國內煙氣余熱利用技術的新進展

王 磊，童家麟，呂洪坤，李 劍

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

目前，我國大容量、高效燃煤電站機組效率大約為45%，其余熱能未經使用便排放到周圍環境中，這些熱能損失以鍋爐排煙熱損失、主凝汽器冷源損失和輔機循環水熱損失3部分為主。以往國內學者將回收熱損失的重點放在主凝汽器冷源和輔機循環水的熱損失利用上[1-4]，鍋爐排煙熱損失由于煙氣比熱低、流速快和成分復雜且易對受熱面造成腐蝕等缺點[5]，這部分熱量難以被利用，國內許多發電廠由于運行調整、煤種變更等原因，導致鍋爐排煙溫度常高于設計值20～50℃。據統計，排煙溫度每上升10～15℃，鍋爐效率就下降1%[6]，而有效降低排煙溫度正是節能減排、降低煤耗的工作新方向。

燃煤鍋爐通常采用增加換熱量的方式來降低排煙溫度，如加強爐膛受熱面吹灰、增加省煤器受熱面和增加空預器受熱面等[7-8]，取得了良好的效果。近年來，隨著世界各國對節能減排要求的日益提高，一些新的排煙余熱利用手段在歐洲國家不斷涌現，歸納起來有煙氣余熱干燥燃煤、尾部煙道增設低溫省煤器、熱泵回收煙氣余熱技術等[9]，實現排煙余熱的梯級利用，如德國的Niederaussem發電廠鍋爐效率達到了94.4%，回收排煙余熱80 MJ/s的熱量后，排煙溫度下降到了100℃，這種余熱綜合利用技術值得學習。

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對此，以下介紹了國內發電廠低品質余熱回收新技術，如褐煤干燥技術、尾部煙道增設低溫省煤器、熱泵回收高品質熱量技術，并對余熱利用技術的前景作了展望。

1 煙氣余熱干燥褐煤技術

在鍋爐尾部煙道增設低溫省煤器以回收煙氣余熱是近年來國內為提高熱力系統效率而改造的一個新方向。國外低溫省煤器的應用較早：德國Schwarze Pumpe發電廠2×800 MW褐煤發電機組在靜電除塵器和煙氣脫硫塔之間加裝煙氣冷卻器，利用煙氣余熱加熱凝結水；德國Niederaussem發電廠1 000 MW機組在空氣預熱器旁路增設低溫省煤器用來對鍋爐給水加熱；日本Tomato-Atsuma發電廠700 MW機組將低溫省煤器布置在空氣預熱器和低溫靜電除塵器之間，可降低排煙溫度至約90℃[15]，文獻[16]認為排煙溫度相差10℃，發電煤耗相差約2 g/kWh，Tomato-Atsuma發電廠的經濟性提升非常明顯。

可見，水平移動床褐煤干燥技術的推廣對燃煤鍋爐燃用褐煤的意義重大，褐煤干燥后，鍋爐的煙風量下降的同時排煙損失減小，鍋爐效率上升。表1為燃用干燥前后的褐煤，某亞臨界600 MW鍋爐熱力計算的結果。由表1可知，燃用干燥后褐煤的鍋爐較燃用干燥前的鍋爐熱效率上升約1%，效果明顯。這項技術的應用推廣，對提高大型褐煤鍋爐的經濟性有著重要的實際意義。

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針對干燥技術在大型化、實踐性上存在的不足，清華大學研發了水平移動床褐煤干燥技術，中試裝置示意如圖1所示。褐煤的運動方向與干燥介質的運動方向垂直，干燥介質為發電廠低溫煙氣，根據清華大學的研究成果，當風煤比為11.28時，已經可以干燥褐煤中的大部分水分。以1臺亞臨界600 MW機組鍋爐為例，利用低溫煙氣干燥得到的褐煤量可提供本鍋爐每天63%的用煤量。

留守兒童教育也需要學校和社會的努力。許多農村學校由于資金不足等因素的制約，教育質量普遍偏低。此外，社會本身是一個熟人社會，不乏可以幫助留守兒童的機構、個人，但是社會各階層并沒有太多作為，留守兒童得不到來自社會的幫助［3］。

廣開投訴舉報渠道，突出查辦案件，形成震懾違法犯罪執法權威。充分運用信息化手段拓寬投訴舉報渠道，在全國率先對匿名舉報、企業內部人舉報和媒體舉報作出獎勵規定，社會監督作用充分顯現。總隊自成立以來，始終以嚴懲重處，打擊違法犯罪，維護公眾飲食用藥安全為己任，緊緊抓住重點品種、重點環節，先后查辦了平遙假冒牛肉系列案、太原非法配制醫療機構制劑系列案、朔州不合格乳品案等典型案件。特別是2015年聯合公安機關一舉破獲“9·07”特大制售假冒名牌白酒案，貨值金額超過億元，成為山西省歷史上查獲的貨值金額最大的假冒名牌白酒案，受到公安部、國家總局的通報表揚和主流媒體的廣泛報道。

圖1 水平移動床褐煤干燥技術中試裝置

我國褐煤儲存量不高，占煤炭總儲存量的13%[10]，目前褐煤利用的主要途徑也是通過坑口發電廠發電，再輸送電力至需要的地區。國產首臺600 MW亞臨界褐煤鍋爐和660 MW超臨界塔式褐煤鍋爐分別于1998年和2009年在內蒙古赤峰和吉林9臺投入運行，開創了國產高參數大容量褐煤發電機組的先例[11]。我國大型褐煤發電機組容量占全國大型發電機組容量的3%，遠低于褐煤在煤炭中所占的比例[12]，原因是與常規煙煤鍋爐相比，褐煤鍋爐爐內煙氣量較大，排煙溫度較高，如德國的一些燃用褐煤的鍋爐，排煙溫度達到了170℃左右[13]，因而鍋爐排煙熱損失較高，鍋爐效率較煙煤鍋爐低約2%；另外，煤產區水資源的匱乏也是限制褐煤發電機組發電的又一因素。隨著優質煙煤儲量比例的不斷下降，將褐煤進行干燥脫除一部分水分后得以高效利用，對我國電力工業可持續發展具有重要意義。

表1 某鍋爐燃用干燥前后褐煤的熱力計算結果

2 低溫省煤器回收煙氣余熱技術

褐煤具有水分高、揮發分高、發熱量低和易自燃等特點，不易儲存，也不易遠距離運輸，限制了其使用范圍。全世界褐煤約占煤炭儲存的40%，目前褐煤利用的主要途徑是通過坑口發電廠發電，再輸送電力至需要的地區。發達國家對褐煤利用起步較早，德國從20世紀末開始實施BOA（超超臨界機組燃用褐煤）計劃，在2004年投產的Niederaussem發電廠1 000 MW機組，成為目前世界最先進的燃用褐煤的超超臨界機組。

（3）凝結水系統阻力增大，凝結水泵電耗增加。

圖2 低溫省煤器的原則性熱力系統

圖3為某660 MW機組在100%THA（熱耗率驗收工況），75%THA，50%THA 3個工況下低溫省煤器對機組發電效率和煤耗的影響。由圖3可知，3個負荷下，低溫省煤器均可降低機組發電煤耗，在低負荷下效果尤為顯著，原因是，在實際運行中，為保證鍋爐在低負荷下充分燃盡煤粉，其送風量往往大于實際所需的送風量，故在低負荷下，低溫省煤器回收煙氣余熱產生的節能效果更為顯著。

采用SPSS 21.0統計學軟件進行數據分析；計量資料采用（±s）表示，組間比較采用t檢驗；計數資料用[n（%）]表示，比較采用 χ2檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

圖3 不同工況下低溫省煤器對發電效率和煤耗的影響

低溫省煤器的另一優勢是可以降低靜電除塵器的進口煙溫，以提高靜電除塵器效率[18-19]。圖4為增設低溫省煤器后，引風機工況點與同類型增設GGH（氣氣換熱器）鍋爐的引風機工況點比較。由圖4可知，增設低溫省煤器的引風機功率較增設GGH的引風機功率降低約1 200 kW。另一方面，由于低溫省煤器加裝在引風機前，進入引風機的煙溫有所降低，故煙氣量減少，風機工況點較增設GGH向左下方運動，更遠離風機理論失速線，減小了脫硫系統停運的風險，社會效益也大為增強[20]。

圖4 增設低溫省煤器的引風機工況點與增設GGH的引風機工況點比較

但是，低溫省煤器在實際運行中，也存在若干隱患，主要表現在：

（1）低溫省煤器通常布置在靜電除塵器前，飛灰對處于高塵區工作的受熱面管壁磨損不容忽視。

（2）煙氣溫度降低后，容易使得空氣預熱器等發生低溫腐蝕。

早期的褐煤干燥技術從原理上可分為蒸發干燥技術（回轉管式和流化床干燥技術）、非蒸發干燥技術（水熱干燥技術）[14]。在實際應用中，這兩種技術都由于其自身存在缺陷，應用受到了諸多限制：回轉管式干燥技術受制于回轉窯直徑，不利于煙氣余熱回收；流化床干燥技術受制于其內部阻力和內部構件，無法滿足褐煤的大規模處理需要；水熱干燥技術的高溫高壓條件，使得廢水中的有機物和無機物含量非常高，造成廢水處理困難。

國內應用低溫省煤器起步較晚，但近年來應用廣泛：山東某發電廠2臺WGZ410/100-10型燃煤鍋爐，由于燃用煤種含硫量較高，且鍋爐尾部受熱面積灰、腐蝕嚴重，鍋爐排煙溫度高達170℃，加裝低溫省煤器后，降低排煙溫度達28℃；北京某發電廠300 MW機組，采用低溫省煤器加熱供熱回水，已經投運5年，經濟性顯著。圖2為某HG-1968/29.3-YM7型燃煤鍋爐增設低溫省煤器的原則性熱力系統圖，其入口凝結水取自7號低壓加熱器出口，經低溫省煤器加熱后，引入6號低壓加熱器入口，利用級間壓降克服低溫省煤器本體及其連接管路的流阻，不必增設水泵，提高了運行可靠性，同時設置了再循環回路和功能旁路，實現了排煙余熱的梯級利用[16-17]。在實際運行中，為保證不發生低溫腐蝕，在7號低壓加熱器出口水溫較低時，凝結水不進入低溫省煤器，直接進入6號低壓加熱器；當7號低壓加熱器出口水溫大于60℃，凝結水進入低溫省煤器以回收煙氣余熱，同時運行循環泵，使得進入低溫省煤器溫度大于72℃，高于煙氣的酸露點溫度，防止其酸腐蝕。

不過，通過實踐經驗的不斷總結，及時發現熱力系統存在的問題，把實踐經驗上升為操作規范，這些隱患是在可控范圍之內的。

3 熱泵回收煙氣余熱技術

熱泵是一種以消耗部分能量作為補償條件使熱量從低溫物體轉移到高溫物體的能量利用裝置，能夠把空氣、土壤、水中所含的不能直接利用的熱能轉換為可以利用的熱能[21]。歐盟在2009年就已通過《歐盟可再生能源指令》，并將空氣熱能納入可再生能源范圍；在2013年頒布《熱泵計入可再生能源導則》和《成員國可再生能源行動計劃》，確定了各成員國如何計算熱泵技術的可再生能源利用量和各國具體的可再生能源發展計劃。圖5為德國和芬蘭近年來的的熱泵銷售量。由圖可知，熱泵的銷售量基本處于逐年上升的狀態，但在2008年以后，銷量有所下降，這與全球經濟衰退有關。我國國務院《能源發展“十二五”規劃》也將地源熱泵作為“十二五”時期分布式能源發展的重點。可見，熱泵技術有著非常良好的應用前景。

圖5 近年來德國和芬蘭熱泵銷售量

電站鍋爐早期使用汽輪機抽汽驅動熱泵回收低品質熱量，如汽輪機排汽和輔機閉式循環水回水的余熱等，并取得了良好的效果，圖6為某超臨界NZK660-24.2/566/566型機組供熱系統改造后的局部熱力系統圖。實際運行結果表明，在高負荷下投入熱泵后，機組的經濟性得到很大的提高，較抽汽直接供熱，降低煤耗約2.1g/kWh，8～9年即可收回成本。

圖6 熱泵局部熱力系統

盡管汽輪機抽汽驅動熱泵有良好的經濟性，但仍存在采暖期機組發電量減少的問題。對此，一種用煙氣余熱驅動吸收式熱泵的新型余熱利用系統在某330 MW燃煤機組上得到了應用[22]，圖7為其結構示意圖。由圖7可知，該系統使用鍋爐煙氣作為驅動熱源驅動吸收式熱泵供熱，取代了傳統熱電廠抽汽直接供熱的方式，彌補了汽輪機抽汽用于供熱引起的機組發電量下降的缺陷，最大程度地增加了汽輪機輸出功率，提高發電效率；同時，降低了進入靜電除塵器的煙氣溫度，提高了除塵效率。近年來，隨著北方霧霾現象日益嚴重，北方大城市的環保要求不斷提高，以北京為例，燃氣鍋爐和燃氣輪機逐漸成為主要的集中供暖利用方式[23]。目前燃氣鍋爐的排煙溫度為200℃，而燃氣輪機的排煙溫度高達600℃，具有較大的干煙氣熱損失；天然氣的主要成分為CH4，因而燃燒排出的煙氣中有大量的水蒸氣[24]，煙氣中的水蒸氣冷凝潛熱也不容忽視。清華大學開發了超低能耗示范樓BCHP系統，該技術可以實現對燃氣煙氣冷凝熱的回收，其運行原理與圖7類似，煙氣從熱泵發生器出來后（約150℃）加熱熱網供水，使煙氣繼續冷凝以回收冷凝熱。

4 結語

對煙氣余熱進一步深入利用，是提高機組熱效率、降低煤耗的重要組成部分。以上對近年來較為新穎的煙氣余熱利用方式：褐煤干燥技術、尾部煙道增設低溫省煤器、熱泵回收煙氣余熱技術作了詳盡的分析。近年來，盡管余熱利用技術研究有了很大進展，但較國外先進水平仍有很大差距，如德國的Niederaussem發電廠K機組（燃用褐煤）采用了綜合余熱利用技術后，凈熱效率達到45.2%，這為我國在發展下一代的高效火電機組和對現有機組改造提供了先進思路。

從“BOA”計劃到“700℃”計劃，歐洲火電向更注重機組效率、節能和環保方向發展。國務院《能源發展“十二五”規劃》也提出：“十二五”時期，要加快能源生產和利用方式變革，強化節能優先戰略，全面提高能源開發轉化和利用效率，合理控制能源消費總量，構建安全、穩定、經濟、清潔的現代能源產業體系。這說明，世界各國的火電發展已經從單純地追求機組容量向容量和效率并舉的方向轉變，隨著煙氣余熱利用新技術的不斷誕生和成熟，這項技術必然會受到更為廣泛的關注。

圖7 煙氣余熱驅動吸收式熱泵的結構示意

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