鍋爐排煙低品位熱能回收利用研究及工程經(jīng)濟(jì)分析

戈佳 白楊

摘? ?要：鍋爐排煙低品位熱能的回收利用有以下途徑：（1）通過串聯(lián)或并聯(lián)方式加熱凝結(jié)水;（2）通過水媒將原煙氣熱能傳遞加熱鍋爐一、二次風(fēng);（3）通過原煙氣與凈煙氣直接換熱（GGH）或通過水媒將原煙氣熱量傳給凈煙氣（MGGH）;（4）干燥高水分燃料;（5）建設(shè)集中冷源和寒冷地區(qū)熱網(wǎng)加熱等等。其主要應(yīng)用為前三種方式，本文結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，提出不同的利用方式。最后，結(jié)合某項(xiàng)目對(duì)其經(jīng)濟(jì)性分析。

關(guān)鍵詞：低品位熱能? GGH? MGGH? 循環(huán)效率? 發(fā)電煤耗

中圖分類號(hào)：TM621.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）10（a）-0067-04

Abstract： The boiler flue gas recovery of low grade heat use roughly the following ways：（1）The condensation of water by heating in series or parallel mode;（2）The original flue gas transfer heat to the first wind and the second wind through the water;（3）The raw gas transfer heat to the net flue gas by direct heat exchange （GGH） or by the midum-water （MGGH）;Not only to improve the wet desulfurization tower outlet temperature of flue gas gypsum rain net to restrain， and to improve the lifting height of flue gas，reducing ground concentration of flue gas;（4）Drying high moisture fuels;（5）The construction of centralized cold source and cold region of heat network heating etc. There are three main applications as elaborated above. However， in this article， we proposed a novel implementation by taking into account the specific aspects of this project. In the last， an economic analysis will be given based on a specific project.

Key Words：Low grade heat energy;GGH;MGGH;Cycle efficiency;Coal consumption for power generation

隨著人類對(duì)一次能源大量消耗、對(duì)環(huán)境保護(hù)的迫切要求和科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，人類對(duì)能量深度利用日益重視，通過多種途徑提高對(duì)能量利用。低品位的熱能具有種類多、儲(chǔ)量大的特點(diǎn)，由于其能量密度較低，除極少數(shù)被重新利用外，其余大部分均得不到有效利用，鍋爐排煙熱能就是其中一種，且比熱容小、溫度低，熱能未經(jīng)回收散發(fā)到自然環(huán)境中，造成了熱能得浪費(fèi)。本文對(duì)鍋爐排煙低品位熱能的深度利用介紹與分析，結(jié)合某工程項(xiàng)目對(duì)其應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析。

1? 鍋爐低品位熱能的定義

1.1 低品位熱能

是指難以利用的熱能，如海水具有的熱能、地?zé)峋哂械臒崮?、工業(yè)廢熱排放的熱能等等。由于量大，讓其降低一度會(huì)放出很大的熱量，但是這些熱量很難利用，故稱為低品位熱能。

1.2 鍋爐（排煙）低品位熱能

是指鍋爐空氣預(yù)熱器出口煙氣所具有的熱能。鍋爐排煙熱損失是由于鍋爐排煙溫度高于外界空氣溫度所造成的熱損失，它等于鍋爐排出濕煙氣總焓值與進(jìn)入鍋爐的冷空氣總焓值之差。

鍋爐的排煙熱損失占鍋爐總熱損失的70%～80%，由于受熱面污染程度隨著鍋爐運(yùn)行時(shí)間的增加而加劇，一般鍋爐在運(yùn)行一段時(shí)間后，實(shí)際的排煙溫度要比設(shè)計(jì)排煙溫度高20℃～30℃。一般鍋爐排煙溫度每升高15℃～20℃，則鍋爐效率下降約1%。

2? 鍋爐排煙溫度（鍋爐空氣預(yù)熱器出口）的確定

鍋爐的設(shè)計(jì)排煙溫度是按環(huán)境溫度20℃計(jì)算的，因此，夏季鍋爐的實(shí)際排煙溫度要高于設(shè)計(jì)排煙溫度，反之，冬季鍋爐的實(shí)際排煙溫度要低于設(shè)計(jì)排煙溫度。

鍋爐排煙溫度主要是依據(jù)燃料價(jià)格和鍋爐尾部受熱面金屬耗量的費(fèi)用通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來選擇。較低的排煙溫度，對(duì)應(yīng)于較小的排煙熱損失、就有較高的鍋爐熱效率，燃料耗量也較少。但是，鍋爐效率不可以隨意的提高，由于尾部受熱面的傳熱溫差降低，其金屬耗量就成反比的增加，即鍋爐價(jià)格就明顯上升。鍋爐的最佳排煙溫度，應(yīng)該是燃料費(fèi)用和鍋爐尾部受熱面金屬費(fèi)用的總和為最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。

此外，鍋爐最佳排煙溫度的選取，還與鍋爐的給水溫度、燃料的性質(zhì)（燃料中的水分和硫分）、省煤器與空氣預(yù)熱器的金屬價(jià)格比值等因素有關(guān)。給水溫度較高時(shí)，尾部受熱面的傳熱溫差下降，最佳的排煙溫度應(yīng)稍有提高。燃料中水分增加時(shí)，空氣和煙氣的熱容之比減小，則最經(jīng)濟(jì)的排煙溫度趨于升高?，F(xiàn)代大容量煤粉鍋爐設(shè)計(jì)的排煙溫度通常在120℃～130℃范圍內(nèi)。對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐，當(dāng)采用管式空氣預(yù)熱器時(shí)，則排煙溫度一般要比采用回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的排煙溫度要高15℃～20℃。

當(dāng)燃料含硫量較高，金屬壁溫低于煙氣露點(diǎn)時(shí)，空氣預(yù)熱器必須采取防止低溫腐蝕和堵灰的措施。

3? 回收鍋爐低品位熱能的正面效應(yīng)與負(fù)面效應(yīng)

3.1 回收鍋爐低品位熱能的正面效應(yīng)

（1）提高熱力循環(huán)熱效率，降低煤耗，降低廠用電，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益;降低脫硫系統(tǒng)入口煙氣溫度，即降低了脫硫系統(tǒng)的水耗，進(jìn)一步增加了企業(yè)的收益和改善環(huán)境效益。（2）在電氣除塵器前降低煙氣溫度，在灰比電阻適合的情況下，可有效提高電氣除塵器的除塵效率，改善環(huán)境，降低廠用電，是值得去做的。

3.2 回收鍋爐低品位熱能的負(fù)面效應(yīng)

（1）增加了投資（尤其是鍋爐排煙溫度在小于120℃時(shí)，煙氣與空氣之間的傳熱溫差較小，再降低排煙溫度會(huì)帶來投資增長趨勢加快）;（2）增加了低溫受熱面的腐蝕與堵灰，也就增加了運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)，在一定程度上降低了設(shè)備的運(yùn)行可靠性和安全穩(wěn)定性。（3）增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而也就增加了運(yùn)行、檢修費(fèi)用。

4? 鍋爐排煙低品位熱能回收的典型系統(tǒng)及優(yōu)缺點(diǎn)

鍋爐排煙低品位熱能有以下四種典型回收系統(tǒng)：

（1）布置在空氣預(yù)熱器后、除塵器前的低溫省煤器（又稱低壓省煤器）;

（2）布置在引風(fēng)機(jī)后、脫硫裝置前的低溫省煤器;

（3）分段布置，第一段低溫省煤器布置在空氣預(yù)熱器后、除塵器前，第二段低溫省煤器布置在引風(fēng)機(jī)后、脫硫裝置前;

（4）煙氣換熱器（GGH）等換熱利用。

4.1 采用布置在空氣預(yù)熱器后、除塵器前的低溫省煤器方式，回收煙氣余熱一般用來加熱凝結(jié)水或用于其他供熱

該布置方案的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）最大限度的回收煙氣余熱，提高機(jī)組整體熱經(jīng)濟(jì)性。（2）煙氣經(jīng)低溫省煤器降溫后，煙氣體積減小，飛灰比電阻降低，可大大提高除塵器的收塵性能。除塵器可采用較小的規(guī)格、較少的能耗、較低的占地，實(shí)現(xiàn)更高的除塵效率。（3）節(jié)省了低溫省煤器出口以后的煙道鋼材量。（4）降低了引風(fēng)機(jī)電耗。（5）節(jié)約了脫硫用水。（6）可在低溫電除塵器內(nèi)除去絕大部分SO3。（7）系統(tǒng)簡單，可在低溫省煤器后部采用國產(chǎn)ND鋼，以節(jié)省投資。

缺點(diǎn)：（1）煙氣中飛灰溫度降低后，灰硬度提高，灰濃度較大，因此受熱面外表面磨損較嚴(yán)重，使低溫省煤器可靠性有所降低。（2）低溫省煤器吹灰次數(shù)將增加，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)將上升。對(duì)含灰量大，SiO2含量高的燃煤機(jī)組，此方案不宜推薦;對(duì)鍋爐排煙溫度在煙氣酸露點(diǎn)以上5℃～10℃時(shí)，由于排煙溫度已經(jīng)很低，所以此方案也不宜推薦。（3）當(dāng)?shù)蜏厥∶浩鞯奈鼰崃窟^大時(shí)，對(duì)機(jī)組末幾級(jí)低加的抽汽排擠量會(huì)過大，將會(huì)增加進(jìn)入凝汽器的冷端損失，汽輪機(jī)末三級(jí)葉片流速和效率也會(huì)偏離最佳設(shè)計(jì)值，從而降低原回?zé)嵯到y(tǒng)的收益，回收熱量的效果會(huì)大受影響。

所以，新建工程一般不推薦此方案，通常在老機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，鍋爐排煙溫度升到140℃～160℃，進(jìn)行改造時(shí)，采用此方案更為合適。

在這方案中，又有兩種聯(lián)接方式：

（1）串聯(lián)方式：低溫省煤器系統(tǒng)串聯(lián)于某二級(jí)低壓加熱器之間，成為機(jī)組熱力系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。它的優(yōu)點(diǎn)是流經(jīng)低溫省煤器的水量最大，在低溫省煤器的受熱面積一定時(shí)，鍋爐排煙的冷卻程度和低溫省煤器的熱負(fù)荷較大，排煙余熱利用的程度較高，經(jīng)濟(jì)效果較好。其缺點(diǎn)是凝結(jié)水流的阻力增加，所需凝結(jié)水泵的壓頭增加。

（2）并聯(lián)方式：從某一低壓加熱器出口分流部分凝結(jié)水去低溫省煤器，加熱升溫后返回凝結(jié)水系統(tǒng)，在下一級(jí)（或兩級(jí)）低壓加熱器的入口處與主凝結(jié)水相匯合。從凝結(jié)水系統(tǒng)看，低溫省煤器與低壓加熱器成并聯(lián)方式，與之并聯(lián)的低壓加熱器也可以是多個(gè)。它的優(yōu)點(diǎn)是可以不增加凝結(jié)水泵揚(yáng)程，因?yàn)榈蜏厥∶浩鹘?jīng)過一、兩個(gè)低壓加熱器，其水阻力與低溫省煤器及其聯(lián)接管道阻力相當(dāng)。這對(duì)改造舊電廠較為合適，此外，還可以方便的實(shí)現(xiàn)余熱梯級(jí)開發(fā)利用。缺點(diǎn)是低溫省煤器的傳熱溫壓將比串聯(lián)方式低，所以，在降低相同煙溫條件下，它比串聯(lián)方式的低溫省煤器換熱面積要大。在回收相同的鍋爐排煙余熱量條件下，串聯(lián)式經(jīng)濟(jì)效益比并聯(lián)式高些。

4.2 布置在引風(fēng)機(jī)后、脫硫裝置之間的方案

（1）低溫省煤器布置在引風(fēng)機(jī)后、脫硫裝置前，這種布置方式在歐洲采用較多，我國近年來應(yīng)用的低溫省煤器基本上也都采用這種方案?；厥諢煔庥酂嶂饕糜诩訜崮Y(jié)水。如某百萬機(jī)機(jī)的低溫省煤器原則性系統(tǒng)如圖1所示。

（2）用于加熱空氣預(yù)熱器入口冷風(fēng)。參見圖2。

優(yōu)點(diǎn)：①脫硫旁路取消后，引風(fēng)機(jī)與脫硫增壓風(fēng)機(jī)合并，使得合并風(fēng)機(jī)的軸功率大，煙氣通過引風(fēng)機(jī)溫升一般約為10℃左右，可充分利用引風(fēng)機(jī)溫升，提高煙氣余熱利用率。②電除塵器、引風(fēng)機(jī)可采用常規(guī)設(shè)計(jì)，技術(shù)成熟可靠。③經(jīng)過除塵器收塵后，低溫省煤器工作環(huán)境含塵少，對(duì)受熱面的磨損較小，積灰少，低溫省煤器吹灰次數(shù)可以大大減少，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大為降低。④對(duì)于濕法脫硫，由于脫硫裝置入口煙溫降低，蒸發(fā)水分少，可節(jié)約脫硫用水。

缺點(diǎn);①無法利用煙氣溫降帶來的提高電除塵器收塵效率和減少引風(fēng)機(jī)功率的好處。②低溫省煤器布置在引風(fēng)機(jī)后、脫硫裝置前，離主廠房相對(duì)較遠(yuǎn)，用于回收熱量的循環(huán)水管道和用于吹灰的管道稍長，相關(guān)水泵需克服的管道阻力也較高。

4.3 低溫省煤器分段布置

為了充分利用煙氣余熱，提高電廠熱經(jīng)濟(jì)性，并利用煙氣溫度降低對(duì)除塵效率和引風(fēng)機(jī)電耗產(chǎn)生的好處，可考慮將低溫省煤器分段布置。這種布置方式相當(dāng)于設(shè)置兩個(gè)低溫省煤器，第一個(gè)低溫省煤器布置在空預(yù)器與除塵器之間，第二個(gè)低溫省煤器布置在引風(fēng)機(jī)與脫硫塔之間。

優(yōu)點(diǎn)是充分利用了鍋爐尾部煙氣余熱（包括引風(fēng)機(jī)溫升）。同時(shí)，可采用較小規(guī)格的電除塵器、煙道及引風(fēng)機(jī)，除塵器和引風(fēng)機(jī)的功耗也會(huì)降低，這將降低設(shè)備初投資和運(yùn)行費(fèi)用。

缺點(diǎn)是低溫省煤器體積較大，給布置帶來一定的困難，由于多了一臺(tái)低溫省煤器，系統(tǒng)連接復(fù)雜，管路阻力也將有一定的增加。

有項(xiàng)目在改造設(shè)計(jì)中，分段布置，采用常規(guī)靜電除塵器，除塵器前煙氣溫度降低幅度不大，以防止除塵器被腐蝕。除塵器后煙氣溫度也僅僅降至酸露點(diǎn)以上。余熱利用率并不高，因此，收益率并不顯著。

目前國內(nèi)1000MW煙煤機(jī)組已實(shí)施的低溫省煤器方案中，計(jì)算綜合經(jīng)濟(jì)收益，一般均在發(fā)電煤耗下降1.5～1.8g/kWh。

4.4 煙氣換熱器（GGH）換熱利用

（1）回轉(zhuǎn)式GGH。

（2）在剛開始實(shí)施脫硫階段的燃煤電廠，由于對(duì)鍋爐排煙抬升高度有一定的要求，以降低煙氣的落地濃度，達(dá)到環(huán)境保護(hù)的要求。當(dāng)時(shí)，這類電廠普遍采用煙氣、GGH，用原煙氣來加熱脫硫后的凈煙氣，GGH只是將溫度較高的原煙氣熱量傳遞給了溫度較低的凈煙氣，并沒有產(chǎn)生節(jié)能的效果，但改善了環(huán)境效益，有節(jié)水和抑制石膏雨的作用。更重要的是，從目前安裝有GGH的電廠運(yùn)行現(xiàn)狀分析，GGH弊大于利，主要出現(xiàn)在以下幾方面：

（1）GGH與防腐的復(fù)合鈦板雙筒煙囪投資相當(dāng)，而前者的運(yùn)行檢修費(fèi)用增加。

（2）設(shè)GGH脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行故障率較高（由于原煙氣溫度的降低，在GGH的熱側(cè)會(huì)產(chǎn)生大量黏稠的濃酸液。這些酸液不僅對(duì)GGH的換熱元件和殼體有很強(qiáng)的腐蝕作用，而且會(huì)粘附大量原煙氣中的飛灰而造成堵塞）。

（3）增加相應(yīng)的能耗、水耗。

（4）不能避免尾部煙道和煙囪被腐蝕。實(shí)踐證明，煙氣經(jīng)過GGH加熱后，煙溫仍低于其酸露點(diǎn)，仍然會(huì)在尾部煙道和煙囪中產(chǎn)生新的酸凝結(jié)。

（5）由于GGH的漏風(fēng)而使煙氣脫硫效率下降。

目前，GGH已成為大多數(shù)電廠的負(fù)擔(dān)，現(xiàn)在新建的燃煤電廠普遍都未設(shè)置回轉(zhuǎn)式GGH。

MGGH：煙氣冷卻器布置在引風(fēng)機(jī)與脫硫塔之間，煙氣加熱器布置在脫硫塔與煙囪之間，通過水循環(huán)將原煙氣中蘊(yùn)含熱量轉(zhuǎn)移給凈煙氣，使脫硫塔出口的50℃左右凈煙氣被加熱到80℃左右再排到大氣。

另有MGGH，將煙氣放熱段的換熱器布置在電除塵器上游，煙氣被循環(huán)水冷卻后進(jìn)入低溫除塵器（煙氣溫度在90℃～100℃），煙氣加熱段的GGH布置在煙囪入口，由循環(huán)水加熱凈煙氣。脫硫后的凈煙氣被加熱到72℃～80℃再排向大氣。

5? 案例分析

某海邊電廠1000MW燃煤機(jī)組改造，在空氣預(yù)熱器與電除塵之間的水平煙道上布置了六組低溫省煤器，每組布置28排管束，前14排為高溫段，后14排為低溫段，分別采用20碳鋼和ND鋼。設(shè)計(jì)煤種酸露點(diǎn)為89.6℃，低溫省煤器出口煙溫高于煙氣露點(diǎn)5℃左右。水側(cè)（串聯(lián)）接自6號(hào)和7號(hào)低加之間，7號(hào)低加出口凝結(jié)水溫度79.6℃（THA工況）、流量為1972.72t/h，凝結(jié)水被煙氣加熱到96.5℃后回到6號(hào)低加入口。入口煙溫由110℃～140℃降至出口側(cè)95℃～105℃，滿負(fù)荷時(shí)，低溫省煤入口水溫82.2℃，出口水溫97.6℃，測得凝結(jié)水阻力為0.2MPa，煙氣側(cè)總阻力為500Pa。1000MW時(shí)，熱水循環(huán)泵停運(yùn)，在800MW以下時(shí)，由于凝結(jié)水入口溫度降至78.5℃，熱水循環(huán)泵投入運(yùn)行。

經(jīng)測試，改造后夏季1000MW時(shí)，排煙溫度平均降低30℃，加熱凝結(jié)水排擠汽機(jī)抽汽，熱耗增加69.1KJ/kWh;投退前后對(duì)比，引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)電流總共下降120A，電除塵效率提高0.1%，脫硫節(jié)水39.8t/h，綜合各種因素后，供電煤耗下降了約1.79g/kWh。

改造后，對(duì)煙風(fēng)系統(tǒng)影響：煙溫每降低40℃，下游煙氣體積將降低5%;100%負(fù)荷時(shí)，煙氣阻力耗功13A/100Pa，則引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)電流降低約50A，平均每臺(tái)風(fēng)機(jī)降12A。75%、50%負(fù)荷下，投退低溫省煤器對(duì)風(fēng)機(jī)電流變化影響不明顯。

對(duì)汽機(jī)的影響：5、6段抽汽量均受到排擠，3個(gè)負(fù)荷點(diǎn)排擠量分別為24.47t/h、22.67t/h、13.75t/h;真空度變化為0.087kPa，相對(duì)變化為1.5%，對(duì)汽機(jī)循環(huán)效率影響很小。

對(duì)凝結(jié)水系統(tǒng)的影響：凝結(jié)水阻力100%負(fù)荷時(shí)增加0.2MPa;凝結(jié)水流量降低20t/h;75%、50%工況下，凝結(jié)水泵功耗沒有明顯變化;100%工況下，凝結(jié)水泵耗功增加46kW/h，廠用電上升0.0046%，供電煤耗上升0.0131g/kWh。

對(duì)電除塵影響：電除塵效率提高約0.1%;電除塵耗電率下降0.004%，供電煤耗下降約0.011g/kWh。

對(duì)脫硫的影響：在95%負(fù)荷率時(shí)，脫硫系統(tǒng)節(jié)水平均39.8t/h。

收益情況：綜合煤耗降低1.79g/kWh，燃料成本下降787.6萬元/年，脫硫節(jié)水39.8t/h，節(jié)水費(fèi)用減少54.13萬元/年，減排費(fèi)用減少5.45萬元/年，改造投資回收年限為1.71年。（注：標(biāo)煤價(jià)800元/t，水價(jià)1.7元/t，年利用小時(shí)5500h，年運(yùn)行小時(shí)8000h）。

6? 結(jié)語

隨著一次能源儲(chǔ)量越來越少和科學(xué)技術(shù)越來越發(fā)達(dá)，各種低品位熱能的利用將被人們越來越重視起來，低品位熱能的利用方案也將層出無窮。而低品位熱能的利用深度還與各國的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技發(fā)達(dá)水平、決策者的管理理念有關(guān)。一般來說，新建燃煤電廠，應(yīng)盡可能降低鍋爐本體的排煙溫度，使排煙溫度降到燃煤煙氣露點(diǎn)溫度以上5℃～10℃（寒冷地區(qū)可以適當(dāng)提到一些）。再加上實(shí)施低品熱能的深度開發(fā)利用，就能獲得燃煤電廠的最佳效益。在對(duì)煙囪排煙溫度有要求的地方，建議采用GGH或MGGH來提高煙氣的排煙溫度。

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