燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收利用方式分析

夏珉

（中海石油舟山石化有限公司，浙江 舟山 316015）

1 燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收利用的常見方式分析

1.1 省煤器

在燃煤電站鍋爐中，低溫省煤器在汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)中注入回收的煙氣余熱，以達(dá)到減少抽汽量、提高汽輪機運行效率的目的。低溫省煤器采用注入煙氣余熱的方式進(jìn)行回收，所以不會對鍋爐內(nèi)部傳熱量分配造成影響，在設(shè)計低溫省煤器時，只需要計算回?zé)嵯到y(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)即可。在實際應(yīng)用中，燃煤電站鍋爐可將低溫省煤器安裝在煙氣系統(tǒng)預(yù)熱器出口和除塵器上，將其并聯(lián)于熱力系統(tǒng)的低壓加熱器，能夠有效回收煙氣余熱，大幅度降低鍋爐煤耗量。此外，燃煤電站鍋爐組還可安裝高溫省煤器，以提高高溫省煤器排擠抽汽效果。高溫省煤器安裝在空氣預(yù)熱器前，利用高溫?zé)煔饧訜徨仩t中的凝結(jié)水，先將煙氣溫度提高至360℃，再利用高溫?zé)煔鈱淠M(jìn)行加熱，提高抽汽效果，增加汽輪機做功。與低溫省煤器相比，利用高溫省煤器進(jìn)行煙氣余熱回收可降低更多的煤耗量，一般是多降低2.0g/kW?h，同時還能夠保證汽輪機抽汽效率。所以，高溫省煤器的節(jié)能效益更好。鑄鐵式省煤器雖然具有耐腐蝕、使用壽命長等優(yōu)點，但造價較高，且維修難度較大。而鋼管式省煤器的造價低，便于安裝，維修工作量小，但耐磨和耐腐性較差。

1.2 煙氣余熱加熱管網(wǎng)熱水

在供熱系統(tǒng)中，供水溫度在95℃左右，回水溫度在70℃左右，部分地區(qū)為提高供熱系統(tǒng)的供熱能力，將供熱水溫度設(shè)計為130℃。對于燃煤鍋爐的排煙系統(tǒng)而言，煙氣溫度均為100℃以上，這一溫度標(biāo)準(zhǔn)可滿足供熱管網(wǎng)的加熱需求。所以，在采暖期內(nèi)，燃煤電站可引入煙氣余熱循環(huán)供熱系統(tǒng)，提高能源利用效率，將大部分煙氣余熱再次傳遞到熱網(wǎng)中，對供水進(jìn)行加熱。煙氣余熱加熱管網(wǎng)熱水需配置煙氣回收器收集煙氣余熱，使煙氣從加熱裝置的下方進(jìn)入，從上方流出，對加熱裝置進(jìn)行加熱，同時保證加熱裝置的密閉性，減少熱水管道之間的連接，以免煙氣對熱水造成污染。煙氣余熱加熱管網(wǎng)熱水只適用于冬季采暖期的燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收，可提高煙氣余熱利用效率，但是進(jìn)入非采暖期后就必須停止煙氣回收器的運行，從整體上看，不利于提高煙氣余熱的利用效率。

1.3 煙氣余熱預(yù)熱空氣

燃煤鍋爐的煙氣余熱可用于對空氣進(jìn)行預(yù)熱，發(fā)揮暖風(fēng)器的作用。燃煤電站可將暖風(fēng)器設(shè)置在鍋爐的空氣預(yù)熱器上，實現(xiàn)對煙氣余熱的回收利用。但是，這種回收利用方式會降低鍋爐效率。暖風(fēng)器會將煙氣熱量全部帶入鍋爐中，改變鍋爐原有的傳熱分布結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致鍋爐整體熱力值變化。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)鍋爐暖風(fēng)器溫度降低10℃時，鍋爐排煙的溫度只能降低2℃，這說明煙氣回收利用效率偏低，大部分熱量處于無效利用狀態(tài)。所以，在采用煙氣余熱預(yù)熱空氣回收技術(shù)時，必須從鍋爐的整體效率考慮暖風(fēng)器的安裝位置，應(yīng)將其安裝在空氣預(yù)熱器的最后一級受熱面上，并且還要計算受熱面的傳熱量，結(jié)合工質(zhì)溫度變化，判斷煙氣余熱預(yù)熱空氣回收技術(shù)是否能夠滿足鍋爐效率的運行要求。當(dāng)前，板式空氣預(yù)熱器可解決煙氣余熱預(yù)熱空氣中的問題，在板式空氣預(yù)熱器中，煙氣與空氣可通過板片直接換熱，完全隔離冷熱流體，解決預(yù)熱空氣的漏風(fēng)問題。板式空氣預(yù)熱器可實現(xiàn)大型化、模塊化應(yīng)用，具備傳熱效率高、能耗低、維修方便等優(yōu)勢，可提高煙氣余熱預(yù)熱空氣的節(jié)能效果。

2 ORC 系統(tǒng)在燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收利用中的應(yīng)用研究

通過上文分析可知，上述三種煙氣余熱回收利用方式各具優(yōu)缺點，為了進(jìn)一步提高燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收利用效率，并有效解決低溫腐蝕問題，可對ORC 系統(tǒng)進(jìn)行運用。

2.1 ORC 系統(tǒng)簡介

ORC 是有機朗肯循環(huán)的簡稱，這是一種新型的余熱發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)以低沸點的有機物作為工質(zhì)進(jìn)行朗肯循環(huán)，在蒸發(fā)器內(nèi)對煙氣的余熱進(jìn)行吸收，由此可以產(chǎn)生出蒸氣，這部分蒸氣具有一定的溫度和壓力，能夠帶動發(fā)動機發(fā)電。

2.2 ORC 系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢

在燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收利用中，ORC 系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在如下幾個方面：一是系統(tǒng)對溫度較低的熱源具有較高的利用效率，能夠滿足電站燃煤鍋爐煙氣余熱回收利用的需要；二是有機物工質(zhì)的聲速要低于水蒸氣，從而使系統(tǒng)在低葉片速度時，能獲得更加有利的空氣動力配合，可以產(chǎn)生較高的汽輪機效率，并且不需要安裝齒輪箱；三是有機物工質(zhì)本身具有較高的冷凝壓力，系統(tǒng)在接近或是高于大氣壓力的條件下運行時，可以降低工質(zhì)的漏失；四是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡單，可就近布置，不需要對原本的系統(tǒng)進(jìn)行較大的改動，只在尾部煙道內(nèi)加裝一個換熱器即可。

2.3 ORC 系統(tǒng)的應(yīng)用策略

（1）優(yōu)選有機物工質(zhì)。在燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收利用中，對ORC 系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用時，有機物工質(zhì)的選擇尤為重要。根據(jù)工質(zhì)的性質(zhì)可將其分為以下三類，即干工質(zhì)、濕工質(zhì)和等熵工質(zhì)。在對工質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化選擇時，應(yīng)當(dāng)充分考慮各類工質(zhì)在飽和蒸汽曲線中的斜率。干工質(zhì)的分子量較大，比較常用的有R113 和笨等，濕工質(zhì)的分子相對較小，常見的有水等，等熵工質(zhì)中比較常用的是R134。其中等熵工質(zhì)可使ORC 系統(tǒng)汽輪機的內(nèi)效率達(dá)到最高，并且冷凝器所承受的熱負(fù)荷要明顯小于其它兩類工質(zhì)。因此，可將等熵工質(zhì)作為ORC 系統(tǒng)的首選工質(zhì)。

（2）合理選擇系統(tǒng)類型：①回?zé)嵝?。膨脹機出口的乏汽溫度較高，可設(shè)計回?zé)嵝拖到y(tǒng)收集乏汽中的余熱，提高余熱利用率?；拘拖到y(tǒng)與回?zé)嵝拖到y(tǒng)在凈輸出功率相同的情況下，回?zé)嵝拖到y(tǒng)蒸發(fā)器內(nèi)的工質(zhì)吸熱量相對更低，由此可知回?zé)嵝拖到y(tǒng)比基本型系統(tǒng)的熱效率更高。所以，在回收溫度較高的乏汽余熱時，應(yīng)采用回?zé)嵝拖到y(tǒng)，減少乏汽的熱消耗量，提高系統(tǒng)熱效率。②抽汽回?zé)嵝?。該系統(tǒng)可抽取出膨脹機內(nèi)沒有完全做功的部分蒸汽，將蒸汽混合泵出口的工質(zhì)，對工質(zhì)進(jìn)行余熱，以達(dá)到提高系統(tǒng)熱效率的目的。由于抽汽回?zé)嵝拖到y(tǒng)抽取的蒸汽是沒有完全做功的蒸汽，用于提高蒸發(fā)器入口工質(zhì)的焓值，所以會大幅度降低系統(tǒng)的凈輸出功，提高熱效率。與回?zé)嵝拖到y(tǒng)相比，在相同的凈輸出功條件下，抽汽回?zé)嵝拖到y(tǒng)的熱效率相對更高，可減少余熱回收中的不可逆損失。③再熱型。該系統(tǒng)用于抽取有機蒸汽送入再熱器中加熱，加熱之后再將高溫度的蒸汽送入膨脹機做功。在抽取過程中，有機蒸汽為沒有完全膨脹的蒸汽。在基本系統(tǒng)與再熱型系統(tǒng)都使用低沸點有機工質(zhì)的情況下，基本系統(tǒng)隨著再熱壓力的提升而減少吸熱量，與此同時，輸出功率和熱效率先呈現(xiàn)出上升狀態(tài)，之后又開始回落，使得基本型系統(tǒng)存在最佳再熱壓力。而對于再熱型系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)與基本型系統(tǒng)的最大熱效率極為接近，但是該系統(tǒng)的凈輸出功卻明顯大于基本型系統(tǒng)。④二級系統(tǒng)。在回收溫降較大的燃?xì)廨啓C尾部的排煙時，若使用單級蒸發(fā)系統(tǒng)，則會帶來較大的不可逆損失，降低系統(tǒng)熱效率。為解決這一問題，可采用兩級蒸發(fā)系統(tǒng)對煙氣余熱進(jìn)行聯(lián)合回收，即在高、低溫段分別使用高蒸發(fā)溫度系統(tǒng)和低蒸發(fā)溫度系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收，使蒸發(fā)系統(tǒng)與余熱溫度變化相匹配。兩級蒸發(fā)系統(tǒng)采用分流方式達(dá)到兩級蒸發(fā)目的，與兩級系統(tǒng)相比，其不僅適用于煙氣余熱溫度較高的回收條件，也適用于煙氣余熱溫度較低的回收條件，而兩級系統(tǒng)只適用于前者。

3 結(jié)語

綜上所述，燃煤電站鍋爐煙氣回收利用是一項非常重要的工作，回收利用效率的高低與經(jīng)濟效益密切相關(guān)。省煤器、煙氣余熱加熱管網(wǎng)熱水及預(yù)熱空氣這三種方式各具優(yōu)缺點，為進(jìn)一步提高燃煤電站鍋爐煙氣回收利用效率，可對ORC 系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用。在具體應(yīng)用的過程中，要對有機物工質(zhì)進(jìn)行優(yōu)選，并合理選擇系統(tǒng)類型，這樣才能使ORC 系統(tǒng)在煙氣余熱回收利用方面的作用得以最大限度地發(fā)揮，也才能使電站的經(jīng)濟效益獲得提高。