鍋爐煙氣余熱深度利用及減排技術的研究

李瑞雪

摘要：通過對某大型燃煤電廠鍋爐進行節能改造，新增鍋爐煙氣余熱深度利用及減排系統，并對該新增鍋爐煙氣余熱深度利用及減排系統在實際生產過程中停運和投入兩種狀態試驗和研究，對比投入前和投入后各工況參數，我們發現如果是在600MW負荷的工況下，供電標準煤耗減少了4.9g/（kW·h），煙塵排放的濃度也降低了7.8mg/Nm3。除此之外，脫硫的工藝水消耗量也比之前減少了33.5t/h，熱耗率減少了68.4kJ/（kW·h），廠用電率減少了0.15%，節能效果顯著，新增鍋爐煙氣余熱深度利用及減排系統在運行過程中呈現出調節靈活，運行環境安全可靠的狀態。

關鍵詞：余熱深度利用;減排;鍋爐;節能改造

1 我國火電節能減排現狀

眾所周知，前些年來我國的霧霾天氣頻發，火電廠作為燃煤的主要工廠，是這些霧霾污染物形成的原因之一。一方面，我國環保標準越來越高，國家相應出臺了一系列政策來改變這一現狀，一系列的政策將直接或間接的影響火電廠的利益。政策規定有些地區的火電廠的煙塵排放量要比20mg/Nm3低。其中，東部地區新建設的一些火電廠大氣污染物排放的濃度要求達到排放限值。另一方面，我國要求新建燃煤發電機組的平均供電標準煤耗不能超過300g/（kW·h）[1]。根據國家規定，要求到2020年現役機組改造后低于310g/（kW·h），但是對于600MW以上機組要低于300g/（kW·h）。

要想實現降低供電標準煤耗和大氣污染物的超低排放，不僅要依靠國家政策的硬性要求，還要依靠火電廠自身優化運行。當前，如何找到有效的節能減排方式成為了火電企業的共同課題。在鍋爐熱損失中損失最大的一項就是排煙熱損失，它的損失占鍋爐熱損失的70%甚至達到80%。鍋爐實際的排煙溫度與鍋爐設計值偏離的原因有很多，如設計和運行的調整，煤炭的種類等。一般大型火力發電廠的鍋爐排煙的溫度能達到110℃甚至達到160℃。如果把排煙的余熱加以深度利用，使排煙熱損失進一步降低，鍋爐的效率就會進一步提高。

2 煙氣余熱利用現狀

當前，煙氣余熱主要有兩種模式，第一種是利用燃氣輪機排氣中的余熱來產生蒸汽。其應用領域主要有熱電聯產為工廠提供工藝用氣或者在聯合循環電廠中向蒸汽輪機供汽。余熱鍋爐與常規鍋爐的區別主要在于：余熱鍋爐利用燃氣輪機排出的廢氣為熱源，因此無需燃燒系統（除非有補燃要求）;余熱鍋爐無需配備風機（通風來自燃氣輪機的排氣）;余熱鍋爐可在多壓狀態下產生蒸汽以提高熱回收效率;熱傳導靠對流而不是靠輻射;余熱鍋爐不采用膜式水冷壁結構;余熱鍋爐采用翅片管最大限度地強化傳熱。

對余熱鍋爐來說，通常補燃有助于盡量提高基本負荷和調峰能力;與不帶補燃的工況相比，帶補燃時的出力可增加一倍，根據成熟的電站鍋爐技術可以選用高溫過熱器和再熱器的材料，高溫燃燒煙道發展理念起源于爐內燃燒技術。

第二種模式為燃煤鍋爐中的煙氣余熱用來預熱助燃空氣、加熱熱網水和加熱凝結水等。其中比較有前途和潛力的節能措施包括傳統低壓省煤器系統和煙氣余熱深度利用及減排系統。傳統的低壓省煤器系統是把換熱器放在空預器和除塵器二者之間的煙道上，還有一種方式是放在脫硫吸收塔入口的煙道上[2]。在汽輪機回熱系統的配合下，加熱主凝結水時可以排擠汽輪機的低壓抽汽，這樣有助于提高整個機組效率。

煙氣余熱深度利用及減排系統是一種全新的系統，并且已經在某些火電廠成功的進行了應用，節能效果也超過國家的標準要求。這個系統的特點是包括四個換熱設備：第一級、第二級低溫換熱器，高溫換熱器和空氣換熱器。高溫換熱器和第一級低溫換熱器依次布置在空預器和除塵器之間煙道內，第二級低溫換熱器布置于引風機出口和脫硫吸收塔之間煙道內，空氣換熱器布置于送風機出口風道內。高溫換熱器利用空預器后的煙氣熱量加熱凝結水，組成一個高效低壓的省煤器系統。空氣換熱器和第一、二級低溫換熱器可以形成閉式循環，第一級低溫換熱器能將煙氣溫度減至95℃。第二級換熱器可以將脫硫塔的入口溫度降至85℃左右，最大限度的降低脫硫工藝水耗量和回收煙氣余熱。將空氣換熱器放置在送風機出口風道，同時把第一、二級低溫換熱器的低品質的煙氣余熱進行回收，它的用途就是加熱冷二次風，這樣如果冷二次風溫度提高之后，空氣預熱器溫度發生變化，才有利于降低空氣預熱器的冷端低溫腐蝕情況，減少空氣預熱器的堵塞，提升煙氣品質，提高鍋爐的效率。煙氣余熱深度利用及減排系統還有一個優點就是各個模塊都能單獨的調節，根據周圍環境溫度等因素調節控制煙溫，確保在機組各負荷工況下投入該系統時安全、經濟運行。深度利用煙氣余熱達到節煤節水，從而實現深度節能。

在設計換熱設備時要遵循以下幾點原則：磨損嚴重的高塵區要安置高溫換熱器和第一級低溫換熱器，應模擬流場的狀況，選擇合適的煙氣流速、設置合理的防磨裝備。除塵器前的灰硫比一般在126.4左右，布置在該區域的余熱深度利用及減排設備腐蝕問題可不用考慮，這些設備采用專用的H型的翅片換熱器，設置加強自吹灰裝置。布置于引風機出口的第二級低溫換熱器要求必須把煙氣溫度降到酸露點之下，隨著灰硫比降低，應著重考慮防腐。使用第二級低溫換熱器的換熱翅片，選用可以減慢腐蝕速度的材質并控制設備冷端壁溫延緩腐蝕。要想達到系統性能最優，同時需要考慮空氣預熱器的冷端的溫度。

3 實際案例

傳統用的低壓省煤器系統在德國已經開始應用，在Schwarze Pumpe（黑泵）電廠2*800MW褐煤鍋爐的機組上使用可以提高供電效率0.5個百分比。在國內火電廠改造之后，可以將供電標準煤耗降低2g/（kW·h）左右。位于太原的第二熱電廠的300MW機組，使用改進后的傳統低壓省煤器系統將煙溫降低至125℃，供電標準煤耗降低1.9g/（kW·h），效果顯著。

煙氣余熱深度利用及減排系統也已在600MW的火電機組上成功運行，配合超臨界參數變壓運行直流鍋爐和汽輪機，在機組的額定負荷下，供電標準煤耗降低了4.9g/（kW·h），排煙的粉塵濃度降低了7.8mg/Nm3，節能和低排效果更明顯。

4 煙氣余熱深度利用及減排系統試驗和研究

為了驗證煙氣余熱深度利用及減排系統的真正性能，按照國家標準，在保證各個設備正常運行的基礎上，對煙氣余熱深度利用及減排系統進行試驗。在驗證的期間要保證汽輪機和鍋爐以及其它的輔助設備都能正常安全的運行，并且做到穩定不泄露。保證軸封性能良好，真空系統的嚴密性達到標準要求。熱力系統能夠按照設計的熱平衡圖規定的熱力循環方式穩定、安全、高效運行;抽汽設備運行正常，確保煤質良好、煤種穩定;保證煙氣余熱深度利用及減排系統不吹灰，這樣才能使得各項試驗參數能夠達到要求的數值，才能保持穩定。同時退出AGC裝置，降低電網對機組穩定性干擾。根據某廠煙氣余熱深度利用及減排系統投入和停運后，試驗數據對比分析如下：

熱耗率的變化情況。對汽輪機進行性能測試，收集整理數據發現，應用該系統熱耗率明顯減少，在600MW負荷工況熱耗率減少68.4kJ/（kW·h）;在480MW的負荷工況，熱耗率減少64.8kJ/（kW·h）;在300MW負荷工況熱耗率減少97.4kJ/（kW·h）。

廠用電率的變化情況。運用余熱深度利用及減排系統之后，增加的水泵耗電增加，各個風機因風煙道增加換熱設備工作阻力增大，耗電增加，這必定會影響廠用電率，所以要對廠用電率進行研究分析。根據實際的用電測量，結果顯示廠用電率整體最終都減少了。在600MW負荷工況下廠用電率減少0.15%;在480MW負荷工況下廠用電率減少0.13%，在300MW負荷工況下廠用電率減少0.07%。

標準煤耗的變化情況。在對鍋爐進行綜合試驗、測試發現，煙氣余熱深度利用及減排系統可以減低發電和供電時的標準煤耗率。通過數據顯示，在600MW負荷工況，試驗供電煤耗減少4.08g/（kW·h），在480MW負荷工況，試驗供電煤耗減少2.74g/（kW·h）[3]，在300MW負荷工況，試驗供電煤耗減少3.68g/（kW·h）。另外，當對煙氣余熱深度利用及減排系統進行修正之后，煤耗率降低的程度更大了。在600MW負荷工況，供電標準煤耗減少4.9g/（kW·h），在480MW負荷工況，供電標準煤耗減少4.93g/（kW·h），在300MW負荷工況，供電標準煤耗減少3.68g/（kW·h）。通過對比不難發現，480MW的負荷工況下，供電標準煤耗率最低。

除塵效率的變化情況。未使用煙氣余熱深度利用及減排系統之前，600MW負荷工況的除塵效率是99.387%，煙塵濃度達到42.12mg/Nm3，使用該系統之后除塵效率達到99.502%，，粉塵濃度減少到34.32mg/Nm3。粉塵濃度降低了7.8mg/Nm3，效果明顯。

脫硫工藝水量的變化情況。投運該系統之后，在600MW負荷工況下可節約33.5t/h，480MW的工況下可節約51.20t/h，300MW工況下節約18.15t/h。

5 煙氣余熱深度利用及減排系統的經濟、社會效益

某廠煙氣余熱深度利用及減排系統技術改造投入運行后，防磨防腐可控，該廠的機組年發電按照5400h發電小時數進行計算，每年可以節省標煤1.5萬噸左右，二氧化碳的排放量將大大減少。與此同時除塵效果好、效率高，煙囪的粉塵排放濃度可以降低大約18mg/Nm3。該系統如果應用在300MW及以上各種類型火電機組上，在分析電廠鍋爐出口的排煙溫度、燃煤質量的基礎上，投資成本可以達到3000萬元至5000萬元，該系統可以幫助電廠在約3年左右回收成本。

6 結語

一方面，鍋爐煙氣余熱深度利用及減排系統能幫助火電廠實現真正意義上的節能降耗，為電廠生產經營提質增效。通過深度利用煙氣余熱，降低鍋爐熱損失，提高鍋爐熱效率。鍋爐煙氣余熱深度利用及減排系統具有它自身獨特的優點，它不使用汽輪機高品位的抽汽，而是排擠汽輪機高品位的抽汽，減少汽輪機熱耗，提高汽輪機熱效率，降低廠用電率，降低脫硫塔工藝水耗水量，投運后機組效率提升明顯，進而實現大幅度降低供電煤耗率。在600MW負荷工況，試驗測量的供電標準煤耗降低4.08 g/（kW·h），在進一步修正后供電標準煤耗比之前降低4.90 g/（kW·h），降低供電標準煤耗效果可觀，實現真正意義上的節能降耗。

另一方面，鍋爐煙氣余熱深度利用及減排系統能幫助火電廠實現大氣污染物超低排放，更好的適應國家愈來愈高的環保標準。

參考文獻

[1]楊杰，李彥霞，趙學斌，等.火電機組節能降耗分析及應對措施[J].電站系統工程，2011，27（4）：57-58.

[2]陸萬鵬，孫奉仲，史月濤.電站鍋爐排煙余熱能級提升系統分析[J].中國電機工程學報，2012，32（23）：9-14.

[3]花秀峰，李曉明.火力發電廠煙氣余熱利用的分析與應用[J].節能，2011，30（Z2）：89