鍋爐煙氣余熱深度利用及減排技術(shù)的研究

李瑞雪

摘要：通過(guò)對(duì)某大型燃煤電廠鍋爐進(jìn)行節(jié)能改造，新增鍋爐煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)，并對(duì)該新增鍋爐煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中停運(yùn)和投入兩種狀態(tài)試驗(yàn)和研究，對(duì)比投入前和投入后各工況參數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)如果是在600MW負(fù)荷的工況下，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗減少了4.9g/（kW·h），煙塵排放的濃度也降低了7.8mg/Nm3。除此之外，脫硫的工藝水消耗量也比之前減少了33.5t/h，熱耗率減少了68.4kJ/（kW·h），廠用電率減少了0.15%，節(jié)能效果顯著，新增鍋爐煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中呈現(xiàn)出調(diào)節(jié)靈活，運(yùn)行環(huán)境安全可靠的狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：余熱深度利用;減排;鍋爐;節(jié)能改造

1 我國(guó)火電節(jié)能減排現(xiàn)狀

眾所周知，前些年來(lái)我國(guó)的霧霾天氣頻發(fā)，火電廠作為燃煤的主要工廠，是這些霧霾污染物形成的原因之一。一方面，我國(guó)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，國(guó)家相應(yīng)出臺(tái)了一系列政策來(lái)改變這一現(xiàn)狀，一系列的政策將直接或間接的影響火電廠的利益。政策規(guī)定有些地區(qū)的火電廠的煙塵排放量要比20mg/Nm3低。其中，東部地區(qū)新建設(shè)的一些火電廠大氣污染物排放的濃度要求達(dá)到排放限值。另一方面，我國(guó)要求新建燃煤發(fā)電機(jī)組的平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗不能超過(guò)300g/（kW·h）[1]。根據(jù)國(guó)家規(guī)定，要求到2020年現(xiàn)役機(jī)組改造后低于310g/（kW·h），但是對(duì)于600MW以上機(jī)組要低于300g/（kW·h）。

要想實(shí)現(xiàn)降低供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗和大氣污染物的超低排放，不僅要依靠國(guó)家政策的硬性要求，還要依靠火電廠自身優(yōu)化運(yùn)行。當(dāng)前，如何找到有效的節(jié)能減排方式成為了火電企業(yè)的共同課題。在鍋爐熱損失中損失最大的一項(xiàng)就是排煙熱損失，它的損失占鍋爐熱損失的70%甚至達(dá)到80%。鍋爐實(shí)際的排煙溫度與鍋爐設(shè)計(jì)值偏離的原因有很多，如設(shè)計(jì)和運(yùn)行的調(diào)整，煤炭的種類(lèi)等。一般大型火力發(fā)電廠的鍋爐排煙的溫度能達(dá)到110℃甚至達(dá)到160℃。如果把排煙的余熱加以深度利用，使排煙熱損失進(jìn)一步降低，鍋爐的效率就會(huì)進(jìn)一步提高。

2 煙氣余熱利用現(xiàn)狀

當(dāng)前，煙氣余熱主要有兩種模式，第一種是利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣中的余熱來(lái)產(chǎn)生蒸汽。其應(yīng)用領(lǐng)域主要有熱電聯(lián)產(chǎn)為工廠提供工藝用氣或者在聯(lián)合循環(huán)電廠中向蒸汽輪機(jī)供汽。余熱鍋爐與常規(guī)鍋爐的區(qū)別主要在于：余熱鍋爐利用燃?xì)廨啓C(jī)排出的廢氣為熱源，因此無(wú)需燃燒系統(tǒng)（除非有補(bǔ)燃要求）;余熱鍋爐無(wú)需配備風(fēng)機(jī)（通風(fēng)來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)的排氣）;余熱鍋爐可在多壓狀態(tài)下產(chǎn)生蒸汽以提高熱回收效率;熱傳導(dǎo)靠對(duì)流而不是靠輻射;余熱鍋爐不采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu);余熱鍋爐采用翅片管最大限度地強(qiáng)化傳熱。

對(duì)余熱鍋爐來(lái)說(shuō)，通常補(bǔ)燃有助于盡量提高基本負(fù)荷和調(diào)峰能力;與不帶補(bǔ)燃的工況相比，帶補(bǔ)燃時(shí)的出力可增加一倍，根據(jù)成熟的電站鍋爐技術(shù)可以選用高溫過(guò)熱器和再熱器的材料，高溫燃燒煙道發(fā)展理念起源于爐內(nèi)燃燒技術(shù)。

第二種模式為燃煤鍋爐中的煙氣余熱用來(lái)預(yù)熱助燃空氣、加熱熱網(wǎng)水和加熱凝結(jié)水等。其中比較有前途和潛力的節(jié)能措施包括傳統(tǒng)低壓省煤器系統(tǒng)和煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)。傳統(tǒng)的低壓省煤器系統(tǒng)是把換熱器放在空預(yù)器和除塵器二者之間的煙道上，還有一種方式是放在脫硫吸收塔入口的煙道上[2]。在汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的配合下，加熱主凝結(jié)水時(shí)可以排擠汽輪機(jī)的低壓抽汽，這樣有助于提高整個(gè)機(jī)組效率。

煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)是一種全新的系統(tǒng)，并且已經(jīng)在某些火電廠成功的進(jìn)行了應(yīng)用，節(jié)能效果也超過(guò)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)要求。這個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是包括四個(gè)換熱設(shè)備：第一級(jí)、第二級(jí)低溫?fù)Q熱器，高溫?fù)Q熱器和空氣換熱器。高溫?fù)Q熱器和第一級(jí)低溫?fù)Q熱器依次布置在空預(yù)器和除塵器之間煙道內(nèi)，第二級(jí)低溫?fù)Q熱器布置于引風(fēng)機(jī)出口和脫硫吸收塔之間煙道內(nèi)，空氣換熱器布置于送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道內(nèi)。高溫?fù)Q熱器利用空預(yù)器后的煙氣熱量加熱凝結(jié)水，組成一個(gè)高效低壓的省煤器系統(tǒng)?？諝鈸Q熱器和第一、二級(jí)低溫?fù)Q熱器可以形成閉式循環(huán)，第一級(jí)低溫?fù)Q熱器能將煙氣溫度減至95℃。第二級(jí)換熱器可以將脫硫塔的入口溫度降至85℃左右，最大限度的降低脫硫工藝水耗量和回收煙氣余熱。將空氣換熱器放置在送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道，同時(shí)把第一、二級(jí)低溫?fù)Q熱器的低品質(zhì)的煙氣余熱進(jìn)行回收，它的用途就是加熱冷二次風(fēng)，這樣如果冷二次風(fēng)溫度提高之后，空氣預(yù)熱器溫度發(fā)生變化，才有利于降低空氣預(yù)熱器的冷端低溫腐蝕情況，減少空氣預(yù)熱器的堵塞，提升煙氣品質(zhì)，提高鍋爐的效率。煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是各個(gè)模塊都能單獨(dú)的調(diào)節(jié)，根據(jù)周?chē)h(huán)境溫度等因素調(diào)節(jié)控制煙溫，確保在機(jī)組各負(fù)荷工況下投入該系統(tǒng)時(shí)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。深度利用煙氣余熱達(dá)到節(jié)煤節(jié)水，從而實(shí)現(xiàn)深度節(jié)能。

在設(shè)計(jì)換熱設(shè)備時(shí)要遵循以下幾點(diǎn)原則：磨損嚴(yán)重的高塵區(qū)要安置高溫?fù)Q熱器和第一級(jí)低溫?fù)Q熱器，應(yīng)模擬流場(chǎng)的狀況，選擇合適的煙氣流速、設(shè)置合理的防磨裝備。除塵器前的灰硫比一般在126.4左右，布置在該區(qū)域的余熱深度利用及減排設(shè)備腐蝕問(wèn)題可不用考慮，這些設(shè)備采用專(zhuān)用的H型的翅片換熱器，設(shè)置加強(qiáng)自吹灰裝置。布置于引風(fēng)機(jī)出口的第二級(jí)低溫?fù)Q熱器要求必須把煙氣溫度降到酸露點(diǎn)之下，隨著灰硫比降低，應(yīng)著重考慮防腐。使用第二級(jí)低溫?fù)Q熱器的換熱翅片，選用可以減慢腐蝕速度的材質(zhì)并控制設(shè)備冷端壁溫延緩腐蝕。要想達(dá)到系統(tǒng)性能最優(yōu)，同時(shí)需要考慮空氣預(yù)熱器的冷端的溫度。

3 實(shí)際案例

傳統(tǒng)用的低壓省煤器系統(tǒng)在德國(guó)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，在Schwarze Pumpe（黑泵）電廠2*800MW褐煤鍋爐的機(jī)組上使用可以提高供電效率0.5個(gè)百分比。在國(guó)內(nèi)火電廠改造之后，可以將供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低2g/（kW·h）左右。位于太原的第二熱電廠的300MW機(jī)組，使用改進(jìn)后的傳統(tǒng)低壓省煤器系統(tǒng)將煙溫降低至125℃，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低1.9g/（kW·h），效果顯著。

煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)也已在600MW的火電機(jī)組上成功運(yùn)行，配合超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐和汽輪機(jī)，在機(jī)組的額定負(fù)荷下，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低了4.9g/（kW·h），排煙的粉塵濃度降低了7.8mg/Nm3，節(jié)能和低排效果更明顯。

4 煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)試驗(yàn)和研究

為了驗(yàn)證煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)的真正性能，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在保證各個(gè)設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，對(duì)煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。在驗(yàn)證的期間要保證汽輪機(jī)和鍋爐以及其它的輔助設(shè)備都能正常安全的運(yùn)行，并且做到穩(wěn)定不泄露。保證軸封性能良好，真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。熱力系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)的熱平衡圖規(guī)定的熱力循環(huán)方式穩(wěn)定、安全、高效運(yùn)行;抽汽設(shè)備運(yùn)行正常，確保煤質(zhì)良好、煤種穩(wěn)定;保證煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)不吹灰，這樣才能使得各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)能夠達(dá)到要求的數(shù)值，才能保持穩(wěn)定。同時(shí)退出AGC裝置，降低電網(wǎng)對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性干擾。根據(jù)某廠煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)投入和停運(yùn)后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析如下：

熱耗率的變化情況。對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，收集整理數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用該系統(tǒng)熱耗率明顯減少，在600MW負(fù)荷工況熱耗率減少68.4kJ/（kW·h）;在480MW的負(fù)荷工況，熱耗率減少64.8kJ/（kW·h）;在300MW負(fù)荷工況熱耗率減少97.4kJ/（kW·h）。

廠用電率的變化情況。運(yùn)用余熱深度利用及減排系統(tǒng)之后，增加的水泵耗電增加，各個(gè)風(fēng)機(jī)因風(fēng)煙道增加換熱設(shè)備工作阻力增大，耗電增加，這必定會(huì)影響廠用電率，所以要對(duì)廠用電率進(jìn)行研究分析。根據(jù)實(shí)際的用電測(cè)量，結(jié)果顯示廠用電率整體最終都減少了。在600MW負(fù)荷工況下廠用電率減少0.15%;在480MW負(fù)荷工況下廠用電率減少0.13%，在300MW負(fù)荷工況下廠用電率減少0.07%。

標(biāo)準(zhǔn)煤耗的變化情況。在對(duì)鍋爐進(jìn)行綜合試驗(yàn)、測(cè)試發(fā)現(xiàn)，煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)可以減低發(fā)電和供電時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)煤耗率。通過(guò)數(shù)據(jù)顯示，在600MW負(fù)荷工況，試驗(yàn)供電煤耗減少4.08g/（kW·h），在480MW負(fù)荷工況，試驗(yàn)供電煤耗減少2.74g/（kW·h）[3]，在300MW負(fù)荷工況，試驗(yàn)供電煤耗減少3.68g/（kW·h）。另外，當(dāng)對(duì)煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)進(jìn)行修正之后，煤耗率降低的程度更大了。在600MW負(fù)荷工況，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗減少4.9g/（kW·h），在480MW負(fù)荷工況，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗減少4.93g/（kW·h），在300MW負(fù)荷工況，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗減少3.68g/（kW·h）。通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，480MW的負(fù)荷工況下，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率最低。

除塵效率的變化情況。未使用煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)之前，600MW負(fù)荷工況的除塵效率是99.387%，煙塵濃度達(dá)到42.12mg/Nm3，使用該系統(tǒng)之后除塵效率達(dá)到99.502%，，粉塵濃度減少到34.32mg/Nm3。粉塵濃度降低了7.8mg/Nm3，效果明顯。

脫硫工藝水量的變化情況。投運(yùn)該系統(tǒng)之后，在600MW負(fù)荷工況下可節(jié)約33.5t/h，480MW的工況下可節(jié)約51.20t/h，300MW工況下節(jié)約18.15t/h。

5 煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益

某廠煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)技術(shù)改造投入運(yùn)行后，防磨防腐可控，該廠的機(jī)組年發(fā)電按照5400h發(fā)電小時(shí)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，每年可以節(jié)省標(biāo)煤1.5萬(wàn)噸左右，二氧化碳的排放量將大大減少。與此同時(shí)除塵效果好、效率高，煙囪的粉塵排放濃度可以降低大約18mg/Nm3。該系統(tǒng)如果應(yīng)用在300MW及以上各種類(lèi)型火電機(jī)組上，在分析電廠鍋爐出口的排煙溫度、燃煤質(zhì)量的基礎(chǔ)上，投資成本可以達(dá)到3000萬(wàn)元至5000萬(wàn)元，該系統(tǒng)可以幫助電廠在約3年左右回收成本。

6 結(jié)語(yǔ)

一方面，鍋爐煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)能幫助火電廠實(shí)現(xiàn)真正意義上的節(jié)能降耗，為電廠生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)提質(zhì)增效。通過(guò)深度利用煙氣余熱，降低鍋爐熱損失，提高鍋爐熱效率。鍋爐煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)具有它自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它不使用汽輪機(jī)高品位的抽汽，而是排擠汽輪機(jī)高品位的抽汽，減少汽輪機(jī)熱耗，提高汽輪機(jī)熱效率，降低廠用電率，降低脫硫塔工藝水耗水量，投運(yùn)后機(jī)組效率提升明顯，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大幅度降低供電煤耗率。在600MW負(fù)荷工況，試驗(yàn)測(cè)量的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低4.08 g/（kW·h），在進(jìn)一步修正后供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗比之前降低4.90 g/（kW·h），降低供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗效果可觀，實(shí)現(xiàn)真正意義上的節(jié)能降耗。

另一方面，鍋爐煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)能幫助火電廠實(shí)現(xiàn)大氣污染物超低排放，更好的適應(yīng)國(guó)家愈來(lái)愈高的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

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