燃煤锅炉低温余热利用技术应用分析

  0 引言

 

  我国有80%左右的电能靠煤电产生，而燃煤产生的大量热能并未得到充分地利用。在当今“市场煤、计划电”的大背景下，随着煤价高企，发电企业亏损日益严重，如何充分利用煤炭燃烧产生的热能，提高热能的利用效率， 为发电企业创造更多的价值来弥补部分利益上的损失显得十分重要。

 

  在火力发电厂中， 锅炉尾部烟气及锅炉连续排污水以及炉底排渣的热量可以通过各种技术进行充分利用，以提高全厂的热效率。在可以获得较好经济效益和环境效益的前提下利用这些热量就显得更为重要。锅炉的余热利用有很多种方式［1-4］，比如利用锅炉尾部烟道的烟气热量加热给水的省煤器、在尾部烟道中利用烟气热量加热参与炉膛燃烧空气的空气预热器、利用锅炉的连续排污水的热量加热给水的给水加热器， 利用炉膛底部炉渣的热量加热参与锅炉燃烧的空气和给水， 除了这些常规的利用方式外， 还有利用锅炉连排水进行直接发电的装置以及深度利用锅炉尾部烟气热量的装置等。本文将详细介绍和分析目前技术较为成熟、性能较为可靠、针对汽水系统的废热和锅炉排烟系统的低温余热回收利用的技术及应用效果。

 

  1 锅炉低温余热利用技术

 

  1.1 锅炉汽水系统的余热利用技术

 

  对火电厂锅炉汽水系统的余热利用主要集中在2 个方面： 一是利用锅炉连排水所含的高品位热能做功，驱动发电机发电，剩余的水汽混合物则送至热水站，全部回收再利用，并生产出可供周围企业或居民使用的热水； 二是连排水直接引入加热器加热给水，属于常规的热能利用，效率较低。

 

  利用热水的热能驱动发电做功的原理已有相关文献介绍，本文主要介绍利用锅炉连排水依靠螺杆膨胀动力机，通过联轴器带动发电机发电的装置，其做功的机理及基本构造如图1 所示。做功后排出的水汽混合物可全部进入热水站加热水， 向社会供热水或供暖。并且可以利用排污余热加热锅炉给水，减少炉内水在炉膛内所吸收的热量，提高燃料的利用效率。

 

  螺杆膨胀动力机发电的机理是： 首先用于做功的高温热污水进入机内螺杆齿槽A， 继而推动螺杆转动，伴随螺杆转动，齿槽A 逐渐旋转至B、C、D，且容积逐渐变大，热水降压、降温膨胀做功，最后由齿槽E 排出。做功输出的功率由主轴阳螺杆输出，也可以通过同步齿轮由阴螺杆输出， 从而驱动发电机发电。螺杆膨胀发电机是目前可以适应过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相混合物、热液以及高盐分低品质流体的发电设备， 可以很好地适应锅炉连排水不稳定的压力、温度和不均衡的流量，并能在部分负荷、变转速甚至较恶劣的工况下运行，可做到无人值守，节省人工成本。

 

  1.2 锅炉排烟系统的余热利用技术

 

  火电厂锅炉各项热损失中，排烟热损失最大，一般占到了热量的5%～12%， 甚至占到锅炉总热损失的80%或者更高。一般情况下，排烟温度每升高10℃，排烟热损失就会相应增加0.6%～1.0%， 发电煤耗增加2g/（kW·h）左右。我国现役火电机组中，锅炉排烟温度一般在125～150 ℃（燃烧褐煤的锅炉在170 ℃左右）［7-8］。排烟温度偏高是一个普遍存在的现象，也由此造成巨大的热量损失。回收这部分余热主要依靠在排烟系统中安装烟气冷却器， 通过水及空气等导热介质将热能传导至锅炉的给水系统和进气系统用于加热助燃空气、凝结水或生产、生活用热水，以达到节能的目的。由于烟气冷却后可能会导致SO2等酸性腐蚀气体结露腐蚀烟囱或其他管壁， 在实际应用过程中需要格外注意。

 

  烟气深度冷却器源于欧美地区， 可以较大程度地降低烟气温度， 在丹麦成功完成了燃煤锅炉排烟温度由190℃降低到90℃的实践， 节能效果明显。

 

  当温度较高的烟气通过冷却器时， 与冷却器内翅片管束中的水进行热量交换，水吸收余热后温度上升，从而降低烟气的温度。在具体设计时，要根据需要，如锅炉排烟的温度、所燃用煤种的酸露点温度、烟气的除尘方式、脱硫系统和烟道与烟囱的布置等因素，来确定冷却器的布置形式和安放位置。由于实际运行工况与设计排烟温度可能存在较大的差距， 新建工程在设计阶段就应预留下安装冷却器及相关系统器件的位置。冷却器分高低温布置在除尘器前后的示意如图2 所示［9］。

 

  图2 所示的布置方式将冷却器按高温段和低温段分开布置，高温段布置于除尘器之前的烟道，低温段布置于除尘器之后的烟道。采用此种布置方式的特点是， 可以先由除尘器之前的冷却装置将烟气温度降低到120℃左右， 这样可以提高后侧除尘器的工作效率，增强除尘效果，并能降低除尘器的能耗，对于布袋除尘器来说还可以延长布袋的使用寿命，防止其被高温损坏；除尘器之后的冷却装置则将烟气温度进一步降低，充分利用其中的热能。这种布置方式适合于：（1）除尘器进气温度在130～150℃或更高，烟气温度过高对除尘效率、布袋使用寿命造成影响的新建工程。（2）除尘器进气温度在130~150℃或更高， 且增压风机有400 Pa 左右裕量的改造工程。（3）烟气温度在130℃左右，在除尘器后部加装高低温段整合为一的冷却器空间不足，且增压风机有400 Pa 左右裕量的改造工程。

 

  除上述布置方式以外， 还可以将冷却装置的高温段和低温段合一或分别布置在除尘器之后， 要视具体情况、具体需求来选择，这样方能达到最佳热量回收效果，节约能源和成本。

 

  2 相关技术的应用实例

 

  2.1 汽水系统的余热利用实例

 

  某2×200MW 机组采用了螺杆膨胀动力机利用锅炉连排水热能驱动发电， 并且发电做功后余热再次全部回收送入热水收集水箱， 生产热水供给电厂附近的市区及其周边用户使用，实现污水零排放，有利于环境保护和能源资源的高效利用， 符合循环经济的发展理念。

 

  该厂所用锅炉是东方汽轮机厂生产的DG-670/13.7-8 型超高压、中间再热、单汽包自然循环固态排渣锅炉，额定蒸发量为670 t/h，2 台锅炉的设计连续排污流量约为12 t/h， 实际运行流量为8～10 t/h。

 

  电厂最初的连排水利用方式是将连排水排入连排扩容器，扩容后的蒸汽进入除氧器回收，连排扩容器内的疏水经过定排扩容器排入地沟。改造后，通过加装螺杆膨胀动力机驱动发电机发电。初期试验采用1台锅炉， 通过调节锅炉顶部汽包排污阀门开度到达设计流量时， 螺杆膨胀动力机驱动的发电机组发电功率可达200 kW。运行实践表明，机组运行安全可靠， 没有出现影响汽轮发电机组安全运行的重大问题，且实现了无人值守，基本无需维护。后又对另外1 台机组的锅炉进行了加装螺杆膨胀动力发电机的改造。在2 台锅炉正常的排污流量情况下，螺杆膨胀动力发电装置可以达到300 kW 的满负荷额定容量运行，且运行正常。

 

  节能减排效益测算条件： 按螺杆膨胀动力发电机组2 台锅炉正常运行情况下，连排水可发电300 kW计算，螺杆动力机自身消耗1.1kW，锅炉年运行小时数为6 500 h，上网电价按0.35 元/（kW·h）计算。2 台200 MW 机组采用螺杆动力发电机对锅炉连排水进行回收利用，全年可增加发电量（300-1.1）×6 500 =194.285 万kW·h，可获得发电收入68.0 万元，并且还可向社会提供热水，又进一步增加了节能效益。按机组的发电煤耗率为320 g/（kW·h）计算，年可节省标准煤621.71 t。若按每吨煤燃烧要排放CO2 1.98 t计算，年可减少CO2排放1 231 t。利用发电后的锅炉连排水还可以生产出大量生产、生活用热水，使周边成本高、污染重的小锅炉逐步关停，进一步减少了污染物的排放，环境效益进一步扩展，成效会更加明显。

 

  2.2 排烟系统的余热利用实例

 

  某电厂300MW 机组采用烟气深度冷却器进行了技术改造： 在增压风机之后到脱硫塔之前的烟道增加烟气冷却装置， 把给水从6 号低压加热器前通过管道引入烟气冷却装置， 加热后再回到5 号低压加热器，这样可以使排烟温度由152℃降低到108℃，低压给水从83.8℃加热到103.7℃。改造需加装的主要设备包括烟气冷却器等相关装置、控制系统、阀门和管道，节能技改投资额约为640 万元，改造用时约45 d［9］。

 

  节能减排及经济效益测算的条件为：（1）按实施改造后的机组使排烟温度降低44℃时，可使机组的发电煤耗降低约4 g/（kW·h）；（2）300 MW 机组发电设备年利用小时数为4500h；（3）标准煤价为800 元/t。

 

  增加排烟系统的烟气深度冷却器可实现年节约标准煤5 400 t，年节约燃料购置费432 万元，设备改造的投资不到2 a 可收回。若按每吨煤燃烧排放CO21.98 t 计算，年可减少CO2排放10 692 t。经济效益和环境效益明显。

 

  3 前景展望

 

  我国2010 年全年火力发电量33 301.3亿kW·h［10］，粗略估计燃煤发电30 000 亿kW·h。以加装烟气深度冷却器为例，排烟温度平均每降低10 ℃，可减少发电煤耗2 g/（kW·h）左右，按实际应用时降低温度20℃可减少发电煤耗约4g/（kW·h）， 全国全年燃煤可节约标准煤1 200 万t； 若按每吨煤燃烧要排放CO2 1.98 t 计算，全国全年可减少CO2排放2 376 万t；按标准煤价为800 元/t 计算， 全国全年可节省资金190 亿元，经济和减排效益极为可观。如果同时还采取其他节能措施，经济和环保效果将更为明显。

 

  虽然这类热能回收再利用技术有诸多优点，但目前还少有发电企业大规模使用这项技术， 一方面受场地、资金、设备技术条件的制约，机组改造有难度；另一方面新建机组效率较原有机组有所提高，在收回成本之前发电企业无意再投资加装余热深度利用装置， 并且有些燃煤机组所用燃料不适于过低降低排烟温度，否则会造成烟道尾部设备的腐蚀，影响机组的正常运行。国家发展和改革委员会提出“十二五”期间要采取十大措施促进节能减排工作，其中第五点提到“大力发展循环经济， 提高资源产出效率”。编制和实施全国循环经济发展规划和重点领域专项规划，深化循环经济典型示范试点，推广循环经济典型示范和典型模式， 组织实施循环经济“十百千”示范工程（循环经济十大工程、百家示范城镇、千家示范企业），实现循环经济发展由试点到示范推广的转变。相信这些节能减排及经济效果明显的技术会大范围推广。

 

  4 结语

 

  通过对锅炉低温余热技术和实际应用案例的分析看出， 对锅炉余热进行利用可以产生可观的经济效益和环境效益。近年来，我国面临的节能减排压力越来越大， 作为耗能大户的各发电集团公司及其所属电厂如何积极推广应用新技术， 提高电厂的综合节能减排水平，既是电厂本身降低消耗、减少亏损、提高效益的自身追求， 又是切实履行企业应尽的社会责任的需要。余热利用这项节能技术是科技创新在火电厂节能减排、增加企业效益的具体体现，为提高能源利用效率减轻发电企业亏损拓展出了一条的可靠途径.