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    工業煙氣余熱回收利用方案優化分析

    當前,我國資源、能源問題日益嚴峻,引起了國家與各地政府的高度關注。在節能減排的背景下,為了節約資源,實現社會經濟的可持續發展,對工業煙氣余熱進行回收利用成為了大勢所趨。在工業生產中,對煙氣余熱進行回收利用不僅節約了能源,保護了生態環境,還能為我國經濟社會的建設與發展提供強大動力支持。 
      1  工業余熱回收利用現狀 
      工業余熱主要是指在工作生產過程中使用的熱能轉換設備和相關機械設備中未被利用的能量??傮w來看,我國余熱資源較為豐富。相關研究資料顯示,我國余熱資源數量平均高達4.0×107 t標準煤。 
      工業部門的余熱資源平均率為7.3%,但是回收利用率卻只為34.9%。我國余熱資源之所以回收利用率較低,主要原因是過多的余熱量以各種形式浪費掉。在工業未來發展中,可以看出余熱資源存在巨大的回收利用潛力。隨著科學技術的發展,通過有效的管理、設備改造升級、節能操作等手段,可以使余熱資源得到有效利用,余熱資源利用回收率將會大幅提高。在現代工業發展中,充分利用余熱資源,對提高資源平均利用率具有重要意義,同時這也是工業發展中亟需解決的問題。 
      2  利用煙氣余熱的原則 
      合理利用能源,主要是在能量系統中使數量保持平衡,使質量匹配合理化。在煙氣余熱的利用過程中,要使煙氣余熱利用價值最大化,燃料要在高溫下充分燃燒。由于燃燒燃料有多種類型,發熱量和絕熱燃燒溫度也會存在差異。因而在對燃料進行評價時,不僅只考慮熱值,還要考慮到材料的質量,準確判斷材料性質,合理利用。同時要減少損失量,在利用煙氣熱能時,要盡可能地減少各類損失,包括傳熱溫差、摩擦等,實現質量合理匹配,做到熱盡其用。如果在只需要低熱能的場合使用高質量熱能,必然會造成燃料的浪費。另外,要合理應用總能系統,按照能量高低,采用梯級的利用方式,合理匹配功、熱等能量之間的關系,全面考慮環保、熱力、經濟等多方面的因素,實現余熱利用的良性循環。需要指出的是,在通過余熱回收實現節能的過程中,不能只是為了回收而回收,還應該考慮節能裝置本身的熱效率,通過改進裝置結構來節約能耗,提高經濟效益。圖1為煙氣余熱回收方案。 
      3  設計工業煙氣余熱回收利用優化方案 
      煙氣回收工作中使用的主要設備是余熱回收換熱器,它是工業生產中的主要節能設備,在提高工業煙氣熱效率的同時,還能夠大幅提升能量的有效能效率。因而在設計工業煙氣余熱回收利用優化方案時,就需要對換熱器進行優化。 
      3.1  確定優化目標 
      余熱回收換熱器最優方案受到多種因素的影響,包括能源價格、原材料價格、安裝費用、貸款方式和利率等。另外,技術因素也會對其產生影響,例如換熱器性能和使用壽命。 
      當前比較明顯的優化目標方案主要有換熱器回收預熱年凈收益最大目標函數、基于相對費用參數的換熱器優化目標函數、最小投資回收年限目標函數等。這些目標函數的取法各有利弊,利用追求年凈收益最大和相對費用參數的目標函數對預熱回收效果進行了定量研究,但是能量、質量沒有得到準確反映;而換熱器優化目標函數雖然對能量的考慮更全面,但在投資經濟效果方面存在欠缺。 
      針對上述目標函數確定方法的利弊,我們在熱力學分析的基礎上建立了工業煙氣余熱回收利用額價值型技術經濟評價指標――凈現值,用于對余熱回收換熱器熱力學性能與經濟效益進行綜合評價。 
      3.2  選擇設計變量 
      設計變量就是設計工作中需要選擇的參數,也就是目標函數中的待解參數,是目標函數的基本組成成分,選擇合適的設計變量對目標函數非常重要。 
      換熱器設計工作主要有熱力學設計、結構、強度三方面內容,熱力學設計主要工作有計算換熱面積、提高換熱效果、調整換熱面積、完善系統設計與控制方案、合理選擇設備型號,同時合理選取設計參數,包括換熱面積、換熱溫差、換熱系數等。在結構強度方面需要保證結構強度,提高系統的高溫穩定性,保證結構運行安全。 
      在設計參數選取中,換熱面積的確定是比較重要的一個問題。增加換熱面積能夠升高空氣預熱溫度,空氣預熱溫度為相關變量,換熱面積則為獨立變量。換熱面積增加能夠提高預熱回收量,然而也會導致運行維護費用增加,所以在設計中需要控制設計變量維數,選擇獨立變量換熱面積為設計變量,求解目標函數,實現設計參數的優選。   

    3.3  約束條件 
      預熱回收換熱器優化設計約束條件有技術和經濟兩方面。 
      3.3.1  壁溫 
      余熱的溫度范圍較大,甚至可能超過1 000 ℃,然而在余熱回收中,換熱器傳熱面所能承受的最高溫度是有限制的。溫度過高時,余熱回收不充分。壁溫主要受換熱器材質、流型、結構的影響。 
      3.3.2  傳熱面積 
      傳熱面積的確定要綜合考慮換熱效率和經濟效益,安裝、維修等具體條件也會影響傳熱面積。 
      3.3.3  流體輸送功率消耗 
      預熱回收裝置會增加預熱源通路阻力,造成風機功率消耗偏大,需要根據經驗選擇合理的流速范圍。 
      3.3.4  結構強度 
      設計中,換熱器不同部分熱膨脹問題對結構強度提出了要求,所以需要根據實際情況合理選擇結構強度設計值。 
      3.4  經濟技術分析 
      選取設計參數,設定約束條件,建立分析模型進行分析。預熱回收換熱器優化中考慮最多的問題是提高換熱器經濟效果,使用技術經濟評價指標能夠準確對其進行衡量。技術經濟評價指標有時間型、效率型、價值型等不同的評價指標,研究中使用凈現值動態分析按照資金的時間價值考慮是否可以選用靜/動態分析方法;使用凈現值動態分析評價方法評估方案的經濟效果。凈現值是一種有效的計算方式,能夠真實反映工程項目建設期間以及生產服務年限內的獲利能力,是一個綜合的動態評價體系,是方案取舍的有效判據。NPV=0表示方案達到了基準收益水平;NPV>0,表示該方案在滿足基準收益水平要求的同時還能夠獲得超額收益。

    [1]鞠碩華,顏麗娟,廉學軍.煙氣余熱回收利用技術經濟分析[J].中國建筑,2012,12(9):13. 

    [2]孟嘉.工業煙氣余熱回收利用方案優化研究[D].武漢:華中科技大學,2012,05(01):12-13. 

    [3]劉功國,吳秋廷.轉底爐高溫煙氣余熱回收利用分析研究[J].礦冶,2011,12(15):9-10. 

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