火力發電廠鍋爐尾部煙氣余熱利用技術探索

(山西漳電大唐塔山發電公司，大同 037001)

0 引 言

生產和生活所用電能的來源均為火力發電廠，在強調節能減排的當下，火電廠尚未實現完全利用燃煤熱能的目標，這也是其前進腳步放緩的主要原因，如何使鍋爐余熱得當充分利用，現已成為亟待解決的問題，圍繞其所展開討論也變得更加深入。事實證明，只有以火電廠實際訴求為依據，對現有利用方案加以選擇并利用，才能使上述問題迎刃而解，對相關技術進行探究自然很有必要。

1 煙氣余熱利用價值

在離開鍋爐時，煙氣普遍有較高溫度，對高溫煙氣進行排放，通常會造成嚴重的熱損失。圍繞排煙熱損失展開討論的背景，主要是在火電廠熱損中排煙熱損失占比逐年加大，研究表明，熱損失和排煙溫度的關系為正相關，這也表明煙氣溫度越高，排煙熱損失越大，只有對余熱利用率進行提高，才能使上述問題得到解決，火電廠機組自然能夠擁有更為理想的運行效率[1]。

這里要明確一點，雖然對排煙溫度進行降低，可使能源利用率得到顯著提升，如果以傳熱學視角為切入點加以分析，傳熱溫差減少極易使熱交換效率大幅降低，基于此，將傳熱面積與煙道面積進行擴大很有必要。然而，從經濟學視角來看，這樣做必然會增加火電廠用于前期建設和日常維護的成本，在此背景下，技術人員以均衡二者效益為前提，提出對排煙溫度加以調整的方案，希望能給火電廠帶來更為可觀的經濟與社會效益。

2 煙氣余熱利用原理與策略

2.1 實際應用案例

某火電廠鍋爐參數如下：首先，煤種為褐煤；其次，機組容量為2×600 MW；再次，爐膛出口煙溫375 ℃，流量為915 kg/s；最后，引風機入口煙溫約為105 ℃。

技術人員決定對回收換熱器加以調整，而擬定方案將余熱利用技術明確分為一級系統(如圖1所示)和二級系統(如圖2所示)。前者強調利用出口所抽取煙氣加熱凝結水，實驗結果表明，這樣做可對煙氣中約35 MW的熱量進行有效回收，在進口煙溫與旁路煙氣、出口煙溫與二級系統出口煙溫對應比例不存在明顯變化的前提下，鍋爐效率能夠達到93%至94%。后者則選擇對除鹽水加以利用，通過加熱一次風和二次風的方式，確保預熱器壁溫及氣溫同步升高，這樣做可有效解決低溫腐蝕問題，鍋爐排煙所造成熱損失也能夠被控制在合理范圍內[2]。

圖1 一級系統

圖2 二級系統

事實證明，加裝換熱器能夠使耗煤量、耗水量得到顯著減少，其中，耗煤量減少了約2 g/kWh，耗水量則減少了大概35 t/h，該火電廠針對凈效率所設定目標超額完成。

2.2 余熱利用原理

余熱利用技術強調以螺旋動力機為依托，經由煙道將煤炭所釋放煙氣向余熱鍋爐進行運輸，在經過蒸發器、省煤器與過熱器的處理后，通過煙囪排放到外界，使火電廠原有熱力循環能夠被賦予更高的運行質效。下文著重介紹了該技術所用原理，供相關人員參考：

2.2.1 凝結水的預熱

該項技術強調以排煙余熱為依托，通過加熱凝結水的方式，使其溫度接近給水初溫。目前，可被用來對凝結水進行加熱的方式，主要為直接加熱和間接加熱，前者是通過安裝加熱器的方式，使煙氣、凝結水擁有熱交換的直接渠道，而后者既要安裝加熱器，同時還需要安裝換熱器，目的是確保換熱過程發生在閉合環境下，這樣做既能夠避免低壓缸被大量抽汽，還可使汽輪機內效率得到顯著提高，與能源階梯利用所制定原則不謀而合。

2.2.2 干燥褐煤的預熱

作為熱量值較低的一種煤炭，褐煤含水量往往能夠達到65%，這也決定其具有明顯的燃燒不完全性。目前，大部分火電廠均選擇對介于泥炭與煤炭間的褐煤加以應用，旨在對發電效率進行提高。而借助煙氣余熱對褐煤做干燥處理的原理為：以傾斜角度固定的圓筒為載體，在上部放置濕物料，確保物料與熱煙氣充分接觸，當物料完全干燥后，再在下部對其進行收集[3]。事實證明，這樣做可使出口煙溫得到顯著降低。

2.2.3 一次風和二次風的預熱

預熱一次風和二次風的目的，主要是確保進風溫度能夠達到預期，為鍋爐效率的提高提供支持。在實際操作時，第一步是利用傳熱介質對進口煙溫進行降低，這里所用傳熱介質通常為除鹽水，第二步是利用除鹽水所吸收熱量，先后加熱一次風和二次風，在降低輔助蒸汽實際含量的基礎上，利用剩余蒸汽為機組發電助力。

2.3 系統設計要點

其一，技術人員考慮到煙道系統對運行環境所提出要求較為嚴格，遂決定對脫硫與除塵裝置進行加設，此外，為確保煙囪能夠長期處于正常運行狀態，在綜合考慮多方因素后，將排煙溫度設置如下：引風機入口煙溫約為105 ℃；脫硫煙溫應在50 ℃左右。在此基礎上，根據煙囪運行情況決定是否需要對煙氣進行GGH處理，以確保利用效率達到預期。

其二，如果出口煙溫過低，極易出現換熱器壁溫沒有達到硫酸蒸汽凝結臨界點的情況，大大增加了受熱面被腐蝕的幾率。要想使該問題得到解決，關鍵是對低溫省煤器加以應用，但由于低溫省煤器對排煙余熱加以利用的效率較低，在條件允許的情況下，技術人員可酌情引入聚四氟乙烯等聚合材料，從源頭規避金屬被腐蝕問題的出現。

2.4 現有方案分析

2.4.1 相變換熱器

相變換熱器是對熱管換熱器進行相變所得，通過對控制壁面溫度所依托機理加以細化的方式，確保低溫腐蝕情況始終處于可控范圍。而相變模塊所指代內容，主要是整體優化熱管換熱器，在縮小溫度梯度差的前提下，對水量參數調節進行集合，從而使壁面溫度得到可續控制。在實際應用時，技術人員應將管式換熱器與汽水分離裝置進行連接，確保下端蒸發段可將煙氣余熱盡數吸收，當介質呈現出相變狀態后，先進入分離裝置，隨后，蒸汽進入冷凝段，狀態過渡到液態后，再沿管壁進入相應裝置，達到吸熱并放熱的目的。在此過程中，介質工況及質量均有調節量的作用，技術人員可通過對其加以應用的方式，確保壁溫能夠獲得理想控制。

該方案的優勢，主要體現在以下方面：首先，余熱回收有良好的適應性，其構造能夠使排煙溫度得到大幅降低，在確保余熱被盡數回收的前提下，通過減少能源消耗的方式，為火電廠謀取更為可觀的利益。其次，可使低溫腐蝕得到精確規避，對參數加以控制的主體為水量，無形中提升了壁面溫度所受控制的精確性，低溫腐蝕所帶來問題，通常能夠得到有效解決。再次，相變換熱器對獨立部分進行關聯，使其成為一個整體，不僅結構更加簡潔，其一體化水平也有所提高。最后，相變換熱器對不凝結氣體所帶來危害進行了有效規避，隨著耐用性的增強，材料使用壽命自然更加靠近理想狀態[4]。

2.4.2 熱管換熱器

熱管換熱器的主體是管體。作為高效傳熱元件的代表，諸多火電廠均已引入熱管，其應用價值也有目共睹。在日常工作中，熱管往往憑借工質循環，確保熱量能夠得到有效傳遞，而導熱能力方面的優勢，賦予了熱管良好的節能性，現將熱管換熱器的運行原則歸納如下：在吸熱段由熱源處獲取熱量時，熱管內部低沸點液體由于吸熱而出現汽化情況，受壓力影響，汽化工質沿管進入放熱段，通過釋放熱量的方式，從蒸汽轉變為冷凝液體。在此過程中，對節流閥角色進行“扮演”的是毛細液芯，而強調由高品位能量過渡為低品位能量的該循環，與熱力學定律所強調內容十分契合。

實踐所得經驗表明，該方案具有較多優勢，例如：其一，確保工作管體導熱性良好，可充分發揮出應有作用。其二，由于該換熱器具有控制壁溫的功能，因此，技術人員可利用其對壁面溫度進行提高，從而達到避免低溫腐蝕問題出現的目的。其三，裝配和操作難度較小，可有效解決操作不當帶來不必要麻煩的情況。其四，技術人員能夠在固定范圍內，對熱流密度進行調節，借助熱管對熱流走向加以操控，根據實際需求，判斷是否需要將熱流集中或分散。其五，傳熱方向可逆，在零重力場對吸液芯熱管進行水平放置，受熱一端便是蒸發段，與蒸發段相對的則是凝結段，并且傳熱方向可逆。

3 結束語

通過上文的分析能夠看出，在強調環境友好和資源節約的當今社會，對可使煙氣余熱得到充分利用的技術進行推廣是大勢所趨，這樣做一方面可以增加火電廠的經濟及社會效益，另一方面能夠使持續發展與節能減排得到整合，為經濟水平提高助力。在落實相關工作時，技術人員需要考慮到該技術被引入火電廠的時間較短，仍然存在亟待解決的問題，不斷對其進行優化和完善很有必要。