燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收利用方式分析

夏珉

（中海石油舟山石化有限公司，浙江 舟山 316015）

1 燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收利用的常見方式分析

1.1 省煤器

在燃煤電站鍋爐中，低溫省煤器在汽輪機回熱系統中注入回收的煙氣余熱，以達到減少抽汽量、提高汽輪機運行效率的目的。低溫省煤器采用注入煙氣余熱的方式進行回收，所以不會對鍋爐內部傳熱量分配造成影響，在設計低溫省煤器時，只需要計算回熱系統的相關數據即可。在實際應用中，燃煤電站鍋爐可將低溫省煤器安裝在煙氣系統預熱器出口和除塵器上，將其并聯于熱力系統的低壓加熱器，能夠有效回收煙氣余熱，大幅度降低鍋爐煤耗量。此外，燃煤電站鍋爐組還可安裝高溫省煤器，以提高高溫省煤器排擠抽汽效果。高溫省煤器安裝在空氣預熱器前，利用高溫煙氣加熱鍋爐中的凝結水，先將煙氣溫度提高至360℃，再利用高溫煙氣對冷凝水進行加熱，提高抽汽效果，增加汽輪機做功。與低溫省煤器相比，利用高溫省煤器進行煙氣余熱回收可降低更多的煤耗量，一般是多降低2.0g/kW?h，同時還能夠保證汽輪機抽汽效率。所以，高溫省煤器的節能效益更好。鑄鐵式省煤器雖然具有耐腐蝕、使用壽命長等優點，但造價較高，且維修難度較大。而鋼管式省煤器的造價低，便于安裝，維修工作量小，但耐磨和耐腐性較差。

1.2 煙氣余熱加熱管網熱水

在供熱系統中，供水溫度在95℃左右，回水溫度在70℃左右，部分地區為提高供熱系統的供熱能力，將供熱水溫度設計為130℃。對于燃煤鍋爐的排煙系統而言，煙氣溫度均為100℃以上，這一溫度標準可滿足供熱管網的加熱需求。所以，在采暖期內，燃煤電站可引入煙氣余熱循環供熱系統，提高能源利用效率，將大部分煙氣余熱再次傳遞到熱網中，對供水進行加熱。煙氣余熱加熱管網熱水需配置煙氣回收器收集煙氣余熱，使煙氣從加熱裝置的下方進入，從上方流出，對加熱裝置進行加熱，同時保證加熱裝置的密閉性，減少熱水管道之間的連接，以免煙氣對熱水造成污染。煙氣余熱加熱管網熱水只適用于冬季采暖期的燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收，可提高煙氣余熱利用效率，但是進入非采暖期后就必須停止煙氣回收器的運行，從整體上看，不利于提高煙氣余熱的利用效率。

1.3 煙氣余熱預熱空氣

燃煤鍋爐的煙氣余熱可用于對空氣進行預熱，發揮暖風器的作用。燃煤電站可將暖風器設置在鍋爐的空氣預熱器上，實現對煙氣余熱的回收利用。但是，這種回收利用方式會降低鍋爐效率。暖風器會將煙氣熱量全部帶入鍋爐中，改變鍋爐原有的傳熱分布結構，導致鍋爐整體熱力值變化。據統計，當鍋爐暖風器溫度降低10℃時，鍋爐排煙的溫度只能降低2℃，這說明煙氣回收利用效率偏低，大部分熱量處于無效利用狀態。所以，在采用煙氣余熱預熱空氣回收技術時，必須從鍋爐的整體效率考慮暖風器的安裝位置，應將其安裝在空氣預熱器的最后一級受熱面上，并且還要計算受熱面的傳熱量，結合工質溫度變化，判斷煙氣余熱預熱空氣回收技術是否能夠滿足鍋爐效率的運行要求。當前，板式空氣預熱器可解決煙氣余熱預熱空氣中的問題，在板式空氣預熱器中，煙氣與空氣可通過板片直接換熱，完全隔離冷熱流體，解決預熱空氣的漏風問題。板式空氣預熱器可實現大型化、模塊化應用，具備傳熱效率高、能耗低、維修方便等優勢，可提高煙氣余熱預熱空氣的節能效果。

2 ORC 系統在燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收利用中的應用研究

通過上文分析可知，上述三種煙氣余熱回收利用方式各具優缺點，為了進一步提高燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收利用效率，并有效解決低溫腐蝕問題，可對ORC 系統進行運用。

2.1 ORC 系統簡介

ORC 是有機朗肯循環的簡稱，這是一種新型的余熱發電系統，該系統以低沸點的有機物作為工質進行朗肯循環，在蒸發器內對煙氣的余熱進行吸收，由此可以產生出蒸氣，這部分蒸氣具有一定的溫度和壓力，能夠帶動發動機發電。

2.2 ORC 系統的應用優勢

在燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收利用中，ORC 系統的應用優勢體現在如下幾個方面：一是系統對溫度較低的熱源具有較高的利用效率，能夠滿足電站燃煤鍋爐煙氣余熱回收利用的需要；二是有機物工質的聲速要低于水蒸氣，從而使系統在低葉片速度時，能獲得更加有利的空氣動力配合，可以產生較高的汽輪機效率，并且不需要安裝齒輪箱；三是有機物工質本身具有較高的冷凝壓力，系統在接近或是高于大氣壓力的條件下運行時，可以降低工質的漏失；四是系統的結構較為簡單，可就近布置，不需要對原本的系統進行較大的改動，只在尾部煙道內加裝一個換熱器即可。

2.3 ORC 系統的應用策略

（1）優選有機物工質。在燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收利用中，對ORC 系統進行應用時，有機物工質的選擇尤為重要。根據工質的性質可將其分為以下三類，即干工質、濕工質和等熵工質。在對工質進行優化選擇時，應當充分考慮各類工質在飽和蒸汽曲線中的斜率。干工質的分子量較大，比較常用的有R113 和笨等，濕工質的分子相對較小，常見的有水等，等熵工質中比較常用的是R134。其中等熵工質可使ORC 系統汽輪機的內效率達到最高，并且冷凝器所承受的熱負荷要明顯小于其它兩類工質。因此，可將等熵工質作為ORC 系統的首選工質。

（2）合理選擇系統類型：①回熱型。膨脹機出口的乏汽溫度較高，可設計回熱型系統收集乏汽中的余熱，提高余熱利用率?；拘拖到y與回熱型系統在凈輸出功率相同的情況下，回熱型系統蒸發器內的工質吸熱量相對更低，由此可知回熱型系統比基本型系統的熱效率更高。所以，在回收溫度較高的乏汽余熱時，應采用回熱型系統，減少乏汽的熱消耗量，提高系統熱效率。②抽汽回熱型。該系統可抽取出膨脹機內沒有完全做功的部分蒸汽，將蒸汽混合泵出口的工質，對工質進行余熱，以達到提高系統熱效率的目的。由于抽汽回熱型系統抽取的蒸汽是沒有完全做功的蒸汽，用于提高蒸發器入口工質的焓值，所以會大幅度降低系統的凈輸出功，提高熱效率。與回熱型系統相比，在相同的凈輸出功條件下，抽汽回熱型系統的熱效率相對更高，可減少余熱回收中的不可逆損失。③再熱型。該系統用于抽取有機蒸汽送入再熱器中加熱，加熱之后再將高溫度的蒸汽送入膨脹機做功。在抽取過程中，有機蒸汽為沒有完全膨脹的蒸汽。在基本系統與再熱型系統都使用低沸點有機工質的情況下，基本系統隨著再熱壓力的提升而減少吸熱量，與此同時，輸出功率和熱效率先呈現出上升狀態，之后又開始回落，使得基本型系統存在最佳再熱壓力。而對于再熱型系統而言，該系統與基本型系統的最大熱效率極為接近，但是該系統的凈輸出功卻明顯大于基本型系統。④二級系統。在回收溫降較大的燃氣輪機尾部的排煙時，若使用單級蒸發系統，則會帶來較大的不可逆損失，降低系統熱效率。為解決這一問題，可采用兩級蒸發系統對煙氣余熱進行聯合回收，即在高、低溫段分別使用高蒸發溫度系統和低蒸發溫度系統進行余熱回收，使蒸發系統與余熱溫度變化相匹配。兩級蒸發系統采用分流方式達到兩級蒸發目的，與兩級系統相比，其不僅適用于煙氣余熱溫度較高的回收條件，也適用于煙氣余熱溫度較低的回收條件，而兩級系統只適用于前者。

3 結語

綜上所述，燃煤電站鍋爐煙氣回收利用是一項非常重要的工作，回收利用效率的高低與經濟效益密切相關。省煤器、煙氣余熱加熱管網熱水及預熱空氣這三種方式各具優缺點，為進一步提高燃煤電站鍋爐煙氣回收利用效率，可對ORC 系統進行應用。在具體應用的過程中，要對有機物工質進行優選，并合理選擇系統類型，這樣才能使ORC 系統在煙氣余熱回收利用方面的作用得以最大限度地發揮，也才能使電站的經濟效益獲得提高。