熱源與熱媒的選擇及其經(jīng)濟效益分析

一、工業(yè)鍋爐供熱任務(wù)與范圍

工業(yè)鍋爐供熱技術(shù)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(shù)及其節(jié)能減排方法，以取得最佳經(jīng)濟效果。這就是工業(yè)鍋爐供熱工程的主要任務(wù)與服務(wù)范圍。其具體情況，可分以下幾種類型。

1.按工業(yè)鍋爐供出熱媒狀態(tài)劃分：

2.按工業(yè)鍋爐供熱對象劃分：

①生產(chǎn)工藝供熱；②熱電聯(lián)產(chǎn)供熱；③采暖、通風、空調(diào)、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(yīng)用范圍，本章不可能面面俱到，只能在有限篇幅內(nèi)，抓其重點，主要介紹集中采暖與生產(chǎn)供熱兩個方面的內(nèi)容及其節(jié)能減排的相關(guān)應(yīng)用技術(shù)。

二、供熱系統(tǒng)熱源的選擇與經(jīng)濟效益分析

1.確定熱源方案：

熱源的選擇涉及該地區(qū)有關(guān)合理用能與整體規(guī)劃問題，應(yīng)該充分利用當?shù)刭Y源，并尊重、服從整體規(guī)劃。同時還涉及熱源、熱網(wǎng)與熱用戶三者之間的關(guān)系與具體情況，應(yīng)當了解清楚，做到心中有數(shù)。選擇的熱源方案是否符合節(jié)能減排的規(guī)定與要求、還須經(jīng)過調(diào)查研究，摸清熱用戶的性質(zhì)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(jīng)過綜合技術(shù)經(jīng)濟論證比較，進行全面分析，方可擇優(yōu)確定。

目前常用的集中供熱系統(tǒng)熱源有以下幾種：

（1）熱電廠供熱系統(tǒng)　本處所列熱電廠系指城市或某個地區(qū)規(guī)劃所建熱電廠，一般規(guī)模較大，安裝具有可調(diào)節(jié)抽汽口的汽輪發(fā)電機組。由于該系統(tǒng)具有可調(diào)節(jié)抽汽口的供熱汽輪機組，能根據(jù)區(qū)域熱用戶的用熱負荷變化來調(diào)節(jié)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(chǎn)生的高溫、高壓蒸汽進入汽輪機，推動汽輪機高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電能。蒸汽在汽輪機內(nèi)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(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)　此種供熱方式與熱電廠無原則區(qū)別，多用于工廠企業(yè)的自備電廠，規(guī)模較熱電廠小。安裝的是背壓式汽輪發(fā)電機組，進行熱電聯(lián)供，按“以熱定電”原則進行運行。一般采用工業(yè)鍋爐，所產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，推動汽輪機高速旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。蒸汽發(fā)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(jīng)換熱器產(chǎn)生高溫熱水供熱。蒸汽系統(tǒng)的凝結(jié)水和熱網(wǎng)水進行集中回收，經(jīng)凈化、除氧和化學處理后再作為鍋爐的補給水。

（3）區(qū)域熱水鍋爐房供熱系統(tǒng)　以高溫熱水或低溫熱水為熱媒的區(qū)域鍋爐房供熱系統(tǒng)，經(jīng)熱平衡測試，該系統(tǒng)利用循環(huán)水泵使水在系統(tǒng)中循環(huán)。水在熱水鍋爐內(nèi)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(chǎn)供熱。熱水在各用戶散熱降溫后，又被熱水循環(huán)泵抽回到鍋爐再重新加熱。系統(tǒng)中損失和消耗的水量由補給水泵再供鍋爐補充水，須經(jīng)除氧和化學處理后變?yōu)閮艋?。系統(tǒng)的水壓力由壓力調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)。有關(guān)熱水鍋爐定壓問題，將在以后詳細敘述。

2.熱源廠經(jīng)濟效益分析：

一般凝汽式發(fā)電機組是遵循朗肯循環(huán)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(jīng)熱平衡測試所繪熱流圖如圖9-8所示。其中汽輪機凝結(jié)水熱能損失很大，通過采取多項技術(shù)措施，發(fā)電效率約為30％多，是很不經(jīng)濟的。而熱電聯(lián)產(chǎn)，不管是背壓式或抽汽式發(fā)電機組，由于高壓、高溫蒸汽先用于發(fā)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(chǎn)出一定數(shù)量的熱能和電能。熱電聯(lián)產(chǎn)方式比熱電分產(chǎn)可節(jié)約1/3左右的燃料，綜合效率可由50％提高到75％?？梢?，熱電聯(lián)產(chǎn)是熱能和電能聯(lián)合生產(chǎn)的一種高效能量轉(zhuǎn)換生產(chǎn)方式。

熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)越性還可從節(jié)能減排角度進行分析。對于一般中壓熱電聯(lián)產(chǎn)廠，汽輪機帶動發(fā)電機做功后，如能從汽輪機抽出4.18GJ（1Gcal）熱量，就相當于節(jié)約140kg標煤；對于高壓熱電聯(lián)產(chǎn)廠，如能再抽出4.18GJ（1Gcal）熱量，就相當于節(jié)約170kg標煤，其經(jīng)濟效益是相當可觀的。同時熱電聯(lián)產(chǎn)一般選用大型鍋爐或循環(huán)流化床鍋爐，便于集中進行環(huán)保治理，煙氣達標排放。因此集中供熱系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選擇熱電聯(lián)產(chǎn)或熱電廠作為熱源，是比較經(jīng)濟的。

選擇熱電聯(lián)產(chǎn)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(fā)電問題，杜絕借故變?yōu)樾犭姀S。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(shè)備，即使采用抽汽式發(fā)電機組，如供熱負荷太低時，就會自動轉(zhuǎn)化為按凝汽式機組運行，其熱效率更低。由此可見，對于穩(wěn)定的供熱負荷，最好選擇背壓式發(fā)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(fā)電機組需要調(diào)峰，則至少應(yīng)選擇1臺抽汽式發(fā)電機組。如有大型公建設(shè)施，需要冬季供熱、夏季供冷時，則應(yīng)選配適量抽汽式發(fā)電機組，并應(yīng)設(shè)置吸收式制冷機組，將富余蒸汽轉(zhuǎn)化為冷量，實行“電、熱、冷三聯(lián)供”更為經(jīng)濟合理。

三、供熱系統(tǒng)熱媒的選擇及對比分析

集中供熱系統(tǒng)熱媒有蒸汽和熱水。其選擇的依據(jù)主要是當?shù)責嵊脩舻囊蟆⒑臒嵩O(shè)備的種類與特點以及地區(qū)總體規(guī)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(chǎn)供汽負荷、南方非采暖地區(qū)或生產(chǎn)工藝用汽所占比例很大、采暖負荷很小時，應(yīng)選擇蒸汽進行供熱，如果采暖，可通過換熱器轉(zhuǎn)換為熱水解決。蒸汽作熱媒的主要優(yōu)點是：

①可利用熱電聯(lián)產(chǎn)排出的低壓蒸汽供熱，方便快捷，總體成本低，經(jīng)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(wǎng)直徑較小，不用專門設(shè)泵輸送，有時回收凝結(jié)水用泵，但耗電較少；

④蒸汽溫度較高，在耗熱設(shè)備中傳熱系數(shù)大，可減小該設(shè)備的換熱面積，降低費用；

⑤蒸汽重度很小，可適應(yīng)各種地形，方便地輸送到各用戶，不會像熱水那樣產(chǎn)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(tǒng)，應(yīng)選擇熱水作熱媒。有些企業(yè)耗熱設(shè)備主要是空調(diào)、暖風機、低溫烘箱、干燥設(shè)備、紡織印染用熱水槽及各種低溫加熱、空調(diào)盤管與換熱設(shè)備等，一般選擇熱水作熱媒。熱水作熱媒有以下優(yōu)點：

①熱水供熱系統(tǒng)熱能利用率高。因為熱水作熱媒時無凝結(jié)水，不會產(chǎn)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(zhì)要求較低，水處理費用少，可綜合節(jié)能20％左右。

②以水為熱媒采暖供熱時，可按質(zhì)調(diào)節(jié)方法進行調(diào)節(jié)，既可節(jié)能，又可較好地滿足室內(nèi)舒適度的要求。特別是能適應(yīng)熱水地板采暖方式，符合采暖供熱發(fā)展趨勢，這一點很重要。

③水的比熱容大，系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)可用泵進行遠距離輸送，熱能損失小，供熱半徑大，能適應(yīng)城市集中供熱規(guī)劃要求，便于拆除污染嚴重的社區(qū)燃煤小鍋爐。

⑤可充分利用熱電聯(lián)產(chǎn)排出的低壓蒸汽，經(jīng)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(shù)較小，熱能利用率比較低，應(yīng)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(fā)展很快，得到了廣泛應(yīng)用；在國內(nèi)對高溫熱水供熱早已統(tǒng)一了認識，并頒發(fā)了GB 3166《熱水鍋爐系列標準》。額定出口/進口溫度（℃）規(guī)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(yōu)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(jīng)濟效益好。據(jù)大量熱平衡測試與節(jié)能監(jiān)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(fā)熱量和供、回水溫差有關(guān)。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(huán)流量減小。因而循環(huán)水泵功率降低，輸送管網(wǎng)直徑變小，可節(jié)省電耗，降低管網(wǎng)投資。

③高溫熱媒水溫度高，換熱器傳熱系數(shù)K值大，熱交換器面積可相應(yīng)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(yīng)用范圍，代替部分蒸汽供熱。

⑤熱媒水溫度高，有利于設(shè)置中間換熱站，經(jīng)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(qū)燃煤小鍋爐，減少環(huán)境污染，符合節(jié)能減排要求，改善城市環(huán)境衛(wèi)生，建設(shè)和諧社區(qū)。

任何一項新技術(shù)，都有其特定的技術(shù)條件和要求。如按GB3166規(guī)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(wǎng)保溫材料級別應(yīng)相應(yīng)提高，所用管網(wǎng)閥門等部件要適應(yīng)，并應(yīng)采取因突然停電可能造成水擊或汽化的措施。對原有鋪設(shè)的舊管網(wǎng)，因保溫材料、防腐性能等不一定能滿足新的要求，都應(yīng)采取相應(yīng)措施，得到妥善解決。對于新建熱源廠，應(yīng)盡可能采用高溫熱水供熱。

四、有機熱載體爐供熱與優(yōu)勢

1.有機熱載體熱媒供熱優(yōu)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(huán)介質(zhì)供熱的新型熱能設(shè)備；是采用高溫循環(huán)油泵強制導熱油進行閉路循環(huán)，在將其供至用熱設(shè)備放熱后，再返回鍋爐中再加熱的直流式特種工業(yè)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(wěn)定供熱與溫度調(diào)節(jié)，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(wěn)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(chǎn)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(jié)能減排、保護環(huán)境的政策，有機熱載體鍋爐更顯出其優(yōu)越特性。如在石油化工、原油管網(wǎng)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(chǎn)、蔬菜脫水、烤漆、鑄造砂模烘干、藥品生產(chǎn)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。

有機熱載體鍋爐的技術(shù)特性可由主要參數(shù)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(huán)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(guī)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(jù)自己的生產(chǎn)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(huán)方式分，有：自然循環(huán)和強制循環(huán)鍋爐；按有機熱載體鍋爐本體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yè)上用作傳熱介質(zhì)，也稱導熱油。按其生產(chǎn)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(chǎn)的餾分油產(chǎn)品作為原料，再經(jīng)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(chǎn)品為原料，經(jīng)有機合成工藝制得的。這類產(chǎn)品加工復(fù)雜，成本較高，使用溫度也較高，熱穩(wěn)定性也較好。

導熱油的技術(shù)特性可用以下幾方面參數(shù)來表示：閃點、殘?zhí)?、酸值、沸程、密度、燃點、凝固點、蒸氣壓、最高使用溫度、膨脹系數(shù)等等。其中最高使用溫度是導熱油最主要的一個技術(shù)指標，它表示導熱油在這一溫度下工作，能保持熱穩(wěn)定性，不分解、變性、降質(zhì)或發(fā)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(jié)構(gòu)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(yīng)當說是一種經(jīng)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(jù)鍋爐容量，煙氣流程，可采用三回程或兩回程結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、材料省、造價低、投資省等優(yōu)點。但因容量小，一旦發(fā)生停電，循環(huán)油泵停止運轉(zhuǎn)，爐墻蓄熱和爐膛內(nèi)燃料余熱會促使爐管中的導熱油超溫裂解，造成結(jié)焦甚至燒穿爐管，甚至發(fā)生火災(zāi)。因此這類鍋爐最好設(shè)雙電源，若無雙電源突然停電，應(yīng)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(nèi)，將爐管內(nèi)熱油排入儲油槽，防止因超溫發(fā)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(yù)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(shè)計為輕型鏈條爐排，尾部設(shè)有空氣預(yù)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(shè)計的，多以鏈條爐排和往復(fù)爐排為主。但是在生產(chǎn)實踐中，沒有很好地解決上述問題，且鍋殼底部易出現(xiàn)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(tǒng)與主要功能：

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

在工作系統(tǒng)框圖中，有機熱載體是由循環(huán)油泵輸出→加熱爐→熱用戶（即用熱設(shè)備）→油氣分離器，再進入循環(huán)油泵。這是一個主循環(huán)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(tǒng)，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(shè)備。

熱用戶：即用熱設(shè)備，系從熱載體中吸收熱量，供生產(chǎn)所用的設(shè)備。

油氣分離器：將循環(huán)中的導熱油所析出的氣體分離出來，保證系統(tǒng)能正常穩(wěn)定的工作。

循環(huán)油泵：推動導熱油在系統(tǒng)內(nèi)不斷循環(huán)，克服整個循環(huán)系統(tǒng)中的阻力。

膨脹槽：吸收系統(tǒng)中的導熱油由于受熱膨脹所增加的體積，補充系統(tǒng)中導熱油損耗，穩(wěn)定系統(tǒng)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(tǒng)、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(wǎng)中的雜質(zhì)，對系統(tǒng)運行是很不利的，可通過過濾器分離出來。在供熱系統(tǒng)正常運行一段時間后，定期將雜質(zhì)排出。