燃煤機組鍋爐尾氣與汽機凝汽余熱利用分析

石葉強

摘要：電廠煙氣及凝汽熱大量損失會導致燃煤機組能源利用率過低，因而，如何有效地利用這些余熱已成為目前研究的重點。基于此，本文首先闡述了燃煤鍋爐的概述，論述了燃煤機組鍋爐改造條件與目標，并詳細分析了燃煤機組鍋爐尾氣與汽機凝汽余熱利用。

關鍵詞：燃煤機組;鍋爐尾氣;汽機凝汽;余熱利用

我國社會用電量的70%以上依靠火電機組，約占全國用煤量的50%，而大型火電機組的熱效率僅為40%左右，大量鍋爐尾氣（120～140℃）及汽機乏汽的低品位熱量損失是導致能源利用率低的主要因素。因此，如何有效利用這些余熱是提高能源利用率的關鍵。

一、燃煤鍋爐概述

燃煤鍋爐是燃料為燃煤的鍋爐，是指經過燃煤在爐膛中燃燒釋放熱量，把熱媒水或其它有機熱載體（如導熱油等）加熱到一定溫度（或壓力）的熱能動力設備。主要由煤粉制備系統、燃燒器、受熱面、空氣預熱器等部分組成。

二、燃煤機組鍋爐改造條件與目標

以往對燃煤機組鍋爐改造的余熱分析，大多在除塵器處安裝煙氣換熱器或低溫省煤器，對循環凝結水進行加熱，使其代替部分汽機抽氣，從而提高燃煤機組發電效率，降低煤耗率。采暖期加熱熱網水的節能效果比加熱凝結水更為突出，利用鍋爐尾氣余熱夏季加熱凝結水，冬季加熱熱網水，可提高能源的綜合利用率。有研究者提出了一種燃煤機組鍋爐余熱利用系統，在空氣預熱器內安裝低溫空氣預熱器，以減少尾氣及空氣余熱能力，但這樣易影響燃煤機組發電量。也有研究人員表示，通過安裝蒸汽吸收式熱泵抽取部分蒸汽作為驅動加熱熱源，能有效解決余熱利用的安全問題，但汽機抽氣易影響機組的發電效果。

某電廠燃煤機組的尾氣余熱利用裝置布置在空氣預熱器后、除塵器前，煙氣量1200000m3/h，裝置入口煙氣溫度135℃。根據脫硫系統對余熱利用裝置的要求，需對進入脫硫系統的煙氣進行冷卻處理，以達到節能降耗效果。脫硫系統運行時，石膏帶水量和廢水排放量不變，除霧器沖洗需正常用水，系統需補水36.7m3/h，這部分補水量可通過降低FGD系統入口煙氣溫度實現零補給，最終使煙氣脫硫系統入口煙氣溫度由135℃降至85℃。

三、燃煤機組鍋爐尾氣與汽機凝汽余熱利用

1、換熱設備的位置。可將換熱裝置布置在空預器后、除塵器前。在除塵器入口增加低溫省煤器，降低入口煙氣溫度及煙塵比電阻，提高粉塵驅進速度。采用不銹鋼換熱管后，電除塵前煙氣溫度可降至110℃。若在除塵后引風機前安裝換熱裝置，煙氣溫度下降時SO3會析出，若煙氣中無粉塵吸收，則會腐蝕引風機，因此不建議采用這種方法。換熱裝置布置在引風機后脫硫塔前，降溫后的煙氣進入脫硫系統完成脫硫，該方法安全可靠，但換熱器和煙道易受低溫腐蝕，假設余熱回收后煙氣溫度為85℃，可使用以下兩種換熱設備布置：①一段式低壓省煤器在脫硫塔前安裝氟塑料或搪瓷熱管換熱器，使煙氣溫度由135℃降至85℃。②兩段式低壓省煤器。除塵器前安裝不銹鋼換熱器，將煙氣溫度降至110℃，此時引風機會影響煙氣溫升，可在脫硫塔前安裝氟塑料或搪瓷熱管換熱器，使煙氣溫度降至85℃。

2、余熱利用方式。燃煤機組鍋爐尾氣及汽輪機凝汽余熱利用方式為：①加熱低壓加熱器入口凝結水。回收煙氣余熱加熱的凝結水回水，排擠低加抽汽，提高蒸汽做功能力，提高燃煤機組發電率，降低能耗。②加熱熱網循環水。假設燃煤機組工作負荷為72.75%，當煙氣溫度從115℃下降到85℃時，燃煤機組一個月可回收1500 TJ熱量;若煙氣溫度從135℃降至85℃，燃煤機組一個月可回收2400TJ熱量。因此，可在供暖期利用煙氣回收熱量加熱熱網回水。③加熱燃煤機組鍋爐給風。對專門回收煙氣的余熱加熱鍋爐進行了改造，由于入口風溫度升高，引起排煙溫度上升，冷風吸收熱量不能被鍋爐全部吸收，雖然前置式暖風器不能全方位提高鍋爐運行效率，但能提高空預器中蓄熱元件的溫度。當燃煤硫分含量較高時，可避免空預器中硫酸氫銨的堵塞，并可代替暖風器消耗蒸汽，降低能耗。

3、換熱器材質。燃煤機組鍋爐換熱器材質主要包括ND鋼或304鋼等金屬材質、氟塑料材質和搪瓷熱管材質。①金屬材質中，應用最廣泛的是20G鋼和ND鋼換熱管。當換熱管壁溫在25～105℃范圍內時，20G鋼的腐蝕速率不大于0.2mm/a，ND鋼的腐蝕速率不大于0.1mm/a。②氟塑料材質。該材料耐腐蝕性強，溫度范圍寬，氟塑料換熱器的應用可解決金屬換熱器的腐蝕問題，氟塑料可制成小直徑薄壁管，以提高換熱管的傳熱系數。③搪瓷熱管材質。搪瓷復合涂層可解決換熱器的低溫腐蝕問題，搪瓷玻璃為無機防腐蝕，使用時不考慮溫度變化，搪瓷耐磨。在煙道內放置搪瓷涂層換熱管，受熱段吸收煙氣熱量，降低煙氣溫度，提高燃煤機組的工作效率。

4、鍋爐尾氣、汽機凝汽余熱加熱熱網系統。通過燃煤機組鍋爐采暖期和非采暖期的運行，探究煙氣換熱器和吸收式熱泵的余熱利用效果。煙氣換熱器與低壓加熱器并聯加熱循環凝結水，代替汽機抽氣，節約煤炭資源消耗;吸收式熱泵利用汽機排汽冷凝水的氣化潛熱現象為機組提供熱網用熱，鍋爐運用高溫蒸汽與熱水作為驅動熱源。

采暖期間，吸收式熱泵循環水回收冷凝器散失氣化潛熱，熱網回水溫度提高到90℃，利用鍋爐尾氣換熱裝置可將水溫加熱到120℃，此時水溫能滿足采暖期供水溫度需求。在非采暖期，吸收式熱泵機組與熱網管路隔離處理，采用煙氣換熱器回收燃煤機組鍋爐余熱，循環凝結水加熱并與低壓加熱器并聯，從而減少汽機抽氣，實現余熱利用。

5、鍋爐尾部煙道改造。某發電廠對濕冷機組煙道進行了改造，在原有煙道位置增加了煙氣換熱器。夏季煙氣換熱器進出口煙氣溫度分別為115.8℃和120℃，冷卻凝結水進出口溫度分別為98℃和136℃。根據煙氣換熱器冷卻介質溫度及低價出口凝結水溫度的實際情況，實現兩者之間的溫度平衡，并將煙氣換熱器管道系統并聯，降低低壓換熱器的運行負荷。冬季燃煤機組鍋爐煙氣換熱器溫度為134.7℃和100℃，冷卻介質進出口溫度為90℃和120℃，冷卻介質是熱網70℃回水加熱后的90℃循環水。同時，燃煤機組煙氣中的氧化硫及水蒸氣結合，最終產生硫酸蒸氣，煙氣溫度的降低使硫酸蒸汽凝結，對換熱裝置產生低溫腐蝕作用。爐膛出口過剩空氣系數1.2，酸露點溫度96℃，此時煙氣換熱裝置出口煙氣溫度高于酸露點溫度。

6、余熱利用后的經濟性。在不影響燃煤機組發電量的前提下，采用煙氣換熱裝置和吸收式熱泵裝置，可充分利用燃煤機組鍋爐的尾氣和凝汽余熱，在節約煤炭資源消耗量的同時，減少二氧化硫及顆粒物的排放量。燃煤機組煙氣換熱器采暖期余熱利用率為21.74MW，非采暖期關閉熱網連接閥門，僅使用煙氣換熱器的低加并聯系統，此時煙氣換熱器的余熱利用率為22.44MW。通過分析可知，采用這種鍋爐煙氣余熱利用方式，采暖期可節約標煤1.42萬t，非采暖期可節約標煤1.76萬t。采用煙氣換熱裝置及吸收式熱泵裝置，鍋爐年余熱利用總量為59.58MW，采暖期36.14MW，非采暖期22.44MW;全年可節約標煤31815.65t，采暖期可節約標煤14190.76t，非采暖期可節約標煤17624.89t。通過對電廠燃煤機組鍋爐煙氣余熱利用的經濟性分析，為今后節能減排措施的實施提供重要參考。

總之，燃煤機組鍋爐煙氣換熱器與吸收式熱泵的協同應用，可利用回收的凝汽和煙氣余熱作為鍋爐的采暖熱源，在不影響鍋爐發電量前提下，保證系統的高效運行。采用煙氣換熱器及吸收式熱泵的余熱利用方式不會影響燃煤機組的性能，保證機組的安全運行，通過對換熱設備布置、余熱利用方式、換熱器材質、余熱加熱熱網系統及鍋爐尾部煙道改造等方面的研究，有效地提高了系統的余熱利用效果。

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