燃煤工業(yè)鍋爐余熱利用技術(shù)及原則概述

李美軍

（1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013）

針對我國國情，2012 年2 月工信部頒布的《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃[1]中將余熱余壓利用工程作為“九大重點節(jié)能工程”之一，明確提出“要在余熱余壓資源豐富的行業(yè)全面推廣余熱余壓回收利用技術(shù)，推進低品質(zhì)熱源的回收利用， 形成能源的梯級綜合利用”。 按照《中國能源統(tǒng)計年鑒 2013》提供的各行業(yè)能源消費量及各工業(yè)部門余熱占燃料消耗的比例計算，我國工業(yè)余熱資源總量高達8 億t 標煤，占我國總能耗約30%， 因此實現(xiàn)余熱有效利用對我國工業(yè)節(jié)能具有重要意義[2]。

工業(yè)鍋爐為工業(yè)生產(chǎn)和居民生活提供蒸汽，是重要的熱能動力設(shè)備。 我國工業(yè)鍋爐約50 多萬臺，其中煤炭消耗量約占我國煤炭消耗總量的20%，可知工業(yè)鍋爐在我國的節(jié)能減排中具備巨大的潛力。鍋爐運行中，運行熱效率偏低、供熱系統(tǒng)不合理造成的蒸汽的做功能力下降、輸送管網(wǎng)網(wǎng)損較大、冷凝水未做回收、 煙氣余熱直接排放等問題均是導致工業(yè)鍋爐能耗增加的原因。 其中，排煙熱損失是鍋爐熱損失的重要組成部分，約占70%以上[3]。 鍋爐排煙溫度每增加10 ℃，意味著排煙熱損失會增加0.6%～1.0%，煤耗就會升高1.2%～2.4%[4]。 初步估算，全國燃煤工業(yè)鍋爐排煙余熱總量折標準煤約1 億t，對鍋爐進行煙氣余熱回收是提高鍋爐熱效率、 降低鍋爐能耗的重要途徑，是工業(yè)鍋爐節(jié)能減排的重要發(fā)展方向。

煙氣溫度是衡量余熱品質(zhì)的重要標尺， 其高低將對余熱回收方式產(chǎn)生重大的影響。 余熱可按照溫度范圍劃分為三等：高溫余熱（大于500 ℃）、中溫余熱（200～500 ℃）、低溫余熱（低于 200 ℃）[5]。 中、高溫余熱能的能量品級高，利用起來相對容易。而對于低溫熱源，由于其能量品質(zhì)較低，致使回收過程中能源的利用效率也較低，回收技術(shù)的發(fā)展尚不成熟。我國現(xiàn)役工業(yè)鍋爐的實際排煙溫度在150～400 ℃之間[6]，屬于中低溫余熱的范疇。此外，鍋爐煙氣中的熱量有顯熱和潛熱兩種存在形式。 不同類型的鍋爐煙氣中水蒸氣含量不同， 如天然氣鍋爐煙氣中水蒸氣為15%～19%，燃油鍋爐為10%～12%，燃煤鍋爐中一般小于6%，所以煙氣中顯熱與潛熱的比例也不同[7]。對于燃氣和燃油鍋爐，既要回收煙氣的顯熱量，還要對水蒸氣冷凝回收潛熱；而對于燃煤鍋爐，主要是回收顯熱，并注意除塵和脫硫。本文主要針對煙氣余熱回收， 總結(jié)當前工業(yè)鍋爐余熱回收利用的有效技術(shù)的原理、適用性、優(yōu)勢及劣勢等，最后闡明了余熱利用的原則及待突破的關(guān)鍵技術(shù)。

1 余熱利用技術(shù)

1.1 熱能到電能

1.1.1 溫差發(fā)電器

這是利用熱電材料的澤貝克效應（Seebeck Effect）、湯姆遜效應（Thomson Effect）、帕爾貼效應（Peltier Effect）、焦耳效應（Joule Effect）和傅里葉效應（Fourier Effect） 等將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置，其原理如圖1 所示[8]。將許多不同類型半導體熱電材料按照一定方式連接起來，比如采用串聯(lián)、并聯(lián)或者兩者相結(jié)合的方式，形成半導體堆，再將半導體堆置于冷源和熱源之間，熱端從熱源吸熱，再將熱量傳遞給冷源，在這個過程中將熱能轉(zhuǎn)換為電能，以電流或溫差電動勢的形式輸出。 因此可以根據(jù)鍋爐不同的煙氣溫度，將熱電器件集成在水冷壁、省煤器或者空氣預熱器的換熱面之上，通過燃料和水、煙氣和水、煙氣和空氣之間的溫差獲得電能，可用于水泵、風機及控制器的供電。 該技術(shù)在國外的開展較早，日本Komatsu 公司于2009 年開發(fā)的工廠廢熱利用發(fā)電系統(tǒng)可長期運行，冷、熱端溫度分別為30 ℃、250 ℃時，轉(zhuǎn)換效率達7%[9]。該技術(shù)適用于煙氣大于250 ℃的場合，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、無轉(zhuǎn)動部件、無污染物排放、環(huán)保潔凈等優(yōu)勢。 但目前現(xiàn)有的熱電材料的轉(zhuǎn)換效率較低， 工藝不成熟且成本昂貴，從而限制該技術(shù)廣泛應用[10-11]。 目前，廣大學者主要從改進熱電材料轉(zhuǎn)換性能、輸出特性等方向進行研究[12-13]。

圖1 半導體溫差電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖

1.1.2 有機朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle,ORC）

該循環(huán)采用低沸點的有機工質(zhì)代替水蒸氣作為循環(huán)工質(zhì)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示，主要部件有蒸發(fā)器、冷凝器、工質(zhì)泵及膨脹機。 環(huán)保型低沸點有機工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)和低溫余熱源進行熱量交換， 有機工質(zhì)吸熱汽化（過程4-1），達到飽和或過熱狀態(tài)，高溫高壓蒸汽經(jīng)膨脹機帶動發(fā)電機發(fā)電（過程1-2），此過程將有機工質(zhì)低品位的熱能轉(zhuǎn)化為高品位的電能， 做功后的乏汽進入冷凝器放熱（過程2-3），然后進入工質(zhì)泵升壓（過程3-4），完成整個工作過程[14]。

圖2 有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

該循環(huán)適用于中低溫熱源（100～300 ℃），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單、熱力學性能好、運行穩(wěn)定，且由于有機工質(zhì)的凝固點較低， 故系統(tǒng)在冬季不需要采取防凍措施， 目前不同種類的有機朗肯循環(huán)已應用在工程實際之中[15-16]。 有學者對電站鍋爐煙氣回收系統(tǒng)、爐渣蒸發(fā)水余熱回收系統(tǒng)、 鍋爐汽包連續(xù)排污系統(tǒng)進行深入分析和優(yōu)化[17-18]。但該技術(shù)循環(huán)性能仍有待改進，發(fā)電成本高，是制約其發(fā)展的瓶頸。目前，國內(nèi)外學者對ORC 系統(tǒng)的研究主要集中在有機工質(zhì)的篩選、系統(tǒng)性能提升以及ORC 新型系統(tǒng)的設(shè)計和實際應用的研究。

1.2 熱能到熱能

1.2.1 傳統(tǒng)換熱器

針對煙氣余熱利用時， 傳統(tǒng)做法是在煙道中加裝空氣預熱器以預熱空氣， 加裝省煤器加熱鍋爐給水，以及加裝換熱器預熱或干燥燃料、加熱冷凝水或管網(wǎng)熱水等。

燃煤鍋爐一般均加裝省煤器， 但其熱交換率往往比較低，余熱回收效果不佳。煙氣余熱預熱空氣也很常見， 但提前預熱空氣后會使原有受熱面的傳熱分布發(fā)生變化，對鍋爐效率的提高產(chǎn)生不利的影響。在省煤器后加裝換熱器， 將品位較低的煙氣余熱加以利用，該方法技術(shù)成熟、投資小、簡單易行，只存在一定的散熱損失， 能夠有效提高燃煤鍋爐的運行效率，但會受到季節(jié)的限制，適宜與其他利用方式聯(lián)合利用[19]。

煙氣余熱利用的核心問題， 是煙氣中硫酸蒸汽遇冷凝結(jié)為高濃度硫酸， 對鍋爐尾部煙道金屬面和換熱元件本身的腐蝕問題[20]。 由于硫酸的凝結(jié)溫度遠遠高于水蒸氣， 因此只要煙氣中含有少量的硫酸蒸汽，煙氣露點就會大幅提高。 常規(guī)換熱器很常見，適用性廣，但最大的弊端是受煙氣露點的影響，尤其是煙氣余熱加熱管網(wǎng)熱水及煙氣余熱預熱空氣這兩種余熱利用方式的受熱面壁溫都可能低于酸露點，致使整個煙氣余熱回收系統(tǒng)都會受到低溫腐蝕的威脅。 一旦換熱設(shè)備腐蝕嚴重， 所有換熱設(shè)備均需更換， 成本高。 因此傳統(tǒng)換熱器無法深度回收煙氣余熱，適合中小型燃煤鍋爐的升級改造。

目前傳統(tǒng)換熱器的改進措施主要是通過采用板片式、肋管式或者翅片式結(jié)構(gòu)以增加換熱面積；改變高溫煙氣與低溫介質(zhì)的換熱方向， 如橫向沖刷或縱向沖刷等；增設(shè)多級換熱器，采用串聯(lián)或并聯(lián)方式布置等多種集成方式。其中，串聯(lián)型余熱利用系統(tǒng)主要是把空氣預熱器分多級串聯(lián)布置， 也就是在空氣進入主空氣預熱器之前加裝一個或兩個前置式空氣預熱器， 使得冷空氣先經(jīng)過前置式空氣預熱器升溫后再進入主空氣預熱器， 這樣不僅利用了鍋爐的排煙余熱，還提高了原空氣預熱器的空氣入口溫度[21]。 并聯(lián)型余熱利用系統(tǒng)主要原理是在省煤器出口設(shè)置分隔煙道，主煙道設(shè)置空氣預熱器，旁路煙道設(shè)置高溫煙水換熱器和低溫煙水換熱器， 分別加熱回熱系統(tǒng)給水和凝結(jié)水， 并在之后的匯合煙道中設(shè)置前置式空氣預熱器， 通過降低鍋爐排煙溫度來彌補空氣在空氣預熱器中吸熱量的不足， 形成基于分隔煙道設(shè)計的并聯(lián)型余熱利用系統(tǒng)[22-23]。

1.2.2 冷凝換熱器

傳統(tǒng)的煙氣回收只是針對顯熱，造成大量潛熱損失，汽化潛熱帶走的熱損失占整個排煙熱損失的60%以上，影響鍋爐熱效率。冷凝換熱器是利用煙氣冷凝余熱回收裝置，將煙氣的顯熱和水蒸氣的潛熱用于預熱鍋爐系統(tǒng)回水、 加熱生活熱水或鍋爐補水。 采用冷凝換熱器不但可以回收煙氣中的顯熱，還可以回收煙氣中的潛熱部分，達到深度回收煙氣余熱，大大提高了熱回收設(shè)備的熱效率[24]，與此同時，冷凝換熱器產(chǎn)生的冷凝液對煙氣中的氮氧化合物有一定的吸收作用，可以集中處理帶有酸性物質(zhì)的冷凝液，從而降低煙氣中酸性氣體的含量，減少了大氣的污染[25-26]。

冷凝換熱器主要適用于燃氣鍋爐， 是由于燃氣鍋爐的煙氣中含有大量的水蒸氣， 攜帶著大量的潛熱，自第一臺冷凝鍋爐1979 年從荷蘭誕生[27]，世界上的許多國家爭相研制， 其使用每年為荷蘭節(jié)約的天然氣達到了20 億m3。對煙氣中水蒸氣含量居中的燃油鍋爐，該法應用潛力很大，需進一步加強研究。

一般的燃煤鍋爐煙氣中水蒸氣的含量并不大，但是即使這部分氣化潛熱被全部回收， 也能使熱效率有很大的提升。 但燃煤鍋爐的煙氣中二氧化硫含量很高，換熱器容易發(fā)生低溫腐蝕，低溫腐蝕難以控制是制約國內(nèi)外燃煤鍋爐煙氣深度冷卻技術(shù)進步的主要瓶頸。為此學者在以下兩方面進行了深入研究，一是確定煙氣酸露點溫度以指導鍋爐排煙溫度，二是開發(fā)新型耐腐蝕材料。

其中，西安交通大學的趙欽新[28]提出了余熱深度利用與污染物脫除一體化系統(tǒng)， 揭示了煙氣深度冷卻過程中SO3和H2O 結(jié)合形成H2SO4（g）和灰顆粒發(fā)生的氣液固三相吸附凝并機理， 該機理直接引起煙氣深度冷卻過程中硫酸露點溫度隨著煙氣深度冷卻發(fā)生實時變化， 提出了煙氣深度冷卻器置于靜電除塵器之前的設(shè)計方案，如圖3 所示。并通過進一步研究， 提出了控制堿硫比和流場均勻化的雙判據(jù)設(shè)計方法， 實現(xiàn)了煙氣深度冷卻過程中的低溫腐蝕可控。 同時發(fā)明了硫酸露點溫度和低溫腐蝕性能的檢測方法及裝置， 確立了煙氣深度冷卻器材料選型和壁溫安全設(shè)計準則， 解決了低溫腐蝕導致泄漏防控的技術(shù)瓶頸。該方法經(jīng)獨立設(shè)計、制造和裝配后已在大唐國際、 華能國際等多個發(fā)電有限公司進行了實驗并得到驗證。

圖3 布置于靜電除塵器前的煙氣深度冷卻器系統(tǒng)示意圖

在開發(fā)新型耐腐蝕材料方面， 當前電站鍋爐尾部受熱面常用材料為20G 鋼、ND 鋼和316 不銹鋼，在實際運行過程中， 受熱面表面都有一定程度的腐蝕和積灰。非晶合金具有優(yōu)異的物理和化學性能，特別是耐腐蝕性能方面受到許多學者的關(guān)注[29]。 氟塑料材料由于其本身性質(zhì)穩(wěn)定，表面光滑等優(yōu)勢，利用氟塑料制作的換熱器越來越受到關(guān)注，在海水淡化、電站鍋爐水回收方面取得了較大的發(fā)展[30-32]。但是氟塑料材料的耐高溫性較差。

1.2.3 熱管技術(shù)

熱管的應用是基于蒸發(fā)-冷凝的循環(huán)，熱管中的工質(zhì)在熱輸入端被工業(yè)廢熱加熱，由液體變成氣體，吸收了大量的熱量， 汽化潛熱隨著流動的蒸汽到達冷端， 在重新冷凝成液體的同時放出大量的汽化潛熱，冷凝的液體則又一次回到加熱段被加熱，重復上述的過程，如圖4 所示。熱管通過汽化潛熱來傳遞能量，即使傳遞的熱量非常大的時候，熱端和冷端的溫差也不至于過大[33]，因此熱管是一種導熱能力很強的導熱體。

圖4 熱管的工作原理圖

由熱管換熱元件制成的換熱設(shè)備稱為熱管換熱器，圖5 為熱管鍋爐的余熱回收原理圖[34]。 熱管換熱器一般有兩種形式： 煙氣-空氣熱管換熱器和煙氣-水熱管換熱器。鑒于熱管式換熱器的特點，在換熱器的冷、熱段均可以加裝翅片來擴展換熱面積，增強換熱，因此它比較適用于氣-氣之間的換熱。

圖5 熱管鍋爐的余熱回收原理圖

熱管具有熱回收效率高、 結(jié)構(gòu)緊湊、 無運動部件、重量輕、無需外加動力、氣密性好和介質(zhì)之間無交叉污染等諸多特點[35]，在實踐中得到了廣泛的應用。 由于工質(zhì)材料的局限性，目前熱管價格偏高，且在工業(yè)領(lǐng)域應用時間不長，實踐過程中出現(xiàn)的灰堵、露點腐蝕等問題還有待解決，技術(shù)還不夠成熟，還需進一步加強應用研究[36]。

1.2.4 熱泵技術(shù)

常見的熱泵系統(tǒng)主要包括吸收器、再生器、冷凝器及泵等結(jié)構(gòu)，如圖6 所示[37]。 熱泵技術(shù)通過熱力循環(huán)把熱能從低溫的物體轉(zhuǎn)移到高溫的物體，原理與制冷裝置一樣，需要消耗一定的外部高品位的能量[38]。

圖6 開式循環(huán)吸收式熱泵系統(tǒng)示意圖

熱泵系統(tǒng)能夠用來回收100～200 ℃的鍋爐煙氣熱量。熱泵有壓縮式和吸收式兩種形式，壓縮式體積較小、效率高，以消耗一部分高品位能為代價；而吸收式熱泵則是消耗一部分溫度較高的熱能， 相對于傳統(tǒng)的壓縮式熱泵體積和重量相對較大， 但消耗的能量品位較低。在鍋爐煙氣余熱回收上，熱泵系統(tǒng)可以與冷凝換熱器聯(lián)合使用，如圖7 所示，適合熱電站大型燃煤鍋爐的余熱回收，是未來的重要研究方向。同時可與除塵換熱一體化技術(shù)結(jié)合， 如日本將旋風除塵器和換熱器結(jié)合在一起， 回收熱量和除塵起到相互促進的作用[39]。 在煙氣熱能的綜合利用的實踐中取得了良好的效果， 引領(lǐng)了鍋爐尾部煙氣余熱回收的新趨勢[40]。

圖7 冷凝換熱器與熱泵系統(tǒng)聯(lián)合余熱回收系統(tǒng)示意圖

2 工業(yè)鍋爐煙氣余熱的利用原則及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 能量利用及分配原則

在工業(yè)鍋爐煙氣余熱的“能源利用”上，應保證“溫度對口，梯級利用”的原則，即將溫度較高的“高品位”煙氣滿足電、能等“高端”需求，將溫度較低的“低品位”煙氣滿足熱的“低端”需求，從而減少煙氣回收利用過程中的損失，實現(xiàn)煙氣余熱的最大利用。

在“能量分配”上，應采取“分配合理，各得所需”的原則，即在不同的上下游時段，根據(jù)不同用戶特性，對于不同用戶不同種類能源的需求差異，進行合理的資源配置，實現(xiàn)煙氣余熱回收利用效率的最優(yōu)化。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

在余熱獲取方面， 有諸多問題制約工業(yè)鍋爐排煙溫度的降低， 如煙氣傳熱過程中的硫酸腐蝕煙道及濕灰堵塞問題。同時在研究排煙溫度時，多數(shù)研究未把受熱面積、腐蝕、磨損等多種效應有機結(jié)合，而是分開研究。 因此，下一步研究需將積灰、磨損及露點腐蝕的防治與強化傳熱及減少流動阻力進行整體集成優(yōu)化。

在余熱轉(zhuǎn)化方面， 需構(gòu)建新型煙氣余熱特性熱力循環(huán)，根據(jù)熱源的品位及數(shù)量，尋找理想的熱電材料、工質(zhì)等，綜合考慮材料和設(shè)備對系統(tǒng)熱力性能、經(jīng)濟成本及生態(tài)環(huán)境的影響， 通過多目標優(yōu)化或多屬性評價等方法，獲得最佳的循環(huán)性能。

3 結(jié)論

針對我國能源消耗不斷增加、環(huán)境污染日益嚴峻的形勢，對量大而廣的燃煤工業(yè)鍋爐進行余熱利用迫在眉睫。 本文總結(jié)了當前余熱回收利用的有效技術(shù)（熱能到電能、熱能到熱能）的原理、適用性、優(yōu)勢及劣勢等，闡明了余熱利用應遵循“溫度對口，梯級利用”和“分配合理，各得所需”的原則，最后總結(jié)了在余熱獲取和余熱轉(zhuǎn)化方面亟待解決的問題，為燃煤工業(yè)鍋爐的余熱利用的技術(shù)創(chuàng)新提供理論依據(jù)。