電站鍋爐煙氣余熱利用的研究與應(yīng)用

孟俊峰

摘要：電站鍋爐排煙熱損失占主要能量損失的70～80%，對鍋爐尾部煙氣的進行余熱回收利用改造在提高電廠的熱經(jīng)濟性的同時減少了動力燃料的消耗。近些年國內(nèi)外來對電站鍋爐煙氣余熱的回收利用研究越來越深入，余熱利用方式越來越多。主要有低（低）溫省煤器吸收煙氣余熱加熱汽輪機凝結(jié)水、低（低）溫省煤器與熱媒水換熱器組合、低（低）溫省煤器與熱媒水管式煙氣換熱器（MGGH）組合、空預(yù)器旁路煙氣余熱高能級利用系統(tǒng)等。多種余熱利用方式積極響應(yīng)了國家節(jié)能減排方針的號召，對于提高電站機組的效率具有重要的實際意義。本文通過分析比較電站鍋爐煙氣余熱利用回收裝置的設(shè)計方案、節(jié)能效果，提出改造建議，為燃煤電廠的鍋爐煙氣余熱回收利用方面提供借鑒。

關(guān)鍵詞：電站鍋爐;余熱利用;節(jié)能

引言

在世界范圍內(nèi)，燃煤電廠仍是主要的發(fā)電廠，目前我國火電機組裝機總量達到了全國發(fā)電總裝機容量的60%以上，燃煤電廠作為能源消耗大戶，也是污染物排放大戶，面臨著節(jié)能和環(huán)保的雙重壓力，因此也是國家實施節(jié)能減排的重點領(lǐng)域。發(fā)改能源[2014]2093號中對火電節(jié)能減排提出了更嚴格和明確的強制要求：全國新建燃煤發(fā)電機組平均供電標準煤耗低于300克/千瓦時，到2020年，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組改造后平均供電煤耗低于310克/千瓦時，其中現(xiàn)役600MW及以上機組（除空冷機組外）改造后平均供電煤耗低于300克/千瓦時。

對火電企業(yè)而言，追求供電標煤耗與污染物排放的降低，動力不僅來自于國家對火電廠節(jié)能減排的硬性要求，更來自于機組運行的經(jīng)濟性和企業(yè)效益，尋求綜合解決火電廠節(jié)能減排問題的有效方法已成為發(fā)電企業(yè)的共識。

燃煤電廠節(jié)能減排主要技術(shù)有汽輪機通流部分改造和汽封改造、鍋爐煙氣余熱回收利用、鍋爐運行優(yōu)化調(diào)整等。電站鍋爐排煙熱損失作為鍋爐熱損失中最大的一項，達到鍋爐總熱損失的70%～80%，由于設(shè)計、運行調(diào)整、燃用煤種偏離設(shè)計煤種等多種原因，致使鍋爐實際排煙溫度高于鍋爐設(shè)計排煙溫度，而通常大型火力發(fā)電廠鍋爐的排煙溫度為110～160℃，若排煙熱量直接被鍋爐利用，排煙溫度降低22℃，鍋爐效率提高1%。因此，減少鍋爐排煙余熱損失對電站機組的節(jié)能減排有重要的意義[1]。

1.鍋爐煙氣余熱利用方案

鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)，其本質(zhì)是通過換熱介質(zhì)回收鍋爐排煙“廢熱”加以利用，以達到節(jié)約能源的目的。“余熱”來源主要有空預(yù)器出口排煙所含熱量（低能級利用）和空預(yù)器旁路煙氣所攜帶熱量（高能級利用、多能級利用），以及熱風調(diào)溫系統(tǒng)。“余熱”利用型式主要有“加熱低壓凝結(jié)水”、“加熱高壓給水”、“加熱冷風”、“加熱煙囪排煙”等。

1.1、低（低）溫省煤器

低（低）溫省煤器是目前采用最多的煙氣余熱利用系統(tǒng)，主要有以下幾種布置型式：（1）布置在空氣預(yù)熱器后、電除塵器前;（2）布置在電除塵器與引風機之間;（3）布置在引風機與脫硫吸收塔之間;（4）如果排煙溫度較高，可以采用兩級串聯(lián)布置，即第一級（高溫段）布置在空氣預(yù)熱器與電除塵器之間，第二級（低溫段）布置在電除塵器和引風機之間。低（低）溫省煤器系統(tǒng)主要用于加熱機側(cè)凝結(jié)水，入口水溫控制70℃-90℃之間。取水多來于7號低加出口，回水至6號低加入口。

1.2、熱風調(diào)溫+低（低）溫省煤器系統(tǒng)

熱風調(diào)溫系統(tǒng)通過不用（或少用）一次冷風，達到降低排煙溫度的目的。磨煤機入口風溫依靠每臺磨煤機入口風道設(shè)置的以凝結(jié)水（或高壓給水）為介質(zhì)的風溫冷卻器進行調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)適合于冷風摻入量較大的鍋爐。

1.3、熱媒水暖風器+低（低）溫省煤器

低（低）溫省煤器系統(tǒng)煙氣換熱器安裝于空氣預(yù)熱器與電除塵器之間煙道內(nèi)，用于加熱機側(cè)凝結(jié)水。熱媒水暖風器吸熱端安裝于引風機與脫硫吸收塔之間，脫硫塔后煙道未設(shè)置換熱器，放熱端安裝于送風機與空氣預(yù)熱器之間風道內(nèi)。低溫省煤器系統(tǒng)設(shè)計煙氣換熱器設(shè)計進口煙溫155℃/135℃，出口煙溫120℃，煙溫降35/15℃;熱媒水暖風器吸熱端設(shè)計進口煙溫125℃，出口煙溫95℃，煙氣溫降30℃;熱媒水暖風器空氣溫升53℃。

1.4、熱媒水管式煙氣換熱器（MGGH）+低（低）溫省煤器

低（低）溫省煤器系統(tǒng)煙氣換熱器安裝于空氣預(yù)熱器與電除塵器之間煙道內(nèi)，用于加熱機側(cè)凝結(jié)水。熱媒水管式煙氣換熱器（MGGH）吸熱端安裝于空氣預(yù)熱器與電除塵器之間煙道（或者安裝與引風機與脫硫吸收塔之間），脫硫吸收塔后煙道安裝放熱端換熱器。在電除塵器前安裝MGGH，降低流經(jīng)電除塵器的煙氣溫度，可明顯提高除塵效率;同時MGGH吸收脫硫塔前煙氣熱量，加熱煙囪入口煙氣，可將進入煙囪煙氣溫度提升至80℃以上，防止下游設(shè)備腐蝕，基本消除白煙及石膏雨。

1.5、空預(yù)器旁路煙氣余熱多能級利用系統(tǒng)

常規(guī)煙氣余熱利用系統(tǒng)受以下因素制約：（1）電站鍋爐排煙溫度較低（120～160℃），煙氣余熱能級品級較差;（2）為防止低溫腐蝕，煙氣余熱利用裝置出口煙氣溫度般不能低于95℃;（3）工程實際中需考慮換熱面積對投資成本的影響，煙-水換熱溫差一般在20℃以上。結(jié)合電站回熱系統(tǒng)的汽水參數(shù)，常規(guī)煙氣余熱回收的熱量最高只能排擠6號低壓加熱器抽汽，可使發(fā)電煤耗下降1.53g/kWh，節(jié)能效果有限。

德國 Niederaussen電廠K號機組將煙氣余熱利用裝置分三級布置在電站系統(tǒng)中：1、Ⅱ級煙氣余熱利用裝置位于與空氣預(yù)熱器并聯(lián)的旁路煙道中，約1/3的煙氣不經(jīng)過空氣預(yù)熱器而直接進入旁路煙道，依次通過I級、Ⅱ級裝置，其中I級裝置加熱高壓給水，Ⅱ級裝置加熱低壓凝結(jié)水，Ⅲ級裝置位于引風機與脫硫塔之間，用于加熱冷二次風。提高煙氣余熱能級、梯級利用煙氣熱量，是目前煙氣余熱利用率最高的系統(tǒng)。[2]

2.節(jié)能效果分析比較

2.1、低（低）溫省煤器節(jié)能效果分析

低（低）溫省煤器系統(tǒng)鍋爐熱效率計算方法不變，煙氣余熱由汽機側(cè)吸收利用，計算利用余熱后，基于主再熱蒸汽基準的熱耗率。節(jié)能量分析結(jié)果如下表：

2.2、熱風調(diào)溫+低（低）溫省煤器系統(tǒng)

熱風調(diào)溫系統(tǒng)按照媒介的不同可分為以凝結(jié)水作為媒介的熱風調(diào)溫系統(tǒng)和以高壓給水作為媒介的熱風調(diào)溫系統(tǒng)，以凝結(jié)水作為調(diào)溫媒介時，汽機側(cè)將此部分熱量等同于常規(guī)低溫省煤器計算，節(jié)能效果優(yōu)于常規(guī)低（低）溫省煤器。以高壓給水作為調(diào)溫媒介時，回收的熱量排擠高壓抽汽，其節(jié)能效果優(yōu)于凝結(jié)水作為調(diào)溫媒質(zhì)的系統(tǒng)。

2.3、熱媒水暖風器+低（低）溫省煤器

通過熱媒水暖風器，利用煙氣余熱對空預(yù)器入口一、二次風進行預(yù)熱，在熱一、二次風溫不變或僅略上升的前提下，能夠降低空預(yù)器換熱量，空預(yù)器出口煙氣溫度升高。本系統(tǒng)比常規(guī)低（低）溫省煤器具有更大節(jié)能效益，在同樣最終煙氣溫度下，機側(cè)可以匹配更高的抽水溫度和回水溫度，提高能量利用效率。

2.4、熱媒水管式煙氣換熱器（MGGH）+低（低）溫省煤器

采用熱媒水管式煙氣換熱器（MGGH），可解決常規(guī)回轉(zhuǎn)式GGH容易堵塞漏風等弊端，實現(xiàn)穩(wěn)定長期的干煙囪排放，避免了昂貴的煙囪防方腐處理。同時，還可實現(xiàn)低低溫煙氣處理，使電除塵效率以及脫硫效率大幅提高，煙塵排放可以達超低排放標準。該系統(tǒng)在節(jié)能方面等同于常規(guī)低（低）溫省煤器。

2.5、空預(yù)器旁路煙氣余熱多能級利用系統(tǒng)

德國 Niederaussen電廠K號機組空預(yù)器旁路煙氣余熱多能級利用系統(tǒng)裝置分三級布置：I級裝置加熱高壓給水，Ⅱ級裝置加熱低壓凝結(jié)水，Ⅲ級裝置位于引風機與脫硫塔之間，用于加熱冷二次風。可使Niederaussen電廠K號機組節(jié)約發(fā)電煤耗約7g/kWh，機組發(fā)電效率提高約1.4%。

針對國內(nèi)電廠煙氣余熱利用的現(xiàn)狀，通過借鑒德國Niederaussen電廠余熱多能級利用的方式，分析計算新型高效空預(yù)器旁路煙氣余熱多能級利用系統(tǒng)的節(jié)能效果，核算結(jié)果表明空預(yù)器旁路煙氣余熱多能級利用系統(tǒng)有巨大節(jié)能潛力，平均發(fā)電標煤耗降低值在6g/kWh。[2]

3.總結(jié)

電站鍋爐煙氣余熱利用技術(shù)是提高燃煤電廠熱力經(jīng)濟性、降低發(fā)電煤耗、減少污染物排放的重要技術(shù)之一。通過合理設(shè)計煙氣余熱利用裝置，回收煙氣余熱用于高壓給水、加熱凝結(jié)水，可以減少加熱器抽汽，從而增加汽輪機組出力，提高機組經(jīng)濟性;降低排煙溫度可減少脫硫系統(tǒng)的噴淋水量，減少發(fā)電水耗，取得不錯的經(jīng)濟效益。

從節(jié)能角度看，煙氣余熱熱品質(zhì)越高，節(jié)能效果越明顯;排擠的抽汽壓力品質(zhì)越高，節(jié)能效果越明顯。同樣煙氣冷卻深度前提下，余熱利用系統(tǒng)不同，節(jié)能效果差異較大。采用空預(yù)器旁路煙氣+熱媒水暖風器系統(tǒng)節(jié)能效果最佳，低（低）溫省煤器+熱媒水暖風器節(jié)能效果次之，常規(guī)低（低）溫省煤器系統(tǒng)節(jié)能效果較差。

空預(yù)器旁路煙氣+熱媒水暖風器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程造價成本最高，低（低）溫省煤器+熱媒水暖風器工程造價成本次之，傳統(tǒng)的低（低）溫省煤器工程造價成本最低。綜合考慮節(jié)能效果、工程造價等因素，新建機組推薦采用空預(yù)器旁路的煙氣余熱綜合利用方案，節(jié)能效果最佳，在役機組改造推薦采用熱媒水暖風器+低（低）溫省煤器方案，節(jié)能效果較好。

【參考文獻】

[1]常海青，張燕.鍋爐煙氣余熱深度利用及減排技術(shù)的研究與應(yīng)用.中國電力，2017（2）.

[2]廖高良，李楊，周元祥.電站鍋爐煙氣余熱利用研究綜述[J].熱能動力工程，2017（6）.