火力发电厂锅炉尾部烟气余热利用技术

时间：2024-05-17

王代刚（四川川润股份有限公司，四川　成都　611743）

火力发电厂锅炉尾部烟气余热利用技术

王代刚
（四川川润股份有限公司，四川成都611743）

摘要：进入“十三五”之后，我国对“高效用能”提出了更高的要求，火力发电厂作为我国电力来源的重要支柱，其能源消耗量同样是巨大的，所以提高电厂效率、降低能源消耗量将是大势所趋。烟气余热利用技术作为重要的节能手段之一，在近几年受到了国内外研究团队的重视。本文在分析电厂机组效率的基础上，对我国目前烟气余热利用技术存在的一些问题进行了讨论，并尝试提出了几条解决方案，以期进一步推动我国烟气余热利用技术的发展。

关键词：烟气余热利用；火电机组；因素分析；利用方案

0. 引言

随着我国逐渐跨入“十三五”规划，对于能源需求量的提高是大势所趋，在火力发电依然作为电力主要来源支柱的大背景下，“高效用能”成为国内外研究的热点内容，而烟气余热利用技术就是“高效用能”的主要手段之一。“梯级用能”是烟气利用技术遵守的主要原则，顾名思义就是：从热力学出发，分析能源品质，达到对烟气中不同品位能源的充分利用。烟气余热利用技术在近几年的发展过程中虽然取得了一定的成效，但是在实际应用当中，还存在着一些有待解决的现实问题。本文旨在分析烟气余热利用技术中存在的一些问题，并结合已有的一些方法手段，提出几种可行的解决方案。

1. 烟气余热利用与锅炉效率

烟气离开锅炉机组，即离开最后一个受热面时，温度还处在150℃左后，排烟温度是相当高的，这部分热量被排入大气，造成排烟热损失。之所以要深刻研究排烟热损失，主要是由于排烟热损失在整个电厂热损之当中所占比例是最大的一项，大约占到整个损失的1/10。通过分析相关文献给出的排烟热损失经验公式，我们可以看出：排烟温度与排烟热损失成正相关关系，即排烟热损失随着排烟温度的升高而增大，所以烟气余热利用率的提高是十分重要的。增大烟气余热利用，降低烟气热损失，是提高电厂机组运行效率的重要举措。

但是，虽然降低排烟温度可以有效提高能源利用率，但是从传热学的角度来看，在烟道末级传热温差的减少必然导致热交换效率的降低，这就要求对烟道和传热面积进行硬件扩大。从经济性的角度来看，这不仅会加大电厂初期的建设成本和后期的维修成本，而且对于电厂炉体扩大而引起的其他问题都是不利的。因此，目前的火电机组采用的是均衡两者效益的基础上调整排烟温度，主要采用130℃左右的烟气温度，以此数值下的烟气温度可以有效提高电厂效益。

2. 制约锅炉余热利用的因素分析

（1）排烟温度受到相关设备的制约

排烟温度通过能量品位的不同主要分为高温、中温、低温3种。对于前两者来说，能量品位较高，通常处理的办法是采用余热锅炉回收高温、中温烟气中的能量，并最后通过汽轮机发电来转化为电能。这部分能量由于处在较高能级，处理方法也较为简单。对于低位能级，采用的手段则较为有限，通常以省煤器、脱硫系统等为主。省煤器布置在锅炉尾部竖井中烟气温度相对较低的区段，它在锅炉中的主要作用如下：

①省煤器吸收尾部竖井中烟气的热量，降低锅炉的排烟温度，提高了锅炉热效率，节省了燃料。

②由于给水在进入水冷壁之前，首先在省煤器中被加热，减少了水在水冷壁中预热所需热量，也就是说，减少了热水段长度。相当于用管径小、管壁薄、价格较低的省煤器受热面，代替部分造价较高的水冷壁受热面，可节省初期投资。

③省煤器的采用，提高了进入汽包的水温，减少了汽包壁与给水之间的温度差，从而使汽包热应力降低，提高了机组的安全性。

省煤器虽然在低温烟气余热回收当中扮演着很重要的角色，但是，对烟气流速提出了很高要求。烟气流速直接影响着整个烟气换热的效果：若烟气流速过快，在单位流程中无法达到换热效果；若烟气流速过慢，虽然可以通过提高烟气在烟道中的滞留时间，提高换热效率，但是烟气中携带的大量粉煤颗粒会以结焦的方式在烟道中沉积、结块，长时间还会破坏换热面。

对于脱硫设备来说也存在类似的情况，由于脱硫设备的材料特殊性，对烟气温度提出了严格的要求。若烟气温度过高会使得进烟口的防腐材料出现一定程度的疲劳和变形，甚至发生整体脱落失效；若烟气温度过低，则不利于脱硫反应的进行。对于这种情况，通常的做法是加装低温省煤器，从而使整个脱硫系统的脱硫效果保持最佳状态。

（2）低温腐蚀的严重性

低温腐蚀往往发生在烟道尾部，这部分属于低温烟气。燃料中的硫元素燃烧之后形成了SO2，在烟气由炉膛进一步流向烟道的过程中SO2进一步氧化为SO3，SO3与空气中的水蒸气进一步结合就会以硫酸蒸汽的形式存在。而烟气中的酸露点与SO3的含量是成正相关关系，即露点温度随着SO3的含量逐渐升高。它比水露点要高很多，酸露点可达到150℃左右。硫酸蒸汽凝结在壁面会对金属壁面造成较为严重的腐蚀。

低温腐蚀的发生对于余热利用是非常不利的，通常表现为以下几点：

第一，空气预热器会因为腐蚀穿透而造成空气与烟气的相互混合，严重时还会引起炉内燃烧不完全的结果。

第二，对于蓄热元件和相关的传热过程也会造成严重影响。

第三，低温腐蚀会在壁面造成恶化结焦的现象，从而影响烟道的流通面积，堵灰的情况屡见不鲜。

3. 常见的锅炉尾部烟气余热利用方案

（1）方案一：热管换热器

第一种设计方案是采用热管换热器，顾名思义其主体是由管体组成。热管是一种极其高效的传热原件，在现代的火电厂中应用极为广泛，其内部主要依靠的是工质的循环来实现热量传递，在使用过程中，热管以其良好的导热性能等优势起到了很好的节能效果。其具体的工作原理是：当热源向吸热段提供热量时，存在于管体内部的低沸点液体吸热汽化，这部分汽化后的工质由于压力的作用，顺着管体内部流至放热段，工质释放热量冷凝为液体，在这个流程中毛细液芯起到节流阀的作用。整个循环是高品位能量向低品位能量流动的过程，符合热力学第一和第二定律。

这种方案的优越性有以下5点：

第一，工作性质良好。采用热管换热器可以有效地使得工作管体具有良好的导热性和各项同性。

第二，降低低温腐蚀的损害。由于热管换热器可以有效地控制壁温，所以可以通过增加壁面温度、规避酸露点来解决低温腐蚀。

第三，装置工作原理简单，设备轻便易装配、操作。

第四，热管换热器在传热过程中传热方向具有可逆性，这主要取决于两端的受热状况，对有吸液芯的热管水平放置或处于零重力场下，任何一端受热将成为蒸发段，另一端则成为凝结段，热管内传热方向可以逆转。

第五，热管换热器在传热过程中热流密度具有可调性，热管可以在很大范围内调整加热段与放热段的热流密度，在工程实际当中，热管可以轻易地操控热流走向，即热管可以把分散的热流加以集中，也可把集中的热流加以分散。

（2）方案二：相变换热器

第二种设计方案是采用相变换热器，其发展的基础是热管换热器。相比前者，相变换热器最具特点的一部分是出现“相变”的概念，进一步细化壁面温度的控制机理，从理论上达到控制低温腐蚀。所谓相变模块，其实是热管换热器的整体化设计，确保温度梯度在很小的范围内，并集合相变时水量参数的调节，来达到对壁面温度的精准控制。其工作原理是：汽水分离装置的两端连接着上、下管式换热器，蒸发段位于下端，其吸收锅炉尾部的烟气余热后使得内部介质处于相变态，蒸汽沿着管内上升进入汽水分离装置，蒸汽进一步上升到上部的冷凝段，从而使得介质蒸汽由气态变为液态从而沿着管壁流入汽水分离装置，由此作为循环进行吸热、放热。在这种相变换热器的循环过程中，循环介质量和介质所处工况常常作为调节量来使用，从而达到对壁温的更精确控制。

其优点主要有以下4点：

第一，余热回收的适应性更强。由于其构造特性，能够有效地降低排烟温度，提高余热回收效率，节省能源消耗，从而提高经济效益。

第二，更加精准地规避低温腐蚀。由于水量控制参数，对于壁面温度的控制也更加精准，所以利用相变换热器可以有效降低低温腐蚀带来的危害。

第三，相变换热器将原热管换热器中相互独立的部分，通过优化设计构造成一个相互关联的整体，在结构上更加整洁，一体化程度更高。

第四，材料耐用性提高。相变换热器不仅继承了热管换热器的优良特性，还能在此基础上有效处理不凝结气体的危害，从而进一步提高材料的耐用性。