火力發(fā)電廠鍋爐尾部煙氣余熱利用技術(shù)探究

摘要：火力發(fā)電廠是能源生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，但其鍋爐尾部煙氣常含有大量未被利用的余熱，造成能源浪費和熱污染。隨著全球能源緊缺與環(huán)境壓力的加劇，提高能源利用效率、降低碳排放成為迫切需求。因此，主要探究火力發(fā)電廠鍋爐尾部煙氣余熱利用技術(shù)，回收鍋爐尾部低品位熱能，用于供熱、發(fā)電或其他工業(yè)用途，從而提升資源利用效率，減少大氣污染物排放，從而推動火電行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電廠；尾部煙氣；余熱利用

中圖分類號：TM621.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-0-03

Exploration of Waste Heat Utilization Technology of Boiler Tail Flue Gas of Thermal Power Plant

HAN Zhiyong

（China Huadian Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100160， China）

Abstract： Thermal power plants are important infrastructure for energy production， but their boiler tail flue gas often contains a large amount of unused waste heat， causing energy waste and heat pollution. With the intensification of global energy scarcity and environmental pressure， improving energy efficiency and reducing carbon emissions have become urgent needs. Therefore， the main focus is on exploring the utilization technology of waste heat from boiler tail gas in thermal power plants， recovering low-grade thermal energy from boiler tail for heating， power generation or other industrial purposes， thereby improving resource utilization efficiency， reducing atmospheric pollutant emissions， and promoting the green transformation and sustainable development of the thermal power industry.

Keywords： thermal power plants; tail flue gas; waste heat utilization

火力發(fā)電廠是大規(guī)模能源轉(zhuǎn)換的核心設(shè)施，但其鍋爐尾部煙氣仍攜帶大量低品位熱能，直接排放不僅浪費能源，還會對環(huán)境造成熱污染。因此，鍋爐尾部煙氣余熱利用技術(shù)成為提高火電廠能源效率和降低環(huán)境影響的關(guān)鍵。余熱利用涉及傳熱學(xué)與熱力學(xué)等基礎(chǔ)理論，需研究如何高效回收煙氣中的熱量并將其用于供熱、發(fā)電或其他工業(yè)用途。傳熱學(xué)提供換熱器設(shè)計與傳熱優(yōu)化的理論基礎(chǔ)，熱力學(xué)分析則聚焦于提高余熱轉(zhuǎn)換效率和拓展能源梯級利用方式。這些理論結(jié)合現(xiàn)代能源系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，為實現(xiàn)鍋爐尾部煙氣余熱的高效利用提供科學(xué)依據(jù)，也為火力發(fā)電行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型提供支撐。

1 煙氣余熱利用制約因素

1.1 設(shè)備因素

依據(jù)熱能品質(zhì)的級別差異，將排氣溫度分為低溫、中溫和高溫3個級別。在高溫與中溫兩個級別中，熱能品質(zhì)相對較高，常規(guī)的余熱回收方式包括運用廢熱鍋爐回收中高溫排氣中的熱能，并利用蒸汽輪機(jī)將該熱能轉(zhuǎn)換成電能。由于這部分熱能處于較高的能級，處理流程相對較為簡便。然而，對于較低能級的熱能，可用的處理手段較為有限，一般采用脫硫設(shè)備和省煤器作為主要處理方式。

在鍋爐后部的豎直煙道內(nèi)，省煤器主要安裝在溫度較低的區(qū)域。例如，省煤器能有效吸收煙道尾部的熱量，降低煙氣溫度，從而提高機(jī)組的熱效率，達(dá)到節(jié)約能源、降低排放的目的。采用低成本、薄壁、小管徑的節(jié)熱器，取代昂貴的水冷壁管，從而減少初期投入。

1.2 低溫條件下的侵蝕因素

在煙道尾部，煙氣流相對偏冷，因此出現(xiàn)了較多的低溫侵蝕現(xiàn)象。在燃燒時，燃油中的硫元素會轉(zhuǎn)變成二氧化硫。在燃燒的同時，二氧化硫不斷被氧化，生成三氧化硫。三氧化硫在大氣中與水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成了一種新的氣體，即硫酸蒸汽。結(jié)果表明，硫酸蒸汽的生成與三氧化硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，且隨三氧化硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。酸性氣體會在管壁表面發(fā)生冷凝，嚴(yán)重腐蝕金屬構(gòu)件。

2 火力發(fā)電廠鍋爐尾部煙氣余熱利用技術(shù)方案

2.1 熱源換向器

在實際運用過程中，熱源為吸熱段提供熱量，使得管內(nèi)低沸點液體吸收熱量并蒸發(fā)，蒸發(fā)生成的氣體介質(zhì)在壓力推動下流經(jīng)管道至放熱段，在此釋放熱量并凝結(jié)成液態(tài)，以便進(jìn)一步使用，從而提高能源利用水平[1-2]。熱管轉(zhuǎn)向設(shè)備具有較多優(yōu)點。一是借助熱管轉(zhuǎn)向裝置，能夠提高熱傳導(dǎo)效率，避免能源浪費。同時，熱管式熱交換器具有較高的可靠性和穩(wěn)固性，其使用壽命也更長久。熱交換器的設(shè)計通常采用截面形狀，當(dāng)有流體經(jīng)過時，能夠有效地清理灰塵，進(jìn)而保障其運行效能。二是熱管轉(zhuǎn)向裝置能夠依據(jù)實際需求，精確管理管壁溫度，并適度提高管壁溫度，主要目的是防止出現(xiàn)酸漏電和低溫腐蝕問題，保證鍋爐安全穩(wěn)定運行。三是熱管式換熱器設(shè)備的裝配過程較為便捷。在熱量傳遞方面，具有可逆性。然而，此類可逆性需考慮熱管在兩端所發(fā)生的溫度變動，特別是在含有吸液芯的熱管水平布置或處于失重環(huán)境，任何一端遭遇熱量侵襲即刻轉(zhuǎn)變?yōu)檎舭l(fā)端，而對應(yīng)的另一端則相應(yīng)地轉(zhuǎn)變?yōu)槔淠齾^(qū)，從而使熱管內(nèi)熱量傳遞的方向發(fā)生變化。四是在熱管換相器進(jìn)行熱量交換時，熱流密度具備一定的調(diào)節(jié)空間，這使得熱管能在較大范圍內(nèi)變動以實現(xiàn)加熱或散熱，且熱管可根據(jù)具體需求靈活控制熱流的方向，實現(xiàn)熱流的匯聚或分散。

2.2 相變換熱器

熱交換領(lǐng)域中的相變換熱技術(shù)與熱管轉(zhuǎn)向技術(shù)存在眾多相似之處，這是因為相變換熱技術(shù)由熱管轉(zhuǎn)向技術(shù)中發(fā)展而來。但是，相變換熱技術(shù)具有獨特的相變特性。針對燃煤發(fā)電廠中鍋爐尾部排放的煙氣狀況，改良管壁溫度控制方式，以有效遏制低溫腐蝕的出現(xiàn)。熱管換熱器的結(jié)構(gòu)采用一體化設(shè)計，可以將溫度梯度保持在較窄的范圍內(nèi)，同時依據(jù)實際需求，調(diào)整相變過程中水的參數(shù)，從而實現(xiàn)壁溫的精細(xì)化管理[3]。

在箱式熱交換器的實際運用中，配備的汽水分離系統(tǒng)位于兩端，與立式管狀熱交換器相比，蒸發(fā)區(qū)通常設(shè)于下方。其目的是充分吸收燃煤電站鍋爐排放的尾部廢氣的余熱，使其內(nèi)部發(fā)生相變。蒸汽在管道內(nèi)上升，最終抵達(dá)汽水分離系統(tǒng)進(jìn)行凝結(jié)，實現(xiàn)了熱量吸收與釋放的周期性轉(zhuǎn)換。因此，應(yīng)用相變熱交換技術(shù)，可以大幅提升燃煤發(fā)電站鍋爐尾部廢氣的余熱回收效率，具有較高的經(jīng)濟(jì)及環(huán)保效益。

變換熱交換器構(gòu)造較為繁雜，其在鍋爐后端能顯著降低排煙溫度，增強(qiáng)余熱回收效率，從而降低能源使用量，實現(xiàn)較為理想的經(jīng)濟(jì)收益。該設(shè)備可根據(jù)實際操作需求靈活調(diào)整水流量，更精細(xì)地控制壁面溫度，有效降低低溫導(dǎo)致的腐蝕現(xiàn)象及其帶來的不良后果。同時，該設(shè)備通過巧妙構(gòu)造，將獨立部件融合為一個聯(lián)動系統(tǒng)，提升了結(jié)構(gòu)的緊湊性。

2.3 凝結(jié)水加熱

在火力發(fā)電站的鍋爐尾部余熱回收技術(shù)中，凝結(jié)水加熱法的應(yīng)用較為普及。凝結(jié)水加熱操作流程簡便，能在短期內(nèi)實現(xiàn)顯著效益，有效優(yōu)化了鍋爐尾部煙氣排放的能耗狀況。在凝結(jié)水加熱過程中，顯著提高能源轉(zhuǎn)換效率，確保了熱能向凝結(jié)水的有效轉(zhuǎn)換，為后續(xù)作業(yè)創(chuàng)造了便捷條件。在加熱過程中，通過除氧器向系統(tǒng)中補充水，能夠降低補充水的溫度，但補充水吸收過程耗時較長。在補充水吸收環(huán)節(jié)，溫度與壓力的相互作用可能會干擾除氧器的運行，因此必須確保補充水溫度處于可控區(qū)間內(nèi)，以便利用鍋爐尾部的煙氣余熱對補充水進(jìn)行加熱，提高整體利用效率[4]。

2.4 干燥褐煤預(yù)熱

干褐煤作為一種熱值偏低的煤炭資源，水分含量較高，最高可達(dá)65%，因此不能完全燃燒。目前，在眾多火力發(fā)電站鍋爐運行過程中，正逐步提高對干褐煤炭的使用頻率，因此必須借助鍋爐排放的廢氣余熱對干褐煤實施干燥處理，進(jìn)一步增強(qiáng)發(fā)電效能。在一個設(shè)有一定傾斜度的固定圓柱體內(nèi)進(jìn)行干燥作業(yè)，圓柱體內(nèi)鋪設(shè)待干燥的物質(zhì)，目的是讓物質(zhì)與熱廢氣充分混合。待物質(zhì)完全干燥之后，還需搜集圓柱體底部的物質(zhì)，有助于減少排放廢氣的溫度，避免出現(xiàn)安全風(fēng)險。

2.5 一次風(fēng)和二次風(fēng)的預(yù)熱

在火力發(fā)電站的鍋爐尾部煙氣余熱的回收技術(shù)中，一次風(fēng)與二次風(fēng)的預(yù)熱處理是普遍采用的方法。該技術(shù)核心在于，針對實際生產(chǎn)要求，將進(jìn)入鍋爐的空氣溫度調(diào)整至最佳區(qū)間，以提高鍋爐運行效率。在預(yù)熱一次風(fēng)與二次風(fēng)時，借助傳熱介質(zhì)，有效地降低入口煙氣溫度，常用的傳熱介質(zhì)為除鹽水。進(jìn)一步降低進(jìn)風(fēng)溫度，使除鹽水能夠吸收多余熱量，并對一次風(fēng)與二次風(fēng)實施逐步加熱。該方式可以減少輔助蒸汽的消耗，并將節(jié)省下來的蒸汽用于發(fā)電，不僅降低了能源消耗，還提高了發(fā)電效率[5]。

3 實際應(yīng)用案例分析

某火力發(fā)電廠鍋爐參數(shù)配置詳情如下：燃料類型選用的是煤；機(jī)組的設(shè)計功率達(dá)1 200 MW，即2臺機(jī)組各600 MW；爐膛排煙溫度控制在375 ℃，而煙氣排放流量維持在915 kg/s；進(jìn)入引風(fēng)機(jī)的煙氣溫度約為105 ℃。工程團(tuán)隊為廢舊熱交換器制定了詳細(xì)的優(yōu)化改進(jìn)計劃。該計劃將熱能回收技術(shù)劃分為一級系統(tǒng)（見圖1）和二級系統(tǒng)（見圖2）。

一級系統(tǒng)主要通過抽取排氣進(jìn)行凝結(jié)水的預(yù)熱，試驗數(shù)據(jù)表明，該方法能夠回收約35 MW的排氣余熱。在保證進(jìn)口排氣溫度與旁路排氣、出口排氣溫度與次級系統(tǒng)出口排氣溫度的比例穩(wěn)定的情況下，鍋爐的熱效率有較大提升，在93%～94%。二級系統(tǒng)則采用對脫鹽水進(jìn)行利用的策略，通過預(yù)熱一次風(fēng)與二次風(fēng)，實現(xiàn)預(yù)熱器壁面溫度和空氣溫度的同步提高，有效緩解低溫腐蝕問題，并將鍋爐排放的熱損失控制在合理范圍內(nèi)。

經(jīng)過實際驗證，安裝換熱器后，煤炭與水資源的消耗均有所下降，煤炭消耗約降低2 g/（kW·h），而水資源消耗約減少35 t/h，完成了該火力發(fā)電廠制定的凈效率目標(biāo)。

4 結(jié)論

提高能源利用效率、優(yōu)化資源使用成為現(xiàn)階段社會進(jìn)步的關(guān)鍵議題。因此，以火力發(fā)電廠的進(jìn)展為視角，有效回收鍋爐排放的煙氣余熱，不僅能帶來顯著的經(jīng)濟(jì)收益，還能與社會發(fā)展的節(jié)奏保持一致。另外，在應(yīng)用火力發(fā)電廠鍋爐后部煙氣余熱回收技術(shù)時，避免盲目操作，應(yīng)根據(jù)實際情況，制定相應(yīng)的方案，強(qiáng)化資源整合，以助力經(jīng)濟(jì)效益的提升。

參考文獻(xiàn)

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5 袁新立，靳志鵬.火力發(fā)電廠鍋爐尾部煙氣余熱利用技術(shù)探析[J].電力設(shè)備管理，2024（10）：255-257.

收稿日期：2024-12-12

作者簡介：韓志永（1982—），男，河北保定人，高級工程師。研究方向：火電廠脫硫脫硝環(huán)保島尾部煙氣處理、電廠節(jié)能環(huán)保余熱利用。