火力發(fā)電廠鍋爐尾部煙氣余熱利用技術

王代剛（四川川潤股份有限公司，四川　成都　611743）

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火力發(fā)電廠鍋爐尾部煙氣余熱利用技術

王代剛
（四川川潤股份有限公司，四川成都611743）

摘要：進入“十三五”之后，我國對“高效用能”提出了更高的要求，火力發(fā)電廠作為我國電力來源的重要支柱，其能源消耗量同樣是巨大的，所以提高電廠效率、降低能源消耗量將是大勢所趨。煙氣余熱利用技術作為重要的節(jié)能手段之一，在近幾年受到了國內(nèi)外研究團隊的重視。本文在分析電廠機組效率的基礎上，對我國目前煙氣余熱利用技術存在的一些問題進行了討論，并嘗試提出了幾條解決方案，以期進一步推動我國煙氣余熱利用技術的發(fā)展。

關鍵詞：煙氣余熱利用；火電機組；因素分析；利用方案

0. 引言

隨著我國逐漸跨入“十三五”規(guī)劃，對于能源需求量的提高是大勢所趨，在火力發(fā)電依然作為電力主要來源支柱的大背景下，“高效用能”成為國內(nèi)外研究的熱點內(nèi)容，而煙氣余熱利用技術就是“高效用能”的主要手段之一?！疤菁売媚堋笔菬煔饫眉夹g遵守的主要原則，顧名思義就是：從熱力學出發(fā)，分析能源品質(zhì)，達到對煙氣中不同品位能源的充分利用。煙氣余熱利用技術在近幾年的發(fā)展過程中雖然取得了一定的成效，但是在實際應用當中，還存在著一些有待解決的現(xiàn)實問題。本文旨在分析煙氣余熱利用技術中存在的一些問題，并結合已有的一些方法手段，提出幾種可行的解決方案。

1. 煙氣余熱利用與鍋爐效率

煙氣離開鍋爐機組，即離開最后一個受熱面時，溫度還處在150℃左后，排煙溫度是相當高的，這部分熱量被排入大氣，造成排煙熱損失。之所以要深刻研究排煙熱損失，主要是由于排煙熱損失在整個電廠熱損之當中所占比例是最大的一項，大約占到整個損失的1/10。通過分析相關文獻給出的排煙熱損失經(jīng)驗公式，我們可以看出：排煙溫度與排煙熱損失成正相關關系，即排煙熱損失隨著排煙溫度的升高而增大，所以煙氣余熱利用率的提高是十分重要的。增大煙氣余熱利用，降低煙氣熱損失，是提高電廠機組運行效率的重要舉措。

但是，雖然降低排煙溫度可以有效提高能源利用率，但是從傳熱學的角度來看，在煙道末級傳熱溫差的減少必然導致熱交換效率的降低，這就要求對煙道和傳熱面積進行硬件擴大。從經(jīng)濟性的角度來看，這不僅會加大電廠初期的建設成本和后期的維修成本，而且對于電廠爐體擴大而引起的其他問題都是不利的。因此，目前的火電機組采用的是均衡兩者效益的基礎上調(diào)整排煙溫度，主要采用130℃左右的煙氣溫度，以此數(shù)值下的煙氣溫度可以有效提高電廠效益。

2. 制約鍋爐余熱利用的因素分析

（1）排煙溫度受到相關設備的制約

排煙溫度通過能量品位的不同主要分為高溫、中溫、低溫3種。對于前兩者來說，能量品位較高，通常處理的辦法是采用余熱鍋爐回收高溫、中溫煙氣中的能量，并最后通過汽輪機發(fā)電來轉(zhuǎn)化為電能。這部分能量由于處在較高能級，處理方法也較為簡單。對于低位能級，采用的手段則較為有限，通常以省煤器、脫硫系統(tǒng)等為主。省煤器布置在鍋爐尾部豎井中煙氣溫度相對較低的區(qū)段，它在鍋爐中的主要作用如下：

①省煤器吸收尾部豎井中煙氣的熱量，降低鍋爐的排煙溫度，提高了鍋爐熱效率，節(jié)省了燃料。

②由于給水在進入水冷壁之前，首先在省煤器中被加熱，減少了水在水冷壁中預熱所需熱量，也就是說，減少了熱水段長度。相當于用管徑小、管壁薄、價格較低的省煤器受熱面，代替部分造價較高的水冷壁受熱面，可節(jié)省初期投資。

③省煤器的采用，提高了進入汽包的水溫，減少了汽包壁與給水之間的溫度差，從而使汽包熱應力降低，提高了機組的安全性。

省煤器雖然在低溫煙氣余熱回收當中扮演著很重要的角色，但是，對煙氣流速提出了很高要求。煙氣流速直接影響著整個煙氣換熱的效果：若煙氣流速過快，在單位流程中無法達到換熱效果；若煙氣流速過慢，雖然可以通過提高煙氣在煙道中的滯留時間，提高換熱效率，但是煙氣中攜帶的大量粉煤顆粒會以結焦的方式在煙道中沉積、結塊，長時間還會破壞換熱面。

對于脫硫設備來說也存在類似的情況，由于脫硫設備的材料特殊性，對煙氣溫度提出了嚴格的要求。若煙氣溫度過高會使得進煙口的防腐材料出現(xiàn)一定程度的疲勞和變形，甚至發(fā)生整體脫落失效；若煙氣溫度過低，則不利于脫硫反應的進行。對于這種情況，通常的做法是加裝低溫省煤器，從而使整個脫硫系統(tǒng)的脫硫效果保持最佳狀態(tài)。

（2）低溫腐蝕的嚴重性

低溫腐蝕往往發(fā)生在煙道尾部，這部分屬于低溫煙氣。燃料中的硫元素燃燒之后形成了SO2，在煙氣由爐膛進一步流向煙道的過程中SO2進一步氧化為SO3，SO3與空氣中的水蒸氣進一步結合就會以硫酸蒸汽的形式存在。而煙氣中的酸露點與SO3的含量是成正相關關系，即露點溫度隨著SO3的含量逐漸升高。它比水露點要高很多，酸露點可達到150℃左右。硫酸蒸汽凝結在壁面會對金屬壁面造成較為嚴重的腐蝕。

低溫腐蝕的發(fā)生對于余熱利用是非常不利的，通常表現(xiàn)為以下幾點：

第一，空氣預熱器會因為腐蝕穿透而造成空氣與煙氣的相互混合，嚴重時還會引起爐內(nèi)燃燒不完全的結果。

第二，對于蓄熱元件和相關的傳熱過程也會造成嚴重影響。

第三，低溫腐蝕會在壁面造成惡化結焦的現(xiàn)象，從而影響煙道的流通面積，堵灰的情況屢見不鮮。

3. 常見的鍋爐尾部煙氣余熱利用方案

（1）方案一：熱管換熱器

第一種設計方案是采用熱管換熱器，顧名思義其主體是由管體組成。熱管是一種極其高效的傳熱原件，在現(xiàn)代的火電廠中應用極為廣泛，其內(nèi)部主要依靠的是工質(zhì)的循環(huán)來實現(xiàn)熱量傳遞，在使用過程中，熱管以其良好的導熱性能等優(yōu)勢起到了很好的節(jié)能效果。其具體的工作原理是：當熱源向吸熱段提供熱量時，存在于管體內(nèi)部的低沸點液體吸熱汽化，這部分汽化后的工質(zhì)由于壓力的作用，順著管體內(nèi)部流至放熱段，工質(zhì)釋放熱量冷凝為液體，在這個流程中毛細液芯起到節(jié)流閥的作用。整個循環(huán)是高品位能量向低品位能量流動的過程，符合熱力學第一和第二定律。

這種方案的優(yōu)越性有以下5點：

第一，工作性質(zhì)良好。采用熱管換熱器可以有效地使得工作管體具有良好的導熱性和各項同性。

第二，降低低溫腐蝕的損害。由于熱管換熱器可以有效地控制壁溫，所以可以通過增加壁面溫度、規(guī)避酸露點來解決低溫腐蝕。

第三，裝置工作原理簡單，設備輕便易裝配、操作。

第四，熱管換熱器在傳熱過程中傳熱方向具有可逆性，這主要取決于兩端的受熱狀況，對有吸液芯的熱管水平放置或處于零重力場下，任何一端受熱將成為蒸發(fā)段，另一端則成為凝結段，熱管內(nèi)傳熱方向可以逆轉(zhuǎn)。

第五，熱管換熱器在傳熱過程中熱流密度具有可調(diào)性，熱管可以在很大范圍內(nèi)調(diào)整加熱段與放熱段的熱流密度，在工程實際當中，熱管可以輕易地操控熱流走向，即熱管可以把分散的熱流加以集中，也可把集中的熱流加以分散。

（2）方案二：相變換熱器

第二種設計方案是采用相變換熱器，其發(fā)展的基礎是熱管換熱器。相比前者，相變換熱器最具特點的一部分是出現(xiàn)“相變”的概念，進一步細化壁面溫度的控制機理，從理論上達到控制低溫腐蝕。所謂相變模塊，其實是熱管換熱器的整體化設計，確保溫度梯度在很小的范圍內(nèi)，并集合相變時水量參數(shù)的調(diào)節(jié)，來達到對壁面溫度的精準控制。其工作原理是：汽水分離裝置的兩端連接著上、下管式換熱器，蒸發(fā)段位于下端，其吸收鍋爐尾部的煙氣余熱后使得內(nèi)部介質(zhì)處于相變態(tài)，蒸汽沿著管內(nèi)上升進入汽水分離裝置，蒸汽進一步上升到上部的冷凝段，從而使得介質(zhì)蒸汽由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)從而沿著管壁流入汽水分離裝置，由此作為循環(huán)進行吸熱、放熱。在這種相變換熱器的循環(huán)過程中，循環(huán)介質(zhì)量和介質(zhì)所處工況常常作為調(diào)節(jié)量來使用，從而達到對壁溫的更精確控制。

其優(yōu)點主要有以下4點：

第一，余熱回收的適應性更強。由于其構造特性，能夠有效地降低排煙溫度，提高余熱回收效率，節(jié)省能源消耗，從而提高經(jīng)濟效益。

第二，更加精準地規(guī)避低溫腐蝕。由于水量控制參數(shù)，對于壁面溫度的控制也更加精準，所以利用相變換熱器可以有效降低低溫腐蝕帶來的危害。

第三，相變換熱器將原熱管換熱器中相互獨立的部分，通過優(yōu)化設計構造成一個相互關聯(lián)的整體，在結構上更加整潔，一體化程度更高。

第四，材料耐用性提高。相變換熱器不僅繼承了熱管換熱器的優(yōu)良特性，還能在此基礎上有效處理不凝結氣體的危害，從而進一步提高材料的耐用性。

結語

煙氣余熱利用技術作為我國近幾年能源領域重點發(fā)展的節(jié)能技術，其主體由熱管換熱器和相變換熱器兩種節(jié)能方案構成，這兩種節(jié)能方案雖然取得了令人欣喜的節(jié)能效果，但其在實際工程應用中出現(xiàn)的問題還需要進行進一步的研究和探索，以追求更加高效的煙氣余熱利用效果。

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