鍋爐排煙低品位熱能回收利用研究及工程經濟分析

戈佳 白楊

摘? ?要：鍋爐排煙低品位熱能的回收利用有以下途徑：（1）通過串聯或并聯方式加熱凝結水;（2）通過水媒將原煙氣熱能傳遞加熱鍋爐一、二次風;（3）通過原煙氣與凈煙氣直接換熱（GGH）或通過水媒將原煙氣熱量傳給凈煙氣（MGGH）;（4）干燥高水分燃料;（5）建設集中冷源和寒冷地區熱網加熱等等。其主要應用為前三種方式，本文結合項目特點，提出不同的利用方式。最后，結合某項目對其經濟性分析。

關鍵詞：低品位熱能? GGH? MGGH? 循環效率? 發電煤耗

中圖分類號：TM621.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（a）-0067-04

Abstract： The boiler flue gas recovery of low grade heat use roughly the following ways：（1）The condensation of water by heating in series or parallel mode;（2）The original flue gas transfer heat to the first wind and the second wind through the water;（3）The raw gas transfer heat to the net flue gas by direct heat exchange （GGH） or by the midum-water （MGGH）;Not only to improve the wet desulfurization tower outlet temperature of flue gas gypsum rain net to restrain， and to improve the lifting height of flue gas，reducing ground concentration of flue gas;（4）Drying high moisture fuels;（5）The construction of centralized cold source and cold region of heat network heating etc. There are three main applications as elaborated above. However， in this article， we proposed a novel implementation by taking into account the specific aspects of this project. In the last， an economic analysis will be given based on a specific project.

Key Words：Low grade heat energy;GGH;MGGH;Cycle efficiency;Coal consumption for power generation

隨著人類對一次能源大量消耗、對環境保護的迫切要求和科學技術不斷創新發展，人類對能量深度利用日益重視，通過多種途徑提高對能量利用。低品位的熱能具有種類多、儲量大的特點，由于其能量密度較低，除極少數被重新利用外，其余大部分均得不到有效利用，鍋爐排煙熱能就是其中一種，且比熱容小、溫度低，熱能未經回收散發到自然環境中，造成了熱能得浪費。本文對鍋爐排煙低品位熱能的深度利用介紹與分析，結合某工程項目對其應用的經濟性分析。

1? 鍋爐低品位熱能的定義

1.1 低品位熱能

是指難以利用的熱能，如海水具有的熱能、地熱具有的熱能、工業廢熱排放的熱能等等。由于量大，讓其降低一度會放出很大的熱量，但是這些熱量很難利用，故稱為低品位熱能。

1.2 鍋爐（排煙）低品位熱能

是指鍋爐空氣預熱器出口煙氣所具有的熱能。鍋爐排煙熱損失是由于鍋爐排煙溫度高于外界空氣溫度所造成的熱損失，它等于鍋爐排出濕煙氣總焓值與進入鍋爐的冷空氣總焓值之差。

鍋爐的排煙熱損失占鍋爐總熱損失的70%～80%，由于受熱面污染程度隨著鍋爐運行時間的增加而加劇，一般鍋爐在運行一段時間后，實際的排煙溫度要比設計排煙溫度高20℃～30℃。一般鍋爐排煙溫度每升高15℃～20℃，則鍋爐效率下降約1%。

2? 鍋爐排煙溫度（鍋爐空氣預熱器出口）的確定

鍋爐的設計排煙溫度是按環境溫度20℃計算的，因此，夏季鍋爐的實際排煙溫度要高于設計排煙溫度，反之，冬季鍋爐的實際排煙溫度要低于設計排煙溫度。

鍋爐排煙溫度主要是依據燃料價格和鍋爐尾部受熱面金屬耗量的費用通過技術經濟比較來選擇。較低的排煙溫度，對應于較小的排煙熱損失、就有較高的鍋爐熱效率，燃料耗量也較少。但是，鍋爐效率不可以隨意的提高，由于尾部受熱面的傳熱溫差降低，其金屬耗量就成反比的增加，即鍋爐價格就明顯上升。鍋爐的最佳排煙溫度，應該是燃料費用和鍋爐尾部受熱面金屬費用的總和為最小時所對應的溫度。

此外，鍋爐最佳排煙溫度的選取，還與鍋爐的給水溫度、燃料的性質（燃料中的水分和硫分）、省煤器與空氣預熱器的金屬價格比值等因素有關。給水溫度較高時，尾部受熱面的傳熱溫差下降，最佳的排煙溫度應稍有提高。燃料中水分增加時，空氣和煙氣的熱容之比減小，則最經濟的排煙溫度趨于升高?，F代大容量煤粉鍋爐設計的排煙溫度通常在120℃～130℃范圍內。對于循環流化床鍋爐，當采用管式空氣預熱器時，則排煙溫度一般要比采用回轉式空氣預熱器的排煙溫度要高15℃～20℃。

當燃料含硫量較高，金屬壁溫低于煙氣露點時，空氣預熱器必須采取防止低溫腐蝕和堵灰的措施。

3? 回收鍋爐低品位熱能的正面效應與負面效應

3.1 回收鍋爐低品位熱能的正面效應

（1）提高熱力循環熱效率，降低煤耗，降低廠用電，提高企業的經濟效益;降低脫硫系統入口煙氣溫度，即降低了脫硫系統的水耗，進一步增加了企業的收益和改善環境效益。（2）在電氣除塵器前降低煙氣溫度，在灰比電阻適合的情況下，可有效提高電氣除塵器的除塵效率，改善環境，降低廠用電，是值得去做的。

3.2 回收鍋爐低品位熱能的負面效應

（1）增加了投資（尤其是鍋爐排煙溫度在小于120℃時，煙氣與空氣之間的傳熱溫差較小，再降低排煙溫度會帶來投資增長趨勢加快）;（2）增加了低溫受熱面的腐蝕與堵灰，也就增加了運行費用，同時，在一定程度上降低了設備的運行可靠性和安全穩定性。（3）增加了系統的復雜性，從而也就增加了運行、檢修費用。

4? 鍋爐排煙低品位熱能回收的典型系統及優缺點

鍋爐排煙低品位熱能有以下四種典型回收系統：

（1）布置在空氣預熱器后、除塵器前的低溫省煤器（又稱低壓省煤器）;

（2）布置在引風機后、脫硫裝置前的低溫省煤器;

（3）分段布置，第一段低溫省煤器布置在空氣預熱器后、除塵器前，第二段低溫省煤器布置在引風機后、脫硫裝置前;

（4）煙氣換熱器（GGH）等換熱利用。

4.1 采用布置在空氣預熱器后、除塵器前的低溫省煤器方式，回收煙氣余熱一般用來加熱凝結水或用于其他供熱

該布置方案的優點如下：（1）最大限度的回收煙氣余熱，提高機組整體熱經濟性。（2）煙氣經低溫省煤器降溫后，煙氣體積減小，飛灰比電阻降低，可大大提高除塵器的收塵性能。除塵器可采用較小的規格、較少的能耗、較低的占地，實現更高的除塵效率。（3）節省了低溫省煤器出口以后的煙道鋼材量。（4）降低了引風機電耗。（5）節約了脫硫用水。（6）可在低溫電除塵器內除去絕大部分SO3。（7）系統簡單，可在低溫省煤器后部采用國產ND鋼，以節省投資。

缺點：（1）煙氣中飛灰溫度降低后，灰硬度提高，灰濃度較大，因此受熱面外表面磨損較嚴重，使低溫省煤器可靠性有所降低。（2）低溫省煤器吹灰次數將增加，運行風險將上升。對含灰量大，SiO2含量高的燃煤機組，此方案不宜推薦;對鍋爐排煙溫度在煙氣酸露點以上5℃～10℃時，由于排煙溫度已經很低，所以此方案也不宜推薦。（3）當低溫省煤器的吸熱量過大時，對機組末幾級低加的抽汽排擠量會過大，將會增加進入凝汽器的冷端損失，汽輪機末三級葉片流速和效率也會偏離最佳設計值，從而降低原回熱系統的收益，回收熱量的效果會大受影響。

所以，新建工程一般不推薦此方案，通常在老機組運行一段時間后，鍋爐排煙溫度升到140℃～160℃，進行改造時，采用此方案更為合適。

在這方案中，又有兩種聯接方式：

（1）串聯方式：低溫省煤器系統串聯于某二級低壓加熱器之間，成為機組熱力系統的一個組成部分。它的優點是流經低溫省煤器的水量最大，在低溫省煤器的受熱面積一定時，鍋爐排煙的冷卻程度和低溫省煤器的熱負荷較大，排煙余熱利用的程度較高，經濟效果較好。其缺點是凝結水流的阻力增加，所需凝結水泵的壓頭增加。

（2）并聯方式：從某一低壓加熱器出口分流部分凝結水去低溫省煤器，加熱升溫后返回凝結水系統，在下一級（或兩級）低壓加熱器的入口處與主凝結水相匯合。從凝結水系統看，低溫省煤器與低壓加熱器成并聯方式，與之并聯的低壓加熱器也可以是多個。它的優點是可以不增加凝結水泵揚程，因為低溫省煤器經過一、兩個低壓加熱器，其水阻力與低溫省煤器及其聯接管道阻力相當。這對改造舊電廠較為合適，此外，還可以方便的實現余熱梯級開發利用。缺點是低溫省煤器的傳熱溫壓將比串聯方式低，所以，在降低相同煙溫條件下，它比串聯方式的低溫省煤器換熱面積要大。在回收相同的鍋爐排煙余熱量條件下，串聯式經濟效益比并聯式高些。

4.2 布置在引風機后、脫硫裝置之間的方案

（1）低溫省煤器布置在引風機后、脫硫裝置前，這種布置方式在歐洲采用較多，我國近年來應用的低溫省煤器基本上也都采用這種方案?；厥諢煔庥酂嶂饕糜诩訜崮Y水。如某百萬機機的低溫省煤器原則性系統如圖1所示。

（2）用于加熱空氣預熱器入口冷風。參見圖2。

優點：①脫硫旁路取消后，引風機與脫硫增壓風機合并，使得合并風機的軸功率大，煙氣通過引風機溫升一般約為10℃左右，可充分利用引風機溫升，提高煙氣余熱利用率。②電除塵器、引風機可采用常規設計，技術成熟可靠。③經過除塵器收塵后，低溫省煤器工作環境含塵少，對受熱面的磨損較小，積灰少，低溫省煤器吹灰次數可以大大減少，運行風險大為降低。④對于濕法脫硫，由于脫硫裝置入口煙溫降低，蒸發水分少，可節約脫硫用水。

缺點;①無法利用煙氣溫降帶來的提高電除塵器收塵效率和減少引風機功率的好處。②低溫省煤器布置在引風機后、脫硫裝置前，離主廠房相對較遠，用于回收熱量的循環水管道和用于吹灰的管道稍長，相關水泵需克服的管道阻力也較高。

4.3 低溫省煤器分段布置

為了充分利用煙氣余熱，提高電廠熱經濟性，并利用煙氣溫度降低對除塵效率和引風機電耗產生的好處，可考慮將低溫省煤器分段布置。這種布置方式相當于設置兩個低溫省煤器，第一個低溫省煤器布置在空預器與除塵器之間，第二個低溫省煤器布置在引風機與脫硫塔之間。

優點是充分利用了鍋爐尾部煙氣余熱（包括引風機溫升）。同時，可采用較小規格的電除塵器、煙道及引風機，除塵器和引風機的功耗也會降低，這將降低設備初投資和運行費用。

缺點是低溫省煤器體積較大，給布置帶來一定的困難，由于多了一臺低溫省煤器，系統連接復雜，管路阻力也將有一定的增加。

有項目在改造設計中，分段布置，采用常規靜電除塵器，除塵器前煙氣溫度降低幅度不大，以防止除塵器被腐蝕。除塵器后煙氣溫度也僅僅降至酸露點以上。余熱利用率并不高，因此，收益率并不顯著。

目前國內1000MW煙煤機組已實施的低溫省煤器方案中，計算綜合經濟收益，一般均在發電煤耗下降1.5～1.8g/kWh。

4.4 煙氣換熱器（GGH）換熱利用

（1）回轉式GGH。

（2）在剛開始實施脫硫階段的燃煤電廠，由于對鍋爐排煙抬升高度有一定的要求，以降低煙氣的落地濃度，達到環境保護的要求。當時，這類電廠普遍采用煙氣、GGH，用原煙氣來加熱脫硫后的凈煙氣，GGH只是將溫度較高的原煙氣熱量傳遞給了溫度較低的凈煙氣，并沒有產生節能的效果，但改善了環境效益，有節水和抑制石膏雨的作用。更重要的是，從目前安裝有GGH的電廠運行現狀分析，GGH弊大于利，主要出現在以下幾方面：

（1）GGH與防腐的復合鈦板雙筒煙囪投資相當，而前者的運行檢修費用增加。

（2）設GGH脫硫系統的運行故障率較高（由于原煙氣溫度的降低，在GGH的熱側會產生大量黏稠的濃酸液。這些酸液不僅對GGH的換熱元件和殼體有很強的腐蝕作用，而且會粘附大量原煙氣中的飛灰而造成堵塞）。

（3）增加相應的能耗、水耗。

（4）不能避免尾部煙道和煙囪被腐蝕。實踐證明，煙氣經過GGH加熱后，煙溫仍低于其酸露點，仍然會在尾部煙道和煙囪中產生新的酸凝結。

（5）由于GGH的漏風而使煙氣脫硫效率下降。

目前，GGH已成為大多數電廠的負擔，現在新建的燃煤電廠普遍都未設置回轉式GGH。

MGGH：煙氣冷卻器布置在引風機與脫硫塔之間，煙氣加熱器布置在脫硫塔與煙囪之間，通過水循環將原煙氣中蘊含熱量轉移給凈煙氣，使脫硫塔出口的50℃左右凈煙氣被加熱到80℃左右再排到大氣。

另有MGGH，將煙氣放熱段的換熱器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90℃～100℃），煙氣加熱段的GGH布置在煙囪入口，由循環水加熱凈煙氣。脫硫后的凈煙氣被加熱到72℃～80℃再排向大氣。

5? 案例分析

某海邊電廠1000MW燃煤機組改造，在空氣預熱器與電除塵之間的水平煙道上布置了六組低溫省煤器，每組布置28排管束，前14排為高溫段，后14排為低溫段，分別采用20碳鋼和ND鋼。設計煤種酸露點為89.6℃，低溫省煤器出口煙溫高于煙氣露點5℃左右。水側（串聯）接自6號和7號低加之間，7號低加出口凝結水溫度79.6℃（THA工況）、流量為1972.72t/h，凝結水被煙氣加熱到96.5℃后回到6號低加入口。入口煙溫由110℃～140℃降至出口側95℃～105℃，滿負荷時，低溫省煤入口水溫82.2℃，出口水溫97.6℃，測得凝結水阻力為0.2MPa，煙氣側總阻力為500Pa。1000MW時，熱水循環泵停運，在800MW以下時，由于凝結水入口溫度降至78.5℃，熱水循環泵投入運行。

經測試，改造后夏季1000MW時，排煙溫度平均降低30℃，加熱凝結水排擠汽機抽汽，熱耗增加69.1KJ/kWh;投退前后對比，引風機和增壓風機電流總共下降120A，電除塵效率提高0.1%，脫硫節水39.8t/h，綜合各種因素后，供電煤耗下降了約1.79g/kWh。

改造后，對煙風系統影響：煙溫每降低40℃，下游煙氣體積將降低5%;100%負荷時，煙氣阻力耗功13A/100Pa，則引風機和增壓風機電流降低約50A，平均每臺風機降12A。75%、50%負荷下，投退低溫省煤器對風機電流變化影響不明顯。

對汽機的影響：5、6段抽汽量均受到排擠，3個負荷點排擠量分別為24.47t/h、22.67t/h、13.75t/h;真空度變化為0.087kPa，相對變化為1.5%，對汽機循環效率影響很小。

對凝結水系統的影響：凝結水阻力100%負荷時增加0.2MPa;凝結水流量降低20t/h;75%、50%工況下，凝結水泵功耗沒有明顯變化;100%工況下，凝結水泵耗功增加46kW/h，廠用電上升0.0046%，供電煤耗上升0.0131g/kWh。

對電除塵影響：電除塵效率提高約0.1%;電除塵耗電率下降0.004%，供電煤耗下降約0.011g/kWh。

對脫硫的影響：在95%負荷率時，脫硫系統節水平均39.8t/h。

收益情況：綜合煤耗降低1.79g/kWh，燃料成本下降787.6萬元/年，脫硫節水39.8t/h，節水費用減少54.13萬元/年，減排費用減少5.45萬元/年，改造投資回收年限為1.71年。（注：標煤價800元/t，水價1.7元/t，年利用小時5500h，年運行小時8000h）。

6? 結語

隨著一次能源儲量越來越少和科學技術越來越發達，各種低品位熱能的利用將被人們越來越重視起來，低品位熱能的利用方案也將層出無窮。而低品位熱能的利用深度還與各國的經濟實力、科技發達水平、決策者的管理理念有關。一般來說，新建燃煤電廠，應盡可能降低鍋爐本體的排煙溫度，使排煙溫度降到燃煤煙氣露點溫度以上5℃～10℃（寒冷地區可以適當提到一些）。再加上實施低品熱能的深度開發利用，就能獲得燃煤電廠的最佳效益。在對煙囪排煙溫度有要求的地方，建議采用GGH或MGGH來提高煙氣的排煙溫度。

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