鍋爐煙氣余熱回收加熱冷風(fēng)技術(shù)研究

雷承勇， 尹金亮， 張 勇， 李 斌， 劉瑞林， 陳寶星， 常 城， 王利敏

(1. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240； 2. 國(guó)家電投河南電力有限公司沁陽發(fā)電分公司， 河南焦作 454150； 3. 國(guó)家電投河南電力有限公司， 鄭州 450000)

20世紀(jì)80年代，我國(guó)就有電站鍋爐加裝煙氣換熱器回收煙氣余熱的工程實(shí)踐，其目的在于使煙氣溫度降低到130 ℃左右，取得了良好的節(jié)煤效益。自從2009年4月國(guó)內(nèi)首臺(tái)將鍋爐排煙溫度降低到85 ℃的煙氣余熱回收示范工程在上海外高橋第三發(fā)電有限公司成功投運(yùn)以來，我國(guó)火電廠建設(shè)工程中的煙氣余熱回收低溫省煤器已經(jīng)成為標(biāo)配，是國(guó)家“十三五”規(guī)劃中能源行業(yè)節(jié)能減排、超低排放的重要措施[1]。

目前，煙氣余熱回收技術(shù)可以歸納為5種：(1)煙氣余熱回收換熱器布置在電除塵器與脫硫塔之間的煙道上，可降低機(jī)組煤耗、減少脫硫塔水耗，稱為傳統(tǒng)型煙氣余熱回收裝置；(2)煙氣余熱回收換熱器布置在空氣預(yù)熱器與電除塵器之間的煙道上，使進(jìn)入電除塵器進(jìn)口的煙氣溫度降低到90 ℃左右，起到超低排放、降低機(jī)組煤耗、減少脫硫塔水耗的作用，其重點(diǎn)在于降低電除塵器的煙溫，稱為低低溫電除塵前置煙氣高溫放熱器；(3)煙氣余熱回收換熱器布置在與空氣預(yù)熱器并聯(lián)的旁路煙道上，其目的在于更好地降低機(jī)組煤耗，稱為旁路省煤器[2-3]；(4)煙氣余熱回收換熱器布置在空氣預(yù)熱器與脫硫塔之間的煙道上，分一級(jí)或多級(jí)布置，設(shè)計(jì)出口煙氣溫度降低到75～85 ℃，稱為深度余熱利用低溫省煤器；(5)WGGH(Water Gas-Gas Heater)技術(shù)，回收煙氣余熱用于加熱脫硫后的凈煙氣，使其溫度達(dá)到80 ℃左右，煙氣換熱設(shè)備分為原煙氣冷卻器和凈煙氣再熱器兩部分，原煙氣冷卻器的功能是煙氣余熱回收。

筆者在總結(jié)傳統(tǒng)煙氣余熱回收技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的開式循環(huán)加熱進(jìn)爐風(fēng)技術(shù)，并從理論上分析了采用該技術(shù)后煤耗和鍋爐效率的變化。

1 技術(shù)特點(diǎn)

鍋爐煙氣余熱回收技術(shù)中的煙氣指鍋爐空氣預(yù)熱器出口的煙氣，隨著機(jī)組負(fù)荷和環(huán)境溫度的變化，煙氣溫度整體偏低。某1 000 MW新建機(jī)組鍋爐空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)出口煙氣溫度見表1。

表1某1000MW機(jī)組鍋爐空氣預(yù)熱器出口煙氣溫度℃

項(xiàng)目工況BMCRTHA75%THA50%THA40%THA進(jìn)口煙氣溫度371.0358.0346.0330.0323.0出口煙氣溫度118.0114.0107.3103.2101.9進(jìn)口一次風(fēng)溫度30.030.030.030.030.0進(jìn)口二次風(fēng)溫度25.025.025.025.025.0出口一次風(fēng)溫度359.9346.9334.7318.1311.9出口二次風(fēng)溫度340.4329.9321.7307.6303.8

從鍋爐空氣預(yù)熱器運(yùn)行的安全性考慮，在設(shè)計(jì)鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，一般要采取措施將冬季工況的空氣預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)溫度提高到設(shè)計(jì)溫度。例如，在冬季工況時(shí)，環(huán)境溫度可能達(dá)到-10 ℃，送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)溫約為-8 ℃，此時(shí)要采用蒸汽暖風(fēng)器或者熱風(fēng)再循環(huán)方式將風(fēng)溫從-8 ℃提高到25 ℃左右，再進(jìn)入空氣預(yù)熱器。

2 技術(shù)介紹

2.1 技術(shù)研究的必要性

電站鍋爐設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)必須要考慮防止空氣預(yù)熱器冷端發(fā)生低溫腐蝕，控制空氣預(yù)熱器冷端散熱片金屬壁溫高于70 ℃[4-6]。

由于空氣預(yù)熱器傳熱片的熱傳遞屬于氣-氣換熱，冷空氣和熱煙氣流動(dòng)的對(duì)流傳熱系數(shù)基本相同，所以傳熱片金屬壁溫約等于冷空氣溫度和熱煙氣溫度的平均。表1中，THA工況空氣預(yù)熱器出口煙氣溫度為114 ℃，進(jìn)口空氣溫度為25 ℃，換熱面最低金屬壁溫為69.5 ℃。在冬季工況和機(jī)組低負(fù)荷工況下，傳熱面最低金屬壁溫就會(huì)低于60 ℃，造成煙氣低溫腐蝕。冬季BMCR工況：如果空氣預(yù)熱器進(jìn)口二次風(fēng)溫度為-8 ℃，空氣預(yù)熱器出口煙氣溫度會(huì)在98 ℃左右，最低金屬壁溫只有45 ℃左右，接近水露點(diǎn)溫度，嚴(yán)重影響空氣預(yù)熱器壽命。

鑒于鍋爐實(shí)際運(yùn)行中受到環(huán)境溫度變化和機(jī)組負(fù)荷變化的影響，會(huì)發(fā)生低溫腐蝕，在低負(fù)荷工況和冬季工況時(shí)，加熱進(jìn)爐風(fēng)以提高空氣預(yù)熱器冷端最低金屬壁溫高于設(shè)定值成為必然要求。通常采用蒸汽暖風(fēng)器或者熱風(fēng)再循環(huán)方式加熱進(jìn)爐冷風(fēng)。

雖然低溫省煤器能將出口煙氣溫度降低到85～95 ℃，但低溫省煤器的熱傳遞方式屬于水-氣換熱，其傳熱管金屬壁溫計(jì)算為：

(1)

式中：Tb為傳熱管金屬壁溫，℃；Ty為煙氣溫度，℃；t為冷端進(jìn)水溫度，℃；α1為煙氣側(cè)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；β1為傳熱管對(duì)流傳熱外表面積與內(nèi)表面積之比；δ為傳熱管壁厚，m；λ為管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；β2為傳熱管導(dǎo)熱傳熱外表面積與內(nèi)表面積之比；α2為冷凝水側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

由于傳熱管內(nèi)的冷凝水側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)比管外煙氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，所以傳熱管最低金屬壁溫接近于進(jìn)水溫度,且略高于進(jìn)水溫度。從電廠實(shí)際運(yùn)行情況看，只要將低溫省煤器進(jìn)水溫度自動(dòng)控制在70 ℃以上，對(duì)于煤中w(S)≤1%，燃煤鍋爐就能確保傳熱管最低金屬壁溫高于70 ℃，有效防止低溫省煤器受熱面低溫腐蝕的發(fā)生。

2.2 閉式循環(huán)加熱進(jìn)爐風(fēng)系統(tǒng)

常規(guī)加熱鍋爐進(jìn)爐風(fēng)的技術(shù)措施有2種：(1)采用汽輪機(jī)低壓抽汽加熱空氣的暖風(fēng)器；(2)采用空氣預(yù)熱器出口熱風(fēng)返回送風(fēng)機(jī)入口混合加熱進(jìn)爐風(fēng)的熱風(fēng)再循環(huán)。雖然這2種技術(shù)方案都會(huì)使排煙溫度升高而引起機(jī)組煤耗有所提高，但引起煤耗提高的幅度卻有所不同。通常，熱風(fēng)再循環(huán)方式中，由于送風(fēng)機(jī)風(fēng)量增大，壓力升高，送風(fēng)機(jī)功耗增大，機(jī)組供電煤耗升高，蒸汽暖風(fēng)器的熱經(jīng)濟(jì)性要好于熱風(fēng)再循環(huán)。

目前采用熱水加熱進(jìn)爐風(fēng)閉式循環(huán)已有示范工程，于2014年投運(yùn)于某發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組，其系統(tǒng)見圖1(低壓加熱器簡(jiǎn)稱低加)，系統(tǒng)在加熱進(jìn)爐風(fēng)方面形成了一個(gè)完整的閉式循環(huán)：以熱媒水為載熱體，回收引風(fēng)機(jī)后的煙氣余熱用于加熱進(jìn)爐風(fēng)。

圖1 閉式循環(huán)加熱進(jìn)爐風(fēng)系統(tǒng)

圖1中系統(tǒng)內(nèi)的熱量需求為暖風(fēng)器用于加熱進(jìn)爐風(fēng)的熱量，熱量來源為低溫省煤器回收的煙氣余熱。從環(huán)境溫度的自然變化來看，環(huán)境溫度越低，加熱進(jìn)爐風(fēng)所需熱量越多；但是鍋爐排煙所釋放的煙氣余熱隨著環(huán)境溫度降低，有可能越來越少，尤其在冬季或低負(fù)荷工況下，低溫省煤器回收的煙氣余熱不足以滿足加熱進(jìn)爐風(fēng)的熱量需求。冬季夜晚，機(jī)組在50%THA工況時(shí)，煙氣溫度為105 ℃左右(見表1)，通過低溫省煤器回收煙氣余熱將煙氣溫度降低到90 ℃，煙氣在低溫省煤器溫降為15 K，溫降所帶來的煙氣余熱不足以將空氣溫度從-8 ℃提高到25 ℃。系統(tǒng)在熱量平衡方面存在不足，在部分工況下滿足不了加熱進(jìn)爐風(fēng)到設(shè)計(jì)溫度。

2.3 開式循環(huán)加熱進(jìn)爐風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)以上分析，盡可能降低加熱空氣所用的蒸汽參數(shù)，或者采用熱能品位更低的熱水加熱進(jìn)爐風(fēng)，其熱經(jīng)濟(jì)性會(huì)更好。例如，采用熱媒水煙氣-空氣加熱的閉式循環(huán)，在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)煙氣放熱和空氣加熱的熱量平衡，或采用另外一種煙氣余熱+汽輪機(jī)低壓抽汽+空氣加熱(開式循環(huán)加熱進(jìn)爐風(fēng)系統(tǒng))的技術(shù)。

火電機(jī)組汽輪機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)有大量的低溫?zé)嵩矗疁卦?4～150 ℃，如果將鍋爐煙氣余熱與汽輪機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)的低溫?zé)嵩聪嘟Y(jié)合，可以滿足加熱進(jìn)爐風(fēng)的熱量需求，而且有能力將進(jìn)爐風(fēng)溫度提高到60 ℃以上。改進(jìn)后的開式循環(huán)加熱進(jìn)爐風(fēng)的熱力系統(tǒng)見圖2。

相對(duì)于圖1的閉式循環(huán)而言，圖2為開式循環(huán)。從圖2可見：低溫省煤器回收的煙氣余熱與加熱進(jìn)爐風(fēng)所需熱量不需要平衡，而是以汽輪機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)作為一個(gè)龐大的蓄熱池。當(dāng)回收的煙氣余熱多于加熱進(jìn)爐風(fēng)所需熱量時(shí)，從暖風(fēng)器流出的凝結(jié)水溫度高于進(jìn)入低溫省煤器的凝結(jié)水溫度，可以減少低加抽汽；當(dāng)回收的煙氣余熱少于加熱進(jìn)爐風(fēng)所需熱量時(shí)，從暖風(fēng)器流出的凝結(jié)水溫度低于進(jìn)入低溫省煤器的凝結(jié)水溫度，需要增加低加抽汽。

1—6號(hào)低加；2—7號(hào)低加；3—熱媒水升壓泵；4—空氣預(yù)熱器；5—原煙氣放熱器；6—電除塵器；7—引風(fēng)機(jī)；8—低溫省煤器；9—脫硫塔；10—煙囪；11—一次風(fēng)暖風(fēng)器；12—一次風(fēng)機(jī)；13—二次風(fēng)暖風(fēng)器；14—送風(fēng)機(jī)。

圖2 開式循環(huán)加熱進(jìn)爐風(fēng)系統(tǒng)

3 結(jié)果與分析

筆者僅討論機(jī)組在滿負(fù)荷設(shè)計(jì)參數(shù)下開式循環(huán)加熱進(jìn)爐風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，并給出定性的結(jié)論。

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

煙風(fēng)側(cè)：通過設(shè)置空氣-水暖風(fēng)器將進(jìn)入鍋爐空氣預(yù)熱器的二次風(fēng)溫度由設(shè)計(jì)值25 ℃提高到75 ℃，一次風(fēng)溫度由設(shè)計(jì)值30 ℃提高到75 ℃，從而使鍋爐空氣預(yù)熱器出口的排煙溫度由設(shè)計(jì)值118 ℃升高到150 ℃。

管內(nèi)水側(cè)：通過暖風(fēng)器加熱鍋爐進(jìn)爐風(fēng)的熱媒水引自汽輪機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)，將鍋爐低溫?zé)嵩春推啓C(jī)低溫?zé)嵩从袡C(jī)聯(lián)合在一起，引自汽輪機(jī)的凝結(jié)水溫度65 ℃，經(jīng)低溫省煤器加熱升溫到80 ℃后進(jìn)入暖風(fēng)器，在暖風(fēng)器內(nèi)加熱空氣，熱媒水溫度降低到55 ℃返回到凝結(jié)水系統(tǒng)。

3.2 節(jié)煤量

提高節(jié)煤效益的因素主要在于2個(gè)方面：(1)由于進(jìn)爐風(fēng)溫度提高，使得排煙溫度提高到150 ℃，煙氣余熱的熱能品位提高，所以降低機(jī)組煤耗的效果更好；(2)凝結(jié)水引出溫度為65 ℃，返回溫度為55 ℃，使得7號(hào)低加的抽汽量增加，這部分熱量使得煙氣溫度提高到150 ℃，由此帶來高溫?zé)煔鈸Q熱器的換熱量增加，進(jìn)入6號(hào)低加的凝結(jié)水流量大幅度減少，使得6號(hào)低加的抽汽量大幅度減少，如果進(jìn)入5號(hào)低加的凝結(jié)水溫度提高，5號(hào)低加的抽汽量也會(huì)減少，起到了低品位熱能提高熱能能級(jí)利用的效果。

節(jié)煤量計(jì)算結(jié)果見表2(抽汽量變化根據(jù)文獻(xiàn)[7]等效焓降法計(jì)算得出)。

表2 某1 000 MW機(jī)組加熱進(jìn)爐風(fēng)的節(jié)煤量數(shù)據(jù)

3.3 鍋爐效率

對(duì)鍋爐效率的影響主要反應(yīng)在排煙損失和不完全燃燒損失。對(duì)于燃煤鍋爐而言，空氣預(yù)熱器出口熱風(fēng)溫度提高3～4 K，對(duì)爐膛燃燒有利，所以不完全燃燒熱損失降低，筆者分析忽略此影響，僅考慮排煙熱損失的變化[8]。

由于排煙溫度從118 ℃提高到150 ℃，從排煙溫度來看，鍋爐的排煙熱損失增大，鍋爐效率降低；但是鍋爐的排煙熱損失不僅僅要看排煙溫度，還要看進(jìn)風(fēng)溫度，鍋爐排煙熱損失的計(jì)算為：

q2=(Ipy-Ijf)×(1-q4)/Qp

(2)

式中：q2為鍋爐排煙熱損失；Ipy為排煙焓(鍋爐出口處對(duì)應(yīng)每千克燃料的煙氣焓)；Ijf為進(jìn)風(fēng)焓(鍋爐進(jìn)口處對(duì)應(yīng)每千克燃料的空氣焓)；q4為鍋爐不完全燃燒熱損失；Qp為每千克燃料帶進(jìn)鍋爐的熱量。

如果鍋爐空氣進(jìn)口處指送風(fēng)機(jī)出口，則進(jìn)入鍋爐的熱量中要計(jì)入暖風(fēng)器利用外來熱量加熱空氣的熱量；如果鍋爐空氣進(jìn)口處指空氣預(yù)熱器空氣進(jìn)口，則送進(jìn)鍋爐的熱量中不考慮暖風(fēng)器利用外來熱量加熱空氣的熱量，將暖風(fēng)器排除在鍋爐設(shè)備以外。

對(duì)鍋爐效率的影響計(jì)算結(jié)果見表3。

表3(續(xù))

從表3可見：在提高鍋爐進(jìn)風(fēng)溫度的同時(shí)，排煙溫度也相應(yīng)提高，但排煙熱損失在減小，鍋爐效率提高了0.097%，機(jī)組發(fā)電煤耗降低約0.3 g/(kW·h)。

4 結(jié)語

(1) 采用煙氣余熱回收開式循環(huán)加熱進(jìn)爐風(fēng)系統(tǒng)，將鍋爐煙氣余熱和汽輪機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)的低溫?zé)嵩唇Y(jié)合在一起，可以抵消環(huán)境溫度變化和機(jī)組負(fù)荷變化對(duì)鍋爐空氣預(yù)熱器運(yùn)行安全性的影響，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2) 將進(jìn)爐風(fēng)從25 ℃加熱提高到75 ℃，鍋爐空氣預(yù)熱器的低溫腐蝕得到解決；進(jìn)入爐膛的熱風(fēng)溫度提高3～5 K，使得鍋爐效率提高0.1%左右；7號(hào)低加的抽汽量增加使得鍋爐排煙溫度升高，排煙余熱回收的品位提高帶來6號(hào)低加的抽汽量減少，實(shí)現(xiàn)低品位熱能的高能級(jí)利用，機(jī)組供電煤耗降低約3 g/(kW·h)。