火力發電廠鍋爐尾部煙氣余熱利用技術研究

趙冠雄

（國家能源集團華北電力有限公司廊坊熱電廠，河北 廊坊 065000）

引言

在我國逐步進入“十三五”規劃以來，對能源的需求缺口持續擴大，特別是火力發電仍屬于電力來源的一大主要支柱，使高效用能已成為國內外行業研究的熱點內容。同時，煙氣預熱利用技術是高效用能理念的集中表現，特別是梯級用能，是煙氣利用技術遵循的核心原則之一，即以熱力學原理為基礎，全面分析能源品質，從而達到對煙氣中不同品位能源充分利用的目標[1-2]。并且，即便煙氣預熱利用技術在近幾年來取得了一定的發展成效，但是在具體應用期間，仍存在較多亟待解決的現實問題，會在很大程度上影響鍋爐尾部煙氣余熱的利用效率，進一步影響火力發電廠鍋爐運行效益。由此可見，從提升火力發電廠鍋爐尾部煙氣余熱利用效率角度考慮，本文針對火力發電廠鍋爐尾部煙氣余熱利用技術進行分析研究具有重要的價值意義。

1 火力發電廠鍋爐尾部煙氣余熱利用技術的制約因素

1.1 設備制約因素

按能量品位的差異性，排煙溫度可劃分為低溫、中溫、高溫三類，對于后兩類而言，其能量品位較高，常規處理方法包括使用余熱鍋爐回收中溫煙氣、高溫煙氣中的能量，再利用汽輪機發電轉化為電能。與此同時，該部分能量因處于較高能級，其處理方法相對簡單。而對低位能級，采取的處理方法則相對有限，普遍以脫硫系統、省煤器為主[3-4]。

其中，省煤器主要布置在鍋爐尾部豎井中煙氣溫度相對較低的區域，在火力發電廠鍋爐方面，省煤器的應用優勢作用明顯。比如，省煤器可以吸收尾部豎井中的煙氣熱量，降低鍋爐的排煙溫度，提高鍋爐的熱作業效率，進一步滿足節約燃料的要求。通常，給水進入水冷壁前需要與省煤器中進行加熱處理，以此控制、減少水在水冷壁中預熱所需的熱量，并在一定程度上縮短熱水段的長度，即使用價格低廉、管壁薄、管徑小的省煤器，能夠使受熱面能替代部分造價高昂的水冷壁受熱面，從而達到節約初期投資投入的目標。同時，省煤器的使用能明顯提升進入汽包的水溫，控制汽包壁與給水之間的溫度差，使汽包熱應力有效降低，進一步提高機組運行的安全性。此外，即便省煤器在低溫煙氣預熱回收作業中的作用顯著，但是對煙氣流速的要求較為嚴格。由此可見，煙氣流速對總體煙氣換熱的成效影響較大。綜合考慮，需優化火力發電廠鍋爐設備，避免受到設備制約，影響鍋爐尾部煙氣余熱利用效率。

1.2 低溫腐蝕因素

低溫腐蝕普遍發生于煙道尾部，該部分煙氣屬于低溫煙氣。其中，燃料中硫元素燃燒后形成二氧化硫。特別是煙氣中由爐膛逐步流向煙道過程中的二氧化硫，逐步氧化形成三氧化硫。三氧化硫與空氣中的水蒸氣相結合，易形成硫酸蒸汽，而煙氣中的酸露點與三氧化硫的含量之間存在正相關關系，即露點溫度隨著三氧化硫的含量遞增逐步上升。同時，酸露點明顯高于水露點，可達到150 ℃左右，意味著硫酸蒸汽可能凝結于壁面，對金屬壁面造成相對嚴重的腐蝕問題。此外，低溫腐蝕問題的發生對余熱利用的影響較大，比如空氣預熱器可能因腐蝕造成穿透，進一步導致空氣與煙氣相混合。

2 火力發電廠鍋爐尾部煙氣余熱利用技術的應用要點

2.1 熱管換熱器的應用

熱管換熱器指由管體所構成的換熱器設備，其中熱管指作用高效的傳熱原件，被廣泛應用在現代火電廠發電領域，其內部組成主要依靠工質循環進行熱量傳遞。在具體使用期間，熱管自身具備良好的導熱性能及其相應的應用優勢，且節能效果良好。與此同時，熱管換熱器的工作原理相對簡單，即熱源向吸熱端提供能量過程中，處于管體內部的低沸點液體經吸熱處理后完成汽化反應，該部分汽化后工質受壓力作用影響，沿著管體內部流向放熱段，工質釋放的熱量經冷凝后形成為液體，該流程中毛細液芯具有節流閥的作用，總體循環過程的本質是高品位能量向低品位能量流動的過程，這與熱力學定律相符。

值得注意的是，熱管換熱器的設計優越性較為突出，具有工作性質良好、低溫腐蝕損害少、作業原理簡單、設備輕便易操作、傳熱方向可逆性等鮮明特點優勢。其中，運用熱管換熱器能保證作業管體具備良好的導熱性；受熱管換熱器能有效控制壁溫的影響。因此，相關技術人員可通過增加壁面溫度、規避酸露點等方法，有效解決低溫腐蝕的問題。熱管換熱器則具有傳熱過程中傳熱方向可逆性的特點優勢，該特點優勢完全取決于兩端的受熱狀況，特別是對有吸液芯的熱管，經水平放置或處于零重力場下時，任何一段受熱均可能演變成為蒸發段，另一端則演變成為凝結段。此外，在熱管換熱器在傳熱期間，其熱流密度具有突出的可調性優勢，熱管能在很大范圍內調整加熱段、放熱段的熱流密度，特別是在具體作業期間，熱管能輕易操控熱流的走向。由此可見，在應用鍋爐尾部煙氣余熱利用技術期間，需合理使用熱管換熱器，以此確保鍋爐尾部煙氣余熱利用技術的應用效果得到有效提升，進一步使火力發電廠鍋爐運行的綜合效益得到有效提升。

2.2 相變換熱器的應用

相變換熱器是以熱管換熱器為基礎演變發展所形成的一種全新技術，不同于熱管換熱器，相變換熱器的突出特點優勢在于相變，即持續細化、優化壁面溫度的控制原理，以理論層面為基礎，滿足控制低溫腐蝕的要求[5]。其中，相變模塊指熱管換熱器的總體化設計，能保證溫度梯度始終處于較小的范圍，通過在集合相變期間采取調節水量參數的措施，以達到精準控制壁面溫度的要求。從工作原理角度分析，相變換熱器主要通過汽水分離裝置兩端連接上下管式換熱器，確保蒸發段位于下端，吸收鍋爐尾部煙氣余熱后使其內部介質始終處于相變態的階段。

與此同時，所有蒸汽則沿著管內上升進入汽水分離裝置，蒸汽進一步上升至上部冷凝段后，能使介質蒸汽由氣態向液態轉變，再沿著管壁流入汽水分離裝置，進一步依次為循環進行吸熱及放熱處理。在相變換熱器循環作業期間，循環介質量及介質所處于的工況被視為調節量，能滿足更為精準控制壁溫的要求。相變換熱器的應用優勢相對突出，其余熱回收的適應性較強，特別是因自身構造特殊性的影響，能明顯控制、降低排煙的溫度，并在很大程度上提升余熱回收的作業效率，節約能源消耗量，為火電發電廠贏得可觀的經濟效益。

并且，相變換熱器能精準規避低溫腐蝕問題，受水量控制參數的影響，使技術人員對壁面溫度的控制模式趨向精確化，側面說明運用相變換熱器能明顯消除低溫腐蝕所產生的危害。當然，相變換熱器通常將原熱管換熱器中相對獨立的部分，經優化設計處理后，構造形成相互關聯的整體，不僅能保證設計結構的整潔性，而且還能在很大程度上提升其一體化程度。

此外，相變換熱器材料的耐用性較強，即相變換熱器除繼承熱管換熱器優越的技術特性外，還能有效處理不凝結氣體等問題，使材料的耐用性得到有效提升。因此，綜合考慮，有必要在火力發電廠鍋爐尾部煙氣余熱利用技術應用期間，合理應用相變換熱器，因此提升鍋爐運行效率及質量。

3 結語

通過本文的分析探究，認識到煙氣余熱利用技術是近幾年來我國能源領域重點發展的一種節能技術，其主體由熱管換熱器與相變換熱器兩種節能模式共同組成。但是，即便上述兩種節能技術方案能夠取得較好的節能效果，但是在具體工程應用期間，仍存在一系列問題，比如設備制約問題、低溫腐蝕問題等。對此，火力發電廠需遵循“具體問題、具體分析”的基本工作原則，加大對鍋爐尾部煙氣余熱利用技術應用的重視性，深入探究、分析技術應用效果，提高技術應用成效，進一步為火力發電廠鍋爐高效、經濟運行提供充分有效的技術支撐。