低氮冷凝余热回收蒸汽锅炉系统经济效益优化举措与分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：魏麒（1994),男，汉族，天津人，本科，工程师，主要从事设施设备技术支持及半导体厂务管理。-191-低氮冷凝余热回收蒸汽锅炉系统经济效益优化举措与分析 魏 麒 中国电子科技集团公司第四十六研究所能力建设与条件保障处，天津 300000 摘要：摘要：本着节能降耗优化经济效益，降低氮氧化物排放的原则，本研究所蒸汽供给设备选型为低氮冷凝余热回收蒸汽锅炉；本文通过基于半导体工厂锅炉设备原有节能方式的阐述并结合蒸汽系统冷凝排放的再利用、合理配置燃烧器、排污调整等举措进行探讨分析来综合体现系统经济效益的浮动，同时重点对保证节能举措下的锅炉水质如何达标及系统潜在隐患加以论述。综合结论证明：在锅炉烟气潜热回收的基础之上再加以达标凝结水回收的综合工况，系统节能效果显著，该举措有对提升行业所处社会效益、能源改善有重大意义。关键词：关键词：余热回收；水质；经济分析；节能效益；燃烧配比 中图分类号：中图分类号：TK22 0 引言 半导体工厂生产车间除了对于工艺生产设备的工艺水平有严格的要求之外，对于无尘室的各项指标包括温湿度、洁净度、气流形式、静电磁场等环境参数也都具有对应的标准，在多项标准之中，温湿度的保障也是最基本且最重要的环节之一。由此引出保障温湿度的方式为通过洁净组合式空调机组进行空气品质的调控供给使用，而调控的办法为机组对空气温度、湿度的升降，参与升温与加湿的介质为蒸汽，因此保障生产活动稳定就需要长期不间断的提供稳定的蒸汽，蒸汽锅炉的运行就需要长期进行；此工况下，锅炉能源的消耗量较为可观，长期对于能耗的监测与有效的降低是一项比较重要的动力运维生产活动。1 现实节能的举措 1.1 烟气冷凝余热回收 一般来说，不存在热效率 100%以上的锅炉，但如果将烟气中的水蒸气凝结潜热进行换热利用，且在排烟温度降至足够低时，锅炉的热效率便会提高至 100%以上，此时锅炉的热效率用燃料的高位发热值进行计算，在此至阐述产品自节能功能的分析不做详细计算。但是如果按照燃料的低位发热量来计算锅炉的热效率则无论如何都是不可能达到 100%以上的。锅炉尾部装有双节能装置，一级为翅片管式承压节能器，二级为常压冷凝器。并且适配了 FGR 回燃系统，确保燃烧机充分燃烧低氮排放。烟气中显热与潜热回收时理论效率：排烟温度 260时锅炉效率：89.5%；一级凝结潜热回收时提高的效率：5.5%；二级凝结潜热回收时提高的效率：7.5%；冷凝锅炉的理论热效率：102.5%。1.2 科学合理配比燃烧器 天然气空气比重较低，与之混合后易燃，一般在空气与燃气配比较低的情况下便可充分的燃烧，锅炉特检节能机构规定处于正压条件下的燃气锅炉在排烟处的空气过剩量系数要在 1.15 以下。与燃烧介质为煤的锅炉相比，系数较小。由此可见，如果此时系数过大，空气含量过多，锅炉本身的排烟量也会与之上升，排除的热量也会出现浪费的情况。由此证明，合理控制锅炉燃烧过后排烟气体内的含氧量以及过氧量的系数尤为重要，对与保障燃烧的完全与合理性来说，尤为重要。燃气蒸汽锅炉排烟处的氧含量控制在 2%3%为宜，过量的空气控制在 14%为宜，此时燃气燃烧较为充分，热量损失小1。在调整燃烧器的空燃配比时需要结合炉膛内燃烧火焰与实时监测排烟氧含量进行2。炉内正常燃烧的情况下，火焰颜色趋于蓝；鼓风机送风量较大的情况下，火焰颜色趋于白蓝；鼓风机送风量较小的情况下，火焰颜色趋于红。参考上述现象可以通过观察孔观察此时燃烧的情况，在合理调控风气配比后，可明显降低燃烧热损失。中国科技期刊数据库 工业 A-192-1.3 蒸汽供给管道的维护 蒸汽由管道、阀门、弯头、减压阀等输送介质供至末端设备使用，随着时间推移存在着蒸汽管道泄漏量的提升，这对于系统能耗也是损耗出处的地方，定期的对于系统管道、配件进行养护检修也是一项保障能源损耗温度甚至节约的必要工作之一。同时，考虑到蒸汽输送管道的热能损耗，对于蒸汽的流速也是动态分析的重要因素；蒸汽流速决定了管径的大小，往往末端设备的蒸汽接口与蒸汽管径设计的参数未能考虑周全，管径选择太小，蒸汽流速快，管道产生蒸汽共振；管径选择太大，蒸汽流速较慢，管道热能损失上升。一般对于不饱和蒸汽按照 50m/S 的流速设计管径尺寸，饱和蒸汽按照 25m/S 的标准。最后针对蒸汽使用设备的管道路径问题，要考虑距离最优最短，如果因为现场环境无法保障距离，需延长输送管道则要考虑蒸汽的热能损耗后的热胀冷缩，尤其是选择弯管膨胀时特别关注。1.4 优化定时排污与连续排污 在此列出燃气蒸汽锅炉的热效率以及运行时燃烧燃料率的计算分析 bqbqgspsbqgsr=DiiDiiBQ(1.1)bqbqgsrDiiBQ (1.2)其中：锅炉的热效率 锅炉的运行燃料利用效率 rQ燃气低位发热量 B锅炉消耗的燃气量 bqi饱和蒸汽焓 gsi给水焓 psi排污焓 bqD饱和蒸汽量 psD排污量 联立二式，可以推 bqgsbqgspsgs=iiniiii (1.3)其中psbqDD (1.4)从上述结果来看，此时系数 n 肯定为小于 1 的数。若在理想运行过程中，将锅炉运行的压力作为恒定，这个系数 n 便与排污率成反比，说通俗来讲排污量越多，燃烧效率越低。那么如果反过来推导，我们恒定排污效率，系统运行的压力越高，则系数 n 就变得越小，因此锅炉排污效率比、排污压力被有效的降低均可降低能源的损耗。1.5 蒸汽凝结水循环再利用 以本所 WNS4-1.25-Q 锅炉为例，本身带有烟道冷凝余热回收的节能作用；能够同时降低氮氧化物的排放且再利用烟道内显热。在此基础之上，在供给蒸汽压力为 0.50.8MPa 的时候，系统排放的蒸汽凝结水含热量占比蒸汽的 25%5%，同时凝结水水质杂质含量较为单一，是品质较高的热回收介质。如加以回收利用，不仅是对于锅炉系统的补水量、燃气燃烧量还是排污量都有明显的降低，对于整个蒸汽系统的能耗能有大幅改善。经过验证计算，使用蒸汽凝结水回收至锅炉补水，补给水的温度每当升高 5 至 6 摄氏度便可以降低 1%的燃气，同时锅炉的效率也被提升 10%34。2 凝结水回收实现中出现的问题 理想环境下在蒸汽输送到末端设备使用或滞留在管道中的蒸汽在凝结时水质应该是软化水品质接近于纯水，然而实际系统当中出现的问题为由于原本蒸汽的品质无法保证，使用蒸汽的设备比较分散，输出蒸汽的管道无法保证内部洁净无腐蚀，最终我们测试其水质呈现出弱酸性，出现了部分离子污染，其中铁离子含量较为多，这种水质如果作为锅炉系统的补水水源直接使用，会产生铁氧化物，影响炉管受热均衡且水质碱度无法保证隐患明显。3 凝结水水质不达标的原因及举措 3.1 成因分析 3.1.1 水质弱酸性的原因 本所锅炉采用钠型离子交换树脂软化加常压热力除氧系统作为锅炉补水处理，补水水质为软化水并非除盐水，其中软化水：原水通过交换器的树脂层时，水中的钙、镁离子被树脂吸附，硬度低于 0.03mmol/l的水；除盐水：含很少或不含矿物质，通过蒸馏、反渗透、离子交换或这些方法制出。软化水当中包含各类碳酸盐并未除去，因此水质含有碳酸根与碳酸氢根中国科技期刊数据库 工业 A-193-离子。锅炉在运行过程当中对水进行加热加压，反应条件具备碳酸类盐进行分解反应便会生成二氧化碳气体，二氧化碳随着蒸汽的输送最终会与蒸汽凝结水溶解反应生成碳酸根，过量的二氧化碳则会生成碳酸氢根与氢离子，氢离子的含量大于氢氧根离子，酸性就此体现。并且凝结水水质的纯净程度与二氧化碳溶解反应的效率成正比，经测试结果研究，1mg 的二氧化碳溶于 1L 的纯化水当中，PH 可降低 1.5（绝对值）5。232322HCOCO+CO+H O (3.1)223COH OHCOH (3.2)在溶液当中我们不仅需要考虑PH值代表下的酸碱程度。溶液当中对金属物质的腐蚀不仅是酸腐蚀同时在存在着电化学腐蚀，酸腐蚀反应当中氢离子被消耗，弱酸电离进行补充。二氧化碳溶解在水中生成碳酸氢根离子、碳酸根离子，使钢铁产生电化学腐蚀。二氧化碳腐蚀属于去氢极化腐蚀，往往比相同 pH 值的强酸腐蚀更严重。其腐蚀除受到去极化反应速度控制外，还与腐蚀产物是否在金属表面形成膜及膜的稳定性有关6。3.1.2 管道的腐蚀 在实际工厂蒸汽管道当中，系统并非绝对的密闭的，使用节点复杂，冷凝水回收官网状况不一导致回冷凝水当中存在溶解氧，其次锅炉补水系统并非都装配了除氧装置。这导致一部分氧气直接随着蒸汽的输送遍布管网。因此二氧化碳与氧气的存在最终导致了管道发生了酸腐蚀与氧腐蚀，腐蚀反应生成的铁氧化物等含铁物质回入补水系统，凝结水成红褐色。2+Fe 2e=Fe(3.3)2+2Fe2OH=Fe OH(3.4)2222FeO2H O=2Fe OH (3.5)22234Fe OHO2H O=4Fe OH(3.6)232222Fe OHFe O xH O+3x H O(3.7)3.1.3 管道未进行防腐处理 蒸汽锅炉包括蒸汽输送系统在建设安装时没有对管道与载水容器进行防腐处理或者做了处理后使用期间脱离失效导致使原有的铁氧化物陆续进入补水系与锅炉本体。3.2 控制水质的举措 3.2.1 水质过滤处理办法 例如安装锰砂罐除去凝结水当中的总铁物质，安装除氧设备、曝气设备除去补给水当中的溶解氧、二氧化碳。从而综合改善凝结水的回收品质。3.2.2 投入蒸汽管道保护药剂 以分析结果证实一定程度的提升凝结水当中的 PH值能够减少铁的电化学腐蚀反应；同时采用能够使蒸汽管道内壁形成钝化保护膜的药剂便可有效杜绝内壁表面发生失去电子的腐蚀反应7，因此选择采用既能够调节冷凝水 PH 值同时具备护膜功能的药剂为优。4 凝结水回收的经济效益 凝结水回收对排污率的降低：锅炉使用运行当中整个汽水循环系统当中的化学物质理论上是相对守恒且稳定的，也就是说锅炉补给水当中的化学物质总量等于排污与整个蒸汽供给管网当中化学物质的总和，本所为例，锅炉没有排污扩容，取样测得并计算整年度的补水碱度平均为 4mmol/l,炉内取样测得并计算整年度的碱度平均为 26，由公式计算排污率为 18.18%100%a JDpJDJD 给炉给 (4.1)若将凝结水回收提升至50%并计算排污率为9.09%，与未回收相比，被加热的炉水降低怕排放 9.09%，并且能够达到排污率低于 10%的运维要求。（1）降低水的费用 凝结水的再利用大大降低了锅炉自来水软化补水量，测算节约费用如下：节省（水费）=水价(元/t)*锅炉蒸发量(t/h)*时间（测试的运行时间 h）*凝结水回收率（%）*补水损耗系数（比例常数）。以 WNS4-1.25-Q 锅炉 4 吨每小时的蒸发量及综合工况测算水费约为 12 万 9 余元。（2）降低燃气的费用 由于凝结水的回收提高了补水温度，根据能量守恒锅炉加热水的耗热能降低，所燃烧燃气的用量得以降低，按照锅炉补水温度要求，避免锅炉自带余热回收降耗带来的干扰，以 20 摄氏度的补水温度进行标定能耗计算，因将 1kg 水加热每升温 1 摄氏度所需的热量为 4.186kj。中国科技期刊数据库 工业 A-194-同时测试凝结水回收后平均升温为 40 摄氏度，因此可以得出每将 1 吨 20 摄氏度补水升温至 60 摄氏度补水所需热量为 167440kj，则全年 35040 吨补水升温所 需 热 量 为 5867097600kj，我 们 取 燃 气 热 值 为35559kj/m，热效率按照高低位发热量差值 11%计算，低位热效率为 91.2%，此时同样按照计算节约水费的补水能耗系数 1.1 与凝结水回收率 50%，燃气单价为 3.65元计算燃气节约费用约为：363190.608 元。5 结论 本文基于本单位燃气蒸汽锅炉运行实况从多个方面探讨并分析改善经济效益的举措并加以计算分析改善成果，且在实施举措同时针对水质的不同情况进行说明分析提出针对性的处理办法；重点证明利用好凝结水回收能够大幅度节省锅炉运行成本开支，同时根据水质及锅炉运行压力合理控制排污率、做好蒸汽系统的后勤养护工作等从多个维度补充改善经济效益的途径。本文以本单位实际工况出发加以探讨，在不同工业工况之下对于凝结水回收的效果及降能方面会存在差异，但共通性为如何在保证水质优良达标的情况下保证锅炉运行安全加以回收利用，成功利用并实施上述举措后均能达到提高锅炉热效率，降低耗能，这是响应国家节能号召、满足社会经济效益、降低工业工厂成本开支的可行性重要举措之一，值得提倡。参考文献 1郑东旭.燃气蒸汽锅炉的节能措施和节能管理研究J.设备管理与维修,2020(12):156.2陈少斌.燃气蒸汽锅炉的节能措施和节能管理探讨J.设备监理,2019(5):25-26.3王政委,林蒙.低温湿烟气热力特性及余热回收利用分析J.热能动力工程,2015,30(2):260-266.