達到290℃，同時耗能較嚴重；(2)燃燒時需要供給的空氣量偏大；(3)煙氣排放產生的熱損失偏大，排煙中O2含量嚴重超標達到8%。原因分析如下：一是導熱油鍋爐因排煙溫度較高產生了較大的排煙損失，而排煙損失在設備運轉總熱損失中(包括排煙損失、保溫散熱損失、燃料未完全燃燒損失等在內的熱損失)占比最大，達到了70%~80%，導致鍋爐耗能嚴重；二是通過研究測試發現，當通過一些余熱回收技術手段，每當將排煙溫度降低15℃時，鍋爐的熱效率相應會增加1%。因此，采用將高效空氣預熱器安裝在鍋爐尾部，利用排煙余熱來加熱助燃空氣的節能方案，可以將鍋爐排煙溫度由原來的290℃降低到120℃，預計可將鍋爐熱效率提升接近10%。

4節能改造方案設計

燃用醇基燃料的導熱油鍋爐節能方案如圖1所示：在醇基燃料導熱油鍋爐尾部加裝高效空氣預熱器，將鍋爐排氣中的余熱進行高效回收，將助燃空氣加熱到220℃以上，進入鍋爐燃燒室中與醇基燃料混合燃燒，使鍋爐效率得到極大提升。由鍋爐熱力計算公式可得，當助燃空氣不斷升溫，鍋爐的熱效率也隨之提高，其中鍋爐熱力計算的過程在本文中由于篇幅所限不再列出，其計算結果由圖2所示：由圖2中可以清楚看出，助燃空氣溫度的升高對鍋爐效率的提高有極大影響。當助燃空氣加熱到200℃以上，鍋爐效率提高8.5%左右。

5節能率測試結果

安裝了高效空氣預熱器的醇基燃料導熱油鍋爐改造前后的測試報告(由權威第三方檢測單位出具)如下圖：5.1改造前5.2改造后可見經過節能改造后，排煙溫度由290度下降到了130度，熱效率由83.6%提高到91.5%，熱效率提高了8.1%，節能效果極其顯著。

6結論

(1)本文經過對化工廠進行實地考察，在已有的數據上進行分析，對燃用醇基燃料的導熱油鍋爐進行了煙氣余熱回收的節能方案設計，主要通過加裝高效空氣預熱器來達到煙氣余熱回收的效果，利用助燃空氣充分回收煙氣余熱。通過鍋爐改造前后的權威報告可知，節能效率在改造后提升了8%以上，效果十分顯著。(2)節能改造后的節能量計算如下：本5噸導熱油年消耗醇基燃料(33486.8kJ/kg)3000噸，按節能率8%計算，年節約醇基燃料(33486.8kJ/kg)240噸，折合節省標煤：240×8000÷7000=274t，節能減排效果明顯。(3)項目投資回收期短。年節約醇基燃料(33486.8kJ/kg)240噸，按醇基燃料價格4元/kg算，年節約運行費用：240×1000×4/10000=96萬元，對此導熱油鍋爐進行節能改造共需投資40萬元，投資回收期為40/96×12=5個月，也就是說投資回收期不到半年，經濟效益十分顯著，值得大力推廣。

參考文獻

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[8]許巧云，楊世東，孔永平，等．醇基燃料應用分析及發展對策[J]．化學工程與裝備，2019(09)：217-218．

作者:欒元琦 文水潤 吳曉煒 單位:1.廣東省特種設備檢測研究院清遠檢測院 2.廣東和瑞電力服務有限公司 3.廣東工業大學材料與能源學院