淺析工業企業鍋爐煙氣余熱利用的高效循環系統

尹星 尹蕊 巴迪龍

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

淺析工業企業鍋爐煙氣余熱利用的高效循環系統

尹星 尹蕊 巴迪龍

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

按照能級理論，工業供熱或純凝機組，都可以看作由若干個能級組成的子系統，這里根據能級和系統工程原理，提出了一種深度利用煙氣余熱和減少回熱抽汽做功損失，實現排煙溫度穩恒控制的高效系統，以供同行參考。

排煙溫度；煙氣余熱回收；低溫余熱發電

1 背景技術

國內工業鍋爐排煙溫度大都在120～150℃。對于排煙溫度為120～150℃的鍋爐，傳統的理念認為已經滿足各項指標要求了，繼續降低排煙溫度，就可能出現腐蝕等不可控因素。而濕法脫硫的最佳工作溫度為80～90℃。從120～130℃的煙氣溫度降低到80～90℃，其中蘊含著大量的熱量。濕法脫硫系統中取消了GGH系統后，提高增加了進入脫硫系統的煙氣溫度，這將降低脫硫效率。煙氣溫度處于80～90℃為最佳的脫硫溫度區間。為了滿足這個要求，就要采用脫硫系統前噴水減溫或增加脫硫工藝水量。若采取脫硫系統前噴水減溫，把煙溫降低到80～90℃，需要大量的減溫水，同時加重了脫硫系統的負擔，也浪費了煙氣所蘊含的巨大熱量。

傳統理論和固有的技術經濟分析認為：工業鍋爐的排煙溫度在120～140℃內較好，很少采用低于120℃的排煙溫度。但是當前在價格成本和環保脫硫等要求方面發生了巨大的差異變化，燃料價格高漲，從經濟成本方面考慮，進一步降低排煙溫度成為目前工業鍋爐節能減排技術發展的必然趨勢。針對上述情況，有必要重新審視傳統的工業鍋爐排煙溫度范圍的相關結論，通過技術經濟分析，提出適合于當前情況新的工業鍋爐排煙溫度選擇范圍。

低溫省煤器這一提高煙氣余熱利用效率的設備陸續引起了各行業的廣泛關注。

2 國內外低溫省煤器應用概況

2.1 國外煙氣余熱利用技術現狀

在國外低溫省煤器較早就得到了應用。最初，前蘇聯為了減少排煙損失在改裝鍋爐機組時，在鍋爐對流豎井的下部裝設低溫省煤器，供加熱熱網水之用[1]。

2.1.1 西方國家煙氣余熱回收技術和工程應用

1）回收煙氣余熱，加熱凝結水

低溫省煤器煙氣布置在電除塵器和脫硫塔之間的煙道上，煙氣流過低溫省煤器，煙氣溫度從160℃降低到120℃后進入脫硫塔；水布置在汽輪機低壓抽汽回熱系統，加熱凝結水。由低溫省煤器設計參數可知，煙氣溫度降低了47℃，部分凝結水溫度提高了42℃，低溫省煤器在設計負荷工況的最低傳熱管金屬壁溫高于86℃。布置位置和系統流程如圖1所示。

圖1 低溫省煤器系統計置圖

2）回收煙氣余熱加熱鍋爐進風

低溫省煤器煙氣布置在電除塵器和脫硫塔之間的煙道上，煙氣流過低溫省煤器，煙氣溫度從140℃降低到80℃后進入脫硫塔；循環水冷端進入低溫省煤器，熱端進入鍋爐暖風器，將鍋爐進風溫度由26℃提高到66℃。

旁路高溫省煤器和低溫省煤器組合(加熱高壓與低壓給水)

在空氣預熱器旁路煙道系統內設置高溫省煤器，加熱汽輪機高、低壓抽汽回熱系統的凝結水。在電除塵器和脫硫塔之間的煙道上布置低溫省煤器，煙氣流過低溫省煤器，煙氣溫度從150℃降低到90℃后進入脫硫塔。閉式循環水冷端進入低溫省煤器，熱端進入鍋爐暖風器，將鍋爐進風溫度由23℃提高到120℃。

2.1.2 東亞國家煙氣余熱回收技術和工程應用

由于煙氣排放的要求比較高，所以一般都安裝有GGH。煙氣放熱段的GGH布置在電除塵器上游，煙氣被循環水冷卻后進入低溫除塵器(煙氣溫度在85～95℃)。煙氣加熱段的GGH布置在煙囪入口，由循環水加熱煙氣。脫硫后的干凈煙氣被加熱到78℃以上再排向大氣。

2.2 國內煙氣余熱利用技術

國內工業企業雖早已有低溫省煤器的應用，但早期低溫省煤器應用的主要目的是降低鍋爐排煙溫度。由于種種原因，技術改造后的鍋爐排煙溫度仍然高于設計排煙溫度。

近年來，國內低溫省煤器技術研發、設計、制造也逐漸發展起來,能初步滿足工企鍋爐的實施應用。以四川省某工程為例，該工程通過在脫硫吸收塔前加裝煙氣冷卻器，利用鍋爐排煙余熱加熱從2號低加熱器進口引出部分或者全部凝結水，凝結水從78.8℃升溫至101.5℃，然后在2號低壓加熱器的出口與剩下的凝結水匯集后進入3號低加熱器，從而減少了回熱系統對低壓缸的抽汽，在機組運行條件不變的情況下有更多的蒸汽進入低壓缸做功，達到了充分利用鍋爐的排煙余熱的目的。由于進入吸收塔的煙氣溫度設計值從124℃降低到84℃，實際運行中從137℃降低到了92℃，從而大大減少了吸收塔工業冷卻水耗用量[2]。該廠的低溫省煤器的運行參數見表1，系統設置方案見圖1。

表1 某企業鍋爐系統低溫省煤器運行參數

3 工業企業鍋爐煙氣余熱利用系統的組成

通過對國內外工業鍋爐煙氣余熱利用系統的分析研究，對于我國燃用煙煤的大容量工業機組而言，可采用的低溫省煤器設置方案主要有四種布置方式：一是布置在空預器后、除塵器前；二是布置在除塵器后、引風機前；三是布置在引風機后、脫硫裝置前；四是分段布置，第一級低溫省煤器布置在空預器后、除塵器前，第二級低溫省煤器布置在引風機后、脫硫裝置前。

工業企業鍋爐煙氣余熱利用系統的五個部分構成為：煙氣深度冷卻系統、空氣加熱前置預熱器系統、旁路高壓給水系統、凝結水系統和性能優化及控制系統。

4 水泥廠中低溫純余熱發電的高效循環系統

在水泥廠，中低溫純余熱發電系統一般設置兩臺余熱鍋爐，一臺為窯尾鍋爐，通常稱SP爐；一臺為窯頭鍋爐，通常稱AQC鍋爐。SP鍋爐設置在最后一級預熱器和窯尾主排風機之間。廢氣溫度一般在300～400℃，含塵量高、一般標準為50～80 g/m3,廢氣的負壓較大。

AQC鍋爐設置的主要考慮因素為冷卻機排出的高溫廢氣,其含塵量標準狀況下為10～20 g/m3,腐蝕性大。高溫廢氣經AQC鍋爐熱交換和后，其溫度只需保證在不結露和節點溫差合理的前提下盡可能降低。因此為加大熱能利用率，AQC鍋爐設置為雙壓余熱高效循環系統，分設高、低壓省煤器。高壓省煤器加熱后的熱水同時作為窯尾蒸發器和窯頭高壓蒸發器的給水。窯頭低壓省煤器加熱后的熱水供窯頭低壓蒸發器使用，窯尾鍋爐及窯頭鍋爐高壓過熱器同時生產一種壓力的過熱蒸汽，混合后進入汽輪機入口段。汽輪機的排氣經凝汽器凝結成水由凝結水泵輸送到除氧器，除氧后一部分水由高壓給水泵加壓送回窯頭鍋爐的高壓省煤器重新循環，另一部分水由低壓給水泵加壓送回窯頭鍋爐的低壓省煤器重新循環[3]。

5 經濟性分析

5.1 主要經濟技術指標

以某2×4 000 tpd水泥熟料生產線配套2×7.5 MW水泥余熱發電高效循環系統工程為例進行經濟性分析，該配套余熱發電工程窯尾AQC鍋爐使用雙壓余熱高效循環系統，主要經濟指標見表2。

表2 某水泥企業余熱高效循環系統

5.2 投資概算

該2x7.5 MW水泥余熱發電工程投資概算如下：

工程靜態投資7 792.17萬元，建筑工程費203.19萬元，設備購置費5 519.97萬元，安裝工程費999.67萬元，其他費用1 069.34萬元。

6 結論

工業企業高效循環系統可以實現鍋爐排煙溫度自動控制,提高機組安全經濟性和運行靈活性，對2×4 000 tpd水泥熟料生產線的煙氣余熱利用方案進行理論和計算分析，每千瓦時電成本約0.08元，在不增加水泥燒成熱耗的情況下，每噸熟料可增加25～40 kWh的電力，因此可節約大量電力費用，降低水泥產品成本，提高企業的經濟效益。

排煙溫度是關系到鍋爐經濟性和安全性的復雜問題，隨著能源價格和環保要求的不斷提高，應把工業鍋爐的排煙溫度降低到經濟合理的水平。

針對水泥廠的余熱發電項目,發電規模越大，單位發電量投資越低，反之越高。當然還需結合當地的上網電價，將投資回收控制在3～5年以內，反之投資風險加大，需慎重考慮。

[1]白炎武,劉全山,王冠文,等.一種具有高效循環系統的煤粉鍋爐電站分析[C].中國動力工程學會600/1 000 MW超超臨界機組技術交流2010年會,2010.

[2]潘炯.水泥廠中低溫純余熱發電技術及其應用[C].全國新型干法水泥生產技術交流會,2003：38-41.

[3]GB 50049-94,小型火力發電廠設計規范[S].