電廠燃煤鍋爐煙氣余熱回收的優(yōu)化利用

張俊濤

摘要：在我國現(xiàn)役火電機(jī)組中，排煙熱損失是電站鍋爐各項(xiàng)熱損失中最大的一項(xiàng)，一般為5%，～8%，，占鍋爐總熱損失的80%，或更高。影響排煙熱損失的最主要因素是鍋爐排煙溫度，而目前我國火電機(jī)組鍋爐排煙溫度偏高是一個(gè)普遍現(xiàn)象，一般維持在110～150，℃.通常情況下，排煙溫度每升高10，℃，排煙熱損失增加0.6%，～1.0%，若以燃用熱值為20，MJ/kg煤的410，t/h高壓鍋爐為例，則每年多消耗近萬噸動(dòng)力用煤。本文淺析電廠燃煤鍋爐煙氣余熱回收的優(yōu)化利用。

關(guān)鍵詞：低溫省煤器；布置形式；排煙溫度

中圖分類號(hào)：TM621.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-9129（2017）12-0077-02

Absrtact： in China， the heat loss of exhaust smoke is the biggest of all kinds of heat loss of power plant boilers， which is usually 5% or more， accounting for 80% or higher of the total heat loss of boilers. The main factor affecting the heat loss of exhaust gas is boiler exhaust gas temperature. At present， it is a common phenomenon that the boiler exhaust gas temperature of thermal power units in China is on the high side， which is generally maintained at 110 ～ 150 ℃. Normally， for every 10 ℃ rise in exhaust gas temperature， the heat loss of exhaust smoke increases 0.6% and 1.0%. If the 410 t / h high-pressure boiler burning 20 MJ / kg coal is used as an example， it will consume nearly 10，000 tons more each year. Power coal This paper analyzes the optimal utilization of waste heat recovery of flue gas from coal-fired boiler in power plant.

Keywords： low temperature economizer； layout form； smoke exhaust temperature

引言

雖然利用傳統(tǒng)的換熱器方法進(jìn)行余熱回收取得了較大的成果，但是對(duì)于排煙溫度較低的低溫余熱回收系統(tǒng)，往往由于傳熱系數(shù)不高（一般低于2800W/（M2k），且溫差較小，故需要布置較大的換熱面積，使得換熱效率較低，余熱回收尚不充分。人們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，一些半導(dǎo)體材料具有較好的溫差發(fā)電能力，例如23BiTe類材料、PbTe類材料、SiGe合金類等材料。利用這些半導(dǎo)體材料的熱電特性制成的溫差發(fā)電裝置可以在溫差存在時(shí)直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，從而在傳統(tǒng)換熱器的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化利用.綜上所述，若能夠充分利用溫差發(fā)電技術(shù)回收工業(yè)低溫余熱，并能產(chǎn)生可觀的電能輸出，那么針對(duì)該應(yīng)用的研究將會(huì)有很大價(jià)值。此外，由于我國能源十分緊缺，能源利用率相對(duì)較低，節(jié)能降耗也是進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

1 煙氣余熱利用提效節(jié)能系統(tǒng)改造方案

采用煙氣余熱利用節(jié)能提效系統(tǒng)，是在除塵器入口處加裝煙氣余熱利用裝置，以降低除塵器入口煙溫，提高除塵器比集塵面積，降低煙塵比電阻，減少除塵器入口煙氣量，提高除塵器效率，達(dá)到提高除塵器效率與節(jié)能的目的。該系統(tǒng)由“煙氣余熱利用裝置+電除塵器組成。其中，煙氣余熱利用提效節(jié)能裝置安裝在空預(yù)器之后，并復(fù)合在電除塵器的入口端.

2 余熱回收系統(tǒng)分析

2.1余熱回收系統(tǒng)的技術(shù)分析

本文中，余熱回收的優(yōu)化利用了溫差發(fā)電技術(shù)，該技術(shù)基于1821年德國人塞貝克所發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)而產(chǎn)生。他發(fā)現(xiàn)在兩種不同導(dǎo)電材料結(jié)點(diǎn)（PN節(jié)）處有不同的溫度會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)。該電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)電材料冷熱端溫度之間有如下關(guān)系：

（1）

式中： 為兩種半導(dǎo)體材料的相對(duì)塞貝克系數(shù)；Th和Tc分別為高溫端和低溫端溫度，℃。由于單獨(dú)的PN節(jié)只能產(chǎn)生很小的電動(dòng)勢(shì)，一般需要將許多這樣的PN節(jié)通過串聯(lián)的方式組合起來構(gòu)成一個(gè)溫差發(fā)電片.溫差發(fā)電片向外輸出的最大功率與其冷熱端溫差滿足二次關(guān)系，即

（2）

式中：r為溫差發(fā)電片的內(nèi)阻.溫差發(fā)電片的最大電能轉(zhuǎn)換效率與它的高溫端與低溫端溫度有關(guān)：

（3）

式中Z為溫差發(fā)電片的優(yōu)值系數(shù)。為了獲得溫差發(fā)電片的性能參數(shù)，可利用圖1中的實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。通過合適地調(diào)整實(shí)驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行狀況，分析溫差發(fā)電片在電廠運(yùn)行工況范圍內(nèi)的工作性能。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由以下幾部分組成：煙道主體、加熱爐、發(fā)電組塊、測(cè)量裝置、風(fēng)扇、冷卻水箱、循環(huán)水泵及循環(huán)管路。實(shí)驗(yàn)中，選用蜂窩煤為燃料，煙道模型主體由鋁制成，四周以串聯(lián)方式各布置4片40mmX40mm規(guī)格的溫差發(fā)電片，并且在煙道每面的溫差發(fā)電片的熱端和冷端分別安裝一個(gè)熱電偶，共計(jì)8個(gè)。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，溫差發(fā)電片冷熱端溫度以熱電偶的平均值為準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)裝置采用循環(huán)水冷卻的方式控制溫差發(fā)電片冷端的溫度維持在20，℃左右。同時(shí)，在煙道底部設(shè)計(jì)一個(gè)冷空氣入口，在該入口處加裝可調(diào)節(jié)功率的風(fēng)扇用于控制煙氣溫度從而調(diào)節(jié)溫差發(fā)電片熱端溫度。待系統(tǒng)維持穩(wěn)定后，記錄當(dāng)前工況下溫差發(fā)電片的開路電壓和短路電流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用式（2）計(jì)算當(dāng)前工況條件下的最大輸出功率。該實(shí)驗(yàn)測(cè)量了煙氣溫度從100，℃變化到160，℃條件下的工況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用最小二乘法進(jìn)行回歸，從而得到數(shù)據(jù)所滿足的函數(shù)關(guān)系，結(jié)果示于圖2。利用該回歸結(jié)果可得到冷熱面溫差介于70，℃至140，℃之間任意位置時(shí)的溫差電動(dòng)勢(shì)和最大發(fā)電功率，為后續(xù)余熱回收的優(yōu)化分析提供基礎(chǔ)。

2.2余熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用分析

在了解溫差發(fā)電片的性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，本節(jié)考慮將溫差發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于電廠煙氣余熱回收利用.通過了解研究對(duì)象電廠系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，簡化研究問題，建立計(jì)算模型，計(jì)算將溫差發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于其中可以回收到的電能、冷卻水流量、布片面積和單位發(fā)電成本，對(duì)溫差發(fā)電系統(tǒng)回收煙氣余熱進(jìn)行優(yōu)化分析，為發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)選擇提供參考，并為發(fā)電系統(tǒng)的大型化提供依據(jù)。本文將從煙氣經(jīng)管道、溫差發(fā)電片到冷卻水的傳熱過程簡化為一維穩(wěn)態(tài)多層平壁傳熱問題.

在計(jì)算過程中做如下假設(shè)：①回收煙氣余熱時(shí)溫差發(fā)電片總能保持對(duì)應(yīng)溫差下的最大發(fā)電功率；②煙氣管道傳出的熱量都流經(jīng)布在其上的溫差發(fā)電片，忽略系統(tǒng)對(duì)外界的散熱損失；③不考慮換熱器的換熱能力是否可使足夠多的熱量流過溫差發(fā)電系統(tǒng)；④在計(jì)算收益時(shí)，僅考慮溫差發(fā)電片的成本和冷卻水的循環(huán)泵功，其他成本暫不考慮。根據(jù)能量守恒，可得

（4）

式中：Qh為煙氣側(cè)放熱功率，kW；P為溫差發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率，kW；Qc為流入冷卻水中的熱功率，kW.它們的計(jì)算式為

式中：M為給煤速率t/h； 根據(jù)式（3）進(jìn)行計(jì)算，其中的 為對(duì)數(shù)平均溫差； 分別為煙氣進(jìn)出口處溫度下所對(duì)應(yīng)的焓值，kJ/kg，通過對(duì)電廠所選用的煤進(jìn)行煤質(zhì)分析后計(jì)算得出。冷卻水的流量可根據(jù)Qc和水的比熱容計(jì)算：

（7）

式中：Cw為水的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）； 和 分別為冷卻水出口和入口溫度，℃，其中 為定值；w為冷卻水流量，kg/s。水泵所需的功率可由式（8）計(jì)算。

（8）

式中：g為重力加速度，m/s2；H為水泵揚(yáng)程，m； 為水泵效率，%.另一方面，溫差發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率還可以根據(jù)式（9）計(jì)算為

（9）

式中：Pcal為每片溫差發(fā)電片的發(fā)電功率，W；根據(jù)實(shí)驗(yàn)回歸結(jié)果計(jì)算，可得所需要的溫差發(fā)電片的數(shù)量D。于是，可得所需溫差發(fā)電片的面積為

3 注意事項(xiàng)

3.1汽機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)取水位置的選擇

考慮到管壁溫度對(duì)受熱面結(jié)露腐蝕的影響，要保證進(jìn)水側(cè)管壁溫度高于70℃。同時(shí)運(yùn)行過程中注意調(diào)整低低溫省煤器進(jìn)水調(diào)節(jié)閥及旁路調(diào)節(jié)閥，保證入口水溫。作為改造機(jī)組，要考慮機(jī)組正常運(yùn)行的情況下各級(jí)低壓加熱器的進(jìn)出口水溫，如果溫度較機(jī)組熱平衡圖偏差較大，考慮更換低壓加熱器，否則長期采用高品質(zhì)凝結(jié)水參與調(diào)整，不能夠保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.2機(jī)組真空度的影響

由于加入低低溫省煤器后，#1低加進(jìn)水流量減少到原進(jìn)水量的三分之一，進(jìn)汽量保持不變（排擠部分的抽汽），#1低加疏水溫度相應(yīng)提高，#2低加進(jìn)水溫度升高后，疏水溫度也相應(yīng)升高，由于低加采用疏水逐級(jí)滯留，與軸加疏水并入排汽裝置內(nèi)部，對(duì)機(jī)組真空會(huì)造成部分影響，在已知的低低溫省煤器改造項(xiàng)目，水冷機(jī)組改造完成后汽輪機(jī)組背壓升高均在0.08kPa以內(nèi)。

4 結(jié)語

在節(jié)能減排日趨嚴(yán)峻的形勢(shì)下，各火力發(fā)電廠均在想盡辦法降低能耗、降低排放、許多新興的技術(shù)得以實(shí)踐，加裝煙氣余熱利用提效節(jié)能系統(tǒng)對(duì)降低排煙溫度、對(duì)煙氣余熱的再利用有著非常大的市場(chǎng)前景，在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)得到了大力推廣。

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