我国烟气余热利用换热器发展概述

  1 烟气余热利用的前景

 

  1.1 我国余热资源情况

 

  余热资源是指在现有条件下，在能源利用设备中没有被利用的多余或废弃的能源，是有可能回收而尚未回收的能量，广泛存在电站锅炉及工业设备中。从其来源分可分为高温烟气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热等六类，其中，高温烟气余热总量约占余热总资源的50%，冷却介质余热占余热总资源的20%，废汽废水余热占11%。

 

  余热属于二次能源，我国余热资源丰富，各种工业炉窑的能量支出中，废气余热约占15%～35%，锅炉烟气热损失是各项热损失中最大的一项，一般在5%～8%之间。特别是在钢铁、电力、有色、化工、水泥、建材、石油与石化、轻工、煤炭等行业，余热资源约占其燃料总消耗量的17%～67%，其中可回收率达60%。目前，我国余热资源利用比例低，大型钢铁企业余热利用率约为30%～50%，其他行业则更低，余热利用提升潜力大。

 

  高温烟气的排烟温度高一直是影响锅炉经济运行的主要原因。国家质检总局颁布的《锅炉节能技术监督管理规程》也明确规定，“锅炉排烟温度设计应当综合考虑锅炉的安全性和经济性，并且符合以下要求：（一）额定蒸发量小于1t/h的蒸汽锅炉，不高于230℃；（二）额定蒸发量小于0.7MW的蒸汽锅炉，不高于180℃。”为减轻低温腐蚀，一般排烟温度设计在130℃～150℃，但由于尾部受热面积灰、腐蚀、漏风和燃烧工况的影响，实际运行排烟温度大都高于设计值20℃以上，燃用高硫煤的锅炉排烟温度甚至高达200℃。排烟温度每升高10℃，锅炉热效率约下降1%。对大型发电锅炉，锅炉效率已高达90%～94%，哪怕锅炉效率提高1%，其经济效益和社会效益也是巨大的，因此锅炉的运行效率直接影响企业的经济效益。如果能有效利用这些余热，则可节约大量能源，减少大气污染，且降低企业生产成本，因此余热利用对我国实现节能减排及环保战略具有重要的现实意义。

 

  1.2 燃煤电厂的发展

 

  目前， 我国煤炭产量约一半用于发电， 约73.4%的装机是火电机组，发电量的81%来自火电。

 

  一次能源结构决定了我国在相当一段时间内以化石燃料为主要能源。火电装机仍然在发电装机中占有决定性地位。发电企业燃料成本占全部成本的70%以上。

 

  电力生产是工业经济发展的原动机和国民生活的基本保障。从2007～2011各年度数据看，火力发电量成稳定增长态势，火力发电量占全口径发电量的比重稳定波动，2011年比重呈现波峰增长态势。

 

  2011年我国电源建设火电投资为1054亿元，其中煤电投资为903亿元，占火电投资的85.67%。中国煤炭消费34.25亿吨，占一次能源消费总量近7成，煤炭产量约一半用于发电。年我国火力发电装机容量为76546万千瓦，其中煤电70667万千瓦，比例高达92.32%，2010年这一比例为92.00%。2011年火电装机容量占发电总装机容量的72.50%，火电发电量占全口径发电总量的82.45%。

 

  图1 2007~2011全口径发电量与火电发电量情况及2011电力生产构成虽然近几年民众和政府环保意识不断加强，政府对节能减排工作力度不断加大，火电装机容量占总发电装机容量的比重及同比增长情况有所下降，但是二者下降均非常有限。从截至2007-2011各年底发电装机总容量及火电装机容量来看，均处于平稳增长趋势。火力发电装机容量增长维持在8%以上，每年新增发电装机容量中，火力发电仍然是重中之重。天然气、水电、风能以及太阳能等清洁能源比重偏低，其发展任重道远。火力发电装机容量及火力发电量占绝对比重的情况将在我国长期存在。“十二五”期间，全国规划煤电开工规模3亿千瓦，投产规模2.9亿千瓦。

 

  1.3 煤电机组大气污染情况

 

  2011年全国火电装机容量和发电量分别比上一年增长8.17%和14.16%，2009年全国电力烟尘年排放量为235万吨，2011年就降到155万吨；2009年全国二氧化硫排放总量为2214.4万吨，电力行业二氧化硫排放量约占全国排放总量的46.4%，为1027.5万吨。2011年全国电力二氧化硫排放降到913万吨，电力行业二氧化硫排放量约占全国排放总量的比重降到41.2%；2009年全国氮氧化物排放总量为1692.7万吨，电力行业氮氧化物排放量约占全国排放总量的49%，截止2011底，全国已投运脱销机组1.4亿千瓦，具有年脱除氮氧化物140万吨的能力。

 

  说明近几年来，电力行业污染物排放大幅度下降，在全国所占的比例也同时降低。

 

  1.4 “十二五”煤电发展趋势

 

  节能、减排是电力行业“十二五”发展的重要方向，是火电厂必须完成的硬指标。《节能减排“十二五”规划》中明确提出了“十二五”期间火电厂供电煤耗、二氧化硫排放量、氮氧化物排放量等指标要求，如表1所示：

 

  国家最新出台的《火电厂大气污染排放标准（2011）》已经对火电厂的烟尘、二氧化硫及氮氧化物等重要污染物的排放均提出了比发达国家更加严格的指标。这就要求发电企业必须采用效率更高的除尘、脱硫和脱硝设备，必须采用生成氮氧化物超低的新一代低NOx燃烧技术，这将大大地增加企业的环保成本。

 

  因此，发电企业面临污染物排放的总量控制和指标控制的双重压力，不得不在提高机组参数、提高效率、节水、节油、节电以及余热回收方面下功夫，这增加了电厂投资和运行成本。对锅炉辅助设备制造厂来说带来了新的市场，对烟气余热回收这种新项目的推广带来了不可多得的机遇。

 

  1.5 煤电锅炉余热利用情况

 

  电站锅炉是现代火力发电厂的主要设备之一，锅炉排烟热损失是电站锅炉各项热损失中最大的一项，一般在5%～8%之间，占锅炉总热损失的80%或更高。一般来说，排烟温度每升高10℃，锅炉热效率大约降低1.0%，发电煤耗增加2克/千瓦时左右。

 

  我国“十二五”煤电发展的目标是从机组运行经济性分析、设备质量以及燃料管理等多个方面入手，在燃煤发电生产过程中减少煤源消耗、降低供电煤耗，实现2015年比2010年通过火电煤耗下降而节约标煤3523万吨。推动煤电继续向大容量、高参数、环保型方向发展，优化机组运行方式。实现电力生产的绿色发展，化石燃料的高效清洁利用，燃煤电厂烟气余热深度回收利用，火电厂烟尘、二氧化硫、氮氧化物等污染物的达标排放成为重要课题。

 

  烟气余热利用换热器是有助于实现电力生产绿色发展的有效锅炉辅助设备，目前在我国还处于起步阶段。

 

  2012年国家发改委、国家能源局、财政部以[2012]1662号文下发了《关于开展燃煤电厂综合升级改造工作的通知》，要求各发电企业针对单机容量大于10万千瓦、小于100万千瓦的燃煤机组实施综合升级改造，项目的年节能量包括发电降耗和供热改造提效两部分，并给予一系列优惠政策的支持。其中锅炉系统改造项目列为首项的是“锅炉排烟余热回收利用”，升级提效的效果是“采用烟气余热利用换热器技术，若排烟温度降低30℃，机组供电煤耗可降低1.8克/千瓦时，脱硫系统耗水量减少70%”。目前锅炉烟气余热回收已是一项成熟技术，适用于排烟温度比设计高20℃的机组运用。国家发改委等三部委文件的下发，对烟气余热回收利用起到了助推的作用。

 

  烟气余热回收技术不止是只有加装一级烟气余热利用换热器的简单方案，对于燃用高水分褐煤的电站锅炉，烟气体积含水量达15%左右，与燃用烟煤锅炉相比排烟携带更大热量，排烟温度可能高达150℃～160℃。因此，燃用褐煤锅炉的排烟余热回收技术，还需要采用高效的梯级烟气余热利用方案，即烟气余热分两级利用，高温段与空气预热器并列设置旁路省煤器（换热器），其中一部分用来加热给水泵后的高压给水，另一部分加热低压给水；低温段是在除尘器后设置烟气-水-空气换热器，用烟气回收的热量加热冷空气，作为空气预热器冷风进口的暖风器。两级回收系统投资高，但具有更好地节能效果，该项技术已于2002年在德国百万千瓦超超临界机组上使用，增加设置了高效烟气余热回收系统后，发电标煤耗降低7克/千瓦时。烟气余热回收循环流程如下图3所示：

 

  目前我国褐煤机组上还没有使用过这样的余热回收系统，仅仅在600MW褐煤超临界机组系统设计中开始考虑采用该方案。初步预测常规烟气余热利用方案与无烟气余热利用方案相比，降低供电煤耗1.5克/千瓦时，而高效两级烟气余热利用方案可降低供电煤耗5克/千瓦时以上。由此可见，对于褐煤机组烟气余热回收的经济社会效益更加显著。

 

  2 烟气余热利用换热器产品介绍

 

  省煤器是锅炉重要部件之一，是在锅炉尾部烟道中加热锅炉给水的受热面，起到节省燃料和降低排烟温度的作用。而烟气余热利用换热器为近年来的行业新产品，其既可以通过改造方式加装在原有锅炉上，也可以安装在新建锅炉上。从1985年开始，我国开始引进国外“烟气深度冷却余热利用”技术，进行烟气余热利用换热器的研究。进入21世纪，针对行业中的关键技术，国内制造商加大了研究力度和投入，针对烟气深度冷却余热利用技术所涉及的酸腐蚀和积灰问题进行重点突破。随着国内材料技术、外扩展受热面技术及火电行业整体技术水平的提高，锅炉辅助设备行业技术也取得了重大进展，“烟气深度冷却余热利用”中的酸腐蚀和积灰等关键性难题得到突破。我国烟气余热利用换热器制造开始进入技术创新和突破的新时期。

 

  近几年，烟气余热利用换热器原材料成本逐步走低，电煤价格却步步攀升，火电行业最大的成本支出为煤等化石燃料，发电煤耗指标的高低决定着火电行业的盈亏。同时在节能环保意识不断增强、国家对火电厂节能减排工作要求不断提升的情况下，实现节能降耗、减排环保对发电企业变得日益重要。降低排烟温度成为火电行业实现节能降耗、减排环保的重要途径之一。目前烟气余热利用换热器在国内电厂的应用处于起步阶段。

 

  烟气余热利用换热器

 

  烟气余热利用换热器采用翅片管作为传热元件，翅片管内通水，烟气流经翅片管外壁，因水温低于烟气温度，水经翅片管吸收烟气的热量，水温升高的同时使烟气温度降低。烟气温度通过传统省煤器的吸热从400℃降至130℃，再通过烟气余热利用换热器降到85℃左右，并将这部分烟气余热进行利用，达到节能降耗、减排环保的目的。烟气余热利用换热器通过降低锅炉排烟温度达到回收的烟气余热。

 

  2.1 节能降耗

 

  2.1.1 加热凝结水。从某级低加取水（部分或者全部），经烟气余热利用换热器加热后，回水至温度更高一级的低加，可与某级低加并联也可串联于两台低加之间。通过减少低压加热器从汽轮机的抽气量，提高汽轮机发电能力，达到改善机组整体循环效率的目的。

 

  2.1.2 加热热网水用于供热，也可作为冷暖空调的热源。

 

  2.1.3 用于加热脱硫后的低温烟气（相当于GGH的功能）。布置在脱硫塔之前的烟气冷却器与脱硫塔之后的烟气加热器的工质形成一个闭式循环系统。烟气余热利用换热器加热工质，工质在烟气加热器侧放热，加热低温烟气，其具有降低烟囱的低温腐蚀作用；同时有利于消除烟囱的“烟羽”（影像视觉效果）、“石膏雨”（污染环境）的现象。与GGH相比，换热器无转动部件，具有不漏风（原烟气侧与净烟气侧实现完全隔离）、不易堵塞、换热面易于清理的优点。

 

  2.1.4 作为暖风器的热源，加热锅炉进风。

 

  2.2 节水

 

  除以上用途可实现节能降耗之外，将烟气余热利用换热器安装于脱硫塔之前，有利于降低脱硫系统为使烟尘温度降至脱硫最佳工艺温度的强制冷却耗水量，具有“节水”的功效。

 

  2.3 减排

 

  在电除尘器之前加装烟气余热利用换热器，降低进入电除尘器的烟气温度，可以降低烟气体积流量，降低烟气流速，同时降低飞灰比电阻，从而大大提高电除尘器的除尘效率。对电袋复合式除尘器或布袋除尘器而言，降低烟气温度，可提高除尘器滤袋的使用寿命，延长滤袋的更换周期，减少电厂的维护费用。

 

  3 烟气余热利用换热器行业发展推动因素及需求情况3.1 火电行业的大发展带来的市场新增需求

 

  随着我国经济的持续高速增长和对电力的需求扩大，2011年火力发电量达到3.90万亿千瓦时，电站锅炉产量达到53.88万蒸发量吨。持续增长的电力需求为烟气余热利用换热器创造了市场空间。

 

  根据相关规划，我国火力发电装机量2015年将达9.28亿千瓦，2020年装机量将达11.7亿千瓦，比2011年的7.07亿千瓦有大幅提升。

 

  目前，全国火电装机容量达7.7亿千瓦，增长38.8%。全国30万千瓦及以上大型火电机组占火电机组比重由62.5%提高到76%，其中，60万千瓦及以上清洁机组占火电机组比重已达39%。新建机组将以60万千瓦机组为主，30万千瓦机组居其次，100万千瓦机组将得到大力发展。

 

  国家“节能减排”政策推动新型省煤器的发展节能减排是我国未来社会发展的重要工作。烟气余热利用换热器通过对烟气余热的二次吸收，有效节约能源，提高煤利用效率，利于煤炭深加工利用的实现，将有效推动煤电机组满足《节能减排“十二五”》中对火电行业单位机组每千瓦时的发电耗煤量减少8克的节能要求。

 

  根据我国电力发展规划，估算出我国在役火电机组增配烟气余热利用换热器产品的市场容量。预计2012年市场规模约3.9亿元，2013年为16亿元，至2016年将达到24亿元左右。具体如下图7所示：

 

  4 我国烟气余热利用换热器市场竞争情况

 

  目前我国烟气余热利用换热器领域主要企业有青岛达能环保设备股份有限公司、济南达能动力技术有限责任公司、上海格林热能设备有限公司、北京沃德信实德环保科技有限公司、福建龙净环保股份有限公司及江苏海德节能科技有限公司。

 

  目前从事烟气余热利用换热器产品设计和制造的企业数量较少，部分厂家原为除尘器生产厂家，其在烟气余热利用换热器产品方面的技术储备较少，专业性较弱，以上海成套、青岛达能以及传统省煤器生产厂家为代表的企业，其具有一定的技术储备，研发实力较强，具有一定竞争优势。目前该领域投标也主要由上述几个厂家最终入围并参与，占据了绝大部分市场份额，其中青岛达能环保设备股份有限公司在行业中占据优势位置。

 

  5 行业发展存在的主要问题及对策建议

 

  节能减排是我国当前推动工业可持续性发展的国策。随着《节能减排“十二五”规划》的实施，我国火电行业在培养大型化、规模化的大中型电站的同时，向低能耗、低排放的方向发展，而烟气余热利用换热器能够在降低大型火电锅炉能耗的基础上进一步提升除尘器的除尘效果，在政策和市场需求的双重推动下，烟气余热利用换热器未来将迎来广泛的市场空间。虽然国内开展燃煤电厂余热深度利用研究已有较长时间，但烟气余热利用换热器技术的成熟及应用始于近两年，仍存在推广及应用速度缓慢及市场机制不健全、产品标准不统一、技术交流欠缺等问题。

 

  针对上述问题，相关协会及政府部门应首先充分发挥政策的导向作用，积极扶持烟气余热利用换热器骨干企业并提高其自主创新能力，健全行业的市场管理机制，规范监督管理；其次还应进一步加强国际交流与合作，加强国内新型省煤器生产企业与国外同行业先进企业的沟通交流，推动技术引进与吸收，不断提高行业的整体水平。