燃煤電廠煙氣余熱回收技術工程應用研究

摘 要：隨著材料技術的發展，燃煤電廠的能源利用率已大幅提高，但尾部低溫煙氣中的熱量仍未得到充分利用，基本排入了大氣中，造成極大的能源浪費。現介紹某電廠330 MW熱電機組余熱回收裝置的技術改造方案，通過煙氣冷凝器和熱媒水—凝結水換熱器吸收置換煙氣中的熱量，降低排煙溫度，減少鍋爐熱損失，提高除鹽水補水的溫度，達到了較好的效果。

關鍵詞：余熱回收;煙氣冷凝器;換熱器

中圖分類號：TM621.2;TK115? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）13-0078-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.022

0??? 引言

我國2020年的社會能源消費結構中，煤炭能源消費占比56.8%，消費總量達到49.8億t[1]。雖然近幾年我國風電、太陽能等清潔能源產業蓬勃發展，但以社會主要能源消費形式的電能為例，2021年以燃煤為主的火電廠發電量仍然占據全社會發電總量的70%以上。當前，我國明確提出了碳達峰、碳中和的雙控戰略目標，給廣大能源企業節能減排也提出了更高的要求，在短期內無法改變以煤電為主的電力能源消費結構的情況下，發電企業通過降低排煙溫度，充分利用鍋爐煙氣中的余熱，是實現節能降耗、減少二氧化碳排放最有效的方法之一，這對于鍋爐效率的提高乃至整個電廠經濟效益的提升也十分重要。

1??? 余熱利用技術

燃煤電廠鍋爐熱損失是影響火電機組鍋爐效率的重要因素，其中排煙熱損失是鍋爐熱損失中最大的一項[2]，占鍋爐熱損失的70%～80%。國內火電廠空預器出口排煙溫度一般在110～150 ℃，部分老舊機組甚至超過了160 ℃。常規火電站鍋爐煙氣從空預器出來后，通過電除塵、脫硫系統除去煙塵和硫化物后，直接從煙囪排放到大氣中，煙氣中的大量余熱未得到充分利用，極大地浪費了能源[3]。通過余熱回收利用可降低發電煤耗，減少碳排放并提高經濟效益，很多發電企業都通過各種技術改造實現對這部分低溫煙氣中熱量的利用。

電廠對煙氣余熱回收利用的目的和考慮側重點不同，采用的煙氣余熱回收技術和回收裝置的布點位置也各有不同。燃煤電廠煙氣余熱回收技術[4]一般有煙氣余熱褐煤干燥技術、低溫省煤器回收煙氣余熱技術、熱泵回收煙氣余熱技術等。布置方式上，余熱回收目前主要有以下幾種形式（圖1）：①布置在空預器后、靜電除塵器前;②布置在引風機與脫硫塔之間;③如排煙溫度較高，亦可采用兩級串聯布置[3]：第一級（高溫段）布置在空氣預熱器與靜電除塵器之間，第二級（低溫段）布置在引風機與脫硫塔之間;④布置在脫硫塔和煙囪之間。上述幾種余熱回收技術和布置方式在現場都有工程應用實例。本文主要介紹一種火電廠尾部煙道階梯式余熱回收裝置的工程應用實例及試運效果，該裝置分兩級換熱器吸收置換低溫煙氣中的熱量，減少尾部排煙的熱量攜帶，并提高除鹽水補水溫度和鍋爐凝結水溫度。

2??? 工程應用

2.1??? 改造前概況

某電廠2號機組為330 MW自然循環亞臨界燃煤供熱發電機組，同步配套設計建設石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置、濕煙囪，無脫硫增壓風機和煙氣換熱器等設備，吸收塔出口煙氣排放溫度約50 ℃。該機組于2017年進行了煙氣超低排放改造，改造期間在尾部煙道中增設管式煙氣換熱器（管式GGH），煙氣冷卻器布置在靜電除塵器之前，煙氣加熱器布置在吸收塔出口濕式靜電除塵器和煙囪之間（圖2），通過熱媒水循環泵的水循環實現冷卻器和加熱器的熱量交換，將凈煙氣的排放溫度抬升到78 ℃左右，消除白煙現象。

按照浙江省發布的《燃煤電廠大氣污染物排放標準》（DB 33/2147—2018）：采用煙氣冷凝再熱技術且能達到消除石膏雨和白色煙羽同等效果的，正常工況下排放煙溫必須持續穩定達到54 ℃以上，冬季和重污染預警啟動時排放煙溫應持續穩定達到56 ℃以上。加裝煙氣冷凝器后，煙氣排放溫度達到56 ℃以上即可滿足環保要求。2號機組通過余熱回收技術改造，回收利用管式GGH系統的部分富余熱量來加熱凝結水，降低凈煙氣排放溫度，提高鍋爐熱效率。

2.2??? 改造范圍

2.2.1??? 煙氣冷凝器

2號機組煙氣冷凝器布置在濕式靜電除塵器本體與水平煙道除霧器之間的煙道上（圖2中①），煙氣冷凝器的殼體選用2205雙相不銹鋼材質，壁厚6 mm;煙氣冷凝器換熱材質為鈦管，換熱管采用規格為？準25×1的光管，煙氣冷凝器設置6路沖洗水管路，可定期對煙氣冷凝器進行沖洗。除鹽水從原除鹽水母管引旁路進入煙氣冷凝器內與煙氣進行間壁式換熱再進入機組凝儲水箱，除鹽水母管上設有流量調節閥（圖2中4），通過PID調節實現凝儲水箱水位自動控制，煙氣冷凝器除鹽水旁路閥（圖2中5）用于冷凝器故障檢修時切除煙道冷凝器以保障機組正常運行。煙氣冷凝器運行中低溫煙氣釋放的熱量被除鹽水吸收，除鹽水被加熱升溫，從而降低排煙溫度回收熱量。脫硫后飽和凈煙氣經換熱冷凝后，會產生大量的煙氣冷凝水（約21.37 t/h），冷凝水自流至煙氣冷凝水箱（圖2中③），冷凝水呈弱酸性（pH值4.0～6.0），通過加藥裝置在水箱中加適量的堿，將pH值控制在7.0～9.0，經煙氣冷凝水泵外排至脫硫工藝水箱，實現冷凝水回收利用。

2.2.2??? 熱媒水—凝結水換熱器

管式GGH煙氣冷卻器將空預器出口煙氣溫度由120 ℃左右降至85 ℃以下，額定工況下可回收熱量約16.24 MW，將熱媒循環水（總流量500 t/h）溫度由70 ℃加熱至約98 ℃，加熱后的熱水原本全部用于GGH煙氣加熱器提升出口凈煙氣溫度。為進一步利用管式GGH換熱器的富余熱量，提高機組凝結水的溫度，本次2號機組余熱回收改造在現有管式GGH熱媒循環水系統的基礎上，新增一臺熱媒水—凝結水換熱器（管殼式換熱器）及相應管道與管式GGH煙氣加熱器并聯運行。熱媒水—凝結水換熱器管程和殼程的所有部件材質均選用304不銹鋼，換熱管為無縫鋼管。通過熱媒水—凝結水換熱器進口調節閥（圖2中1），從管式GGH煙氣冷卻器后的熱媒水母管抽取一部分熱媒水進入熱媒水—凝結水換熱器加熱凝結水，將凝結水溫度提升12 ℃，剩余部分熱媒水去管式GGH煙氣加熱器提升凈煙氣溫度。

3??? 運行效果

2號機組余熱回收裝置改造完成后進行試運行，鍋爐負荷穩定在90%左右，此時管式GGH煙氣冷卻器的熱媒循環水總流量為490.8 t/h，通過熱媒水—凝結水換熱器進口調節閥（圖2中1）抽取176.1 t/h熱媒水通過熱媒水—凝結水換熱器（管殼式換熱器）加熱凝結水，其余314.7 t/h熱媒水去管式GGH煙氣加熱器將冷凝器后的凈煙氣溫度升高至61.33 ℃后排放。余熱回收裝置主要試運行參數記錄如表1所示。

表1中余熱回收裝置試運行數據顯示，通過階梯式余熱回收利用系統的改造，鍋爐90%負荷穩定運行時，經過熱媒水—凝結水換熱器的凝結水溫度從37.52 ℃提高到47.13 ℃，溫升9.61 ℃。煙氣冷凝器投運后，脫硫出口凈煙氣溫度由49.2 ℃降至45.18 ℃，隨著煙氣溫度降低，這部分煙氣中的水蒸氣凝結可釋放出潛熱約15.55 MW，該部分熱量被除鹽水吸收，除鹽水補水溫度從23.52 ℃提高到47.46 ℃，除鹽水溫升23.94 ℃。經管式GGH煙氣加熱器后的排煙溫度從投運前的76.65 ℃降低至61.33 ℃，凈煙氣排煙溫度下降15.32 ℃。根據相關研究文獻[4-6]，火電廠鍋爐排煙溫度的高低是降低排煙損失的重要指標，一般情況下鍋爐的排煙溫度每降低10～15 ℃，鍋爐熱效率可提高約1%。從2號機組余熱回收裝置運行試驗數據結果可以看出，余熱回收裝置投運后，脫硫出口凈煙氣排煙溫度下降了15.32 ℃，鍋爐熱效率提高1%左右，可有效降低鍋爐發電煤耗，提高鍋爐運行經濟性。余熱回收系統運行時，煙氣冷凝器的冷凝水量回收量為19.83 t/h，這部分冷凝水均可被回收至脫硫工藝水系統再次利用，以該電廠年機組利用小時數7 000 h計，一臺機組年可節約脫硫系統用水約14萬t。

4??? 結語

利用換熱器階梯布置吸收熱量的煙氣余熱回收裝置，通過增加煙氣冷凝器、熱媒水—凝結水換熱器等設施，提高進入鍋爐的除鹽水和凝結水溫度，降低排煙溫度，有效減少鍋爐熱損失，效果較為明顯;同時，脫硫凈煙氣的水汽通過煙氣冷凝器被回收，冷凝水經初步加堿中和處理后即可進入脫硫工藝水系統實現回收利用，可大幅降低脫硫系統的運行水耗，節約有限的水資源。

火電廠煙氣余熱回收和利用，對節能降耗、提高電廠經濟性具有重要作用。從某電廠2號機組余熱回收改造結果綜合分析，達到了預期效果，但由于考慮低溫煙氣的腐蝕等問題，冷凝器材質選用較為昂貴的2205雙相不銹鋼及鈦管，加上附屬各種換熱器、管道、泵、閥門等設施較多，設備和安裝成本較高，初期投資大，收回成本周期較長。因此，未來煙氣余熱回收利用仍需在新材料應用、系統優化、換熱器設備選型和熱泵技術等方面進一步研究[5]，在開發高效余熱利用方法的同時，考量綜合成本和設備安全，兼顧安全性和經濟性。

[參考文獻]

[1] 李娜，楊景勝，陳嘉茹.“雙碳”背景下能源行業的機遇和挑戰[J].中國國土資源經濟，2021，34（12）：63-69.

[2] 寧玉琴，孫少鵬，田鑫，等.大型燃煤電站鍋爐典型煙氣余熱回收系統的性能分析[J].節能，2013，32（7）：34-38.

[3] 李瓊，張穎，安國銀，等.電站鍋爐煙氣余熱回收利用裝置的試驗分析及研究[J].電站系統工程，2016，32（2）：34-36.

[4] 王磊，童家麟，呂洪坤，等.國內煙氣余熱利用技術的新進展[J].浙江電力，2018，37（2）：57-61.

[5] 李允超，趙大周，劉博，等.火電廠煙氣余熱利用現狀與展望[J].發電技術，2019，40（3）：270-275.

[6] 陳超.熱管式換熱器在鍋爐煙氣余熱回收中的應用[J].山東工業技術，2017（3）：187-188.

收稿日期：2022-04-02

作者簡介：朱軍超（1980—），男，浙江紹興人，工程師，主要從事燃煤電廠環保工程調試設計工作。