燃煤電站加裝低溫省煤器的節(jié)能環(huán)保分析

魏書(shū)洲1，劉喆1，邵建林1,白凌1,程偉良2

(1.三河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北三河065201；2.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206)

摘要：排煙損失是電站鍋爐損失中所占份額最大的一項(xiàng)，目前已有多種圍繞煙氣余熱利用的技術(shù)，低溫省煤器是其中應(yīng)用較多的一種。通過(guò)回收煙氣余熱，用以加熱凝結(jié)水或熱網(wǎng)水，不僅節(jié)能效果顯著，對(duì)后續(xù)環(huán)保設(shè)備的運(yùn)行也有較大作用。針對(duì)本350 MW燃煤發(fā)電機(jī)組采用低溫省煤器技術(shù)后，加熱低壓回?zé)峒訜崞鱽?lái)的凝結(jié)水，節(jié)煤效果比較明顯，而且隨運(yùn)行負(fù)荷增加，節(jié)煤效果也在增加；同時(shí)煙氣溫度和體積流量也在減少，降低了粉塵比電阻，提升了除塵效率。因此，在當(dāng)前環(huán)保要求愈為苛刻的情況下，大力推廣電除塵器前設(shè)置低溫省煤器的技術(shù)很有意義。

關(guān)鍵詞：低溫省煤器；節(jié)能；環(huán)保；粉塵比電阻

中圖分類號(hào)：TM621.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6339 (2015) 05-0432-04

Abstract：The loss of exhaust flue gas is the biggest of the loss of power station boiler. There are many kinds of technology of the waste heat utilization, such as the low economizer technology. By recovering the waste heat of the flue gas to obtain the heating for condensation water or hot-water network, not only the effect on energy-saving is remarkable, but also is beneficial to the operation of environmental protection equipment. Using the technology of low temperature economizer for the 350 MW coal-fired generating units and heating the condensation of water, the effect on coal saving is obvious. Moreover,as it increased, effect on coal saving also increased with the increase of load operation. The flue gas temperature and volumetric flow rate reduce, resulting in the decrease of dust specific resistance, and finally improve the efficiency of dust removal. Therefore, the emission standards are more stringent in the current environmental protection condition, it is very meaningful to promote the technology of low temperature economizer before electric dust collector.

收稿日期2015-07-05修訂稿日期2015-08-25

基金項(xiàng)目：北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(3132017);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476056)

作者簡(jiǎn)介：魏書(shū)洲(1981~)，男，大學(xué)本科，工程師，從事火電廠節(jié)能環(huán)保技術(shù)研究及相關(guān)項(xiàng)目管理。

Analysis of Energy Saving and Environmental Protection with Low Temperature Economizer in Coal Power Station

WEI Shu-zhou1, LIU Zhe1, SHAO Jian-lin1，BAI Ling1,CHENG Wei-liang2

(1．Sanhe Power Generation Co., Ltd., Sanhe 065201,China;2.School of Energy Power

and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206,China)

Key words：low-temperature economizer;energy saving;environmental protection；dust specific resistance

0引言

電站鍋爐是現(xiàn)代火力發(fā)電廠的主要設(shè)備之一，鍋爐排煙熱損失是電站鍋爐各項(xiàng)熱損失中最大的一項(xiàng)，一般在5%~8%之間，占鍋爐總熱損失的80%或更高。一般認(rèn)為，排煙溫度每升高12~15℃，鍋爐排煙熱損失約增加1.0%。

目前，我國(guó)煤電發(fā)展的目標(biāo)是從機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析、設(shè)備質(zhì)量以及燃料管理等多個(gè)方面入手，在燃煤發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程中減少煤炭消耗、降低供電煤耗，實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)的綠色發(fā)展?；剂系母咝鍧嵗?、燃煤電廠煙氣余熱深度回收利用，當(dāng)前已成為熱門的重要議題。隨著環(huán)保問(wèn)題的日益凸顯，發(fā)電企業(yè)已將節(jié)能環(huán)保列為頭等大事，任何技術(shù)改造及革新項(xiàng)目必須兼顧國(guó)家的節(jié)能和環(huán)保要求。研究表明，煙氣余熱利用技術(shù)不僅能回收煙氣余熱，提高機(jī)組熱效率，還能與后續(xù)污染物處理設(shè)備協(xié)同作用，起到良好的環(huán)保效果。

燃煤鍋爐排煙溫度一般在110~170℃左右，考慮投資收益和后續(xù)設(shè)備的低溫腐蝕問(wèn)題，一般在排煙溫度超過(guò)130℃時(shí)，才考慮煙氣的余熱回收，目前煙氣余熱回收利用的技術(shù)主要有：加熱凝結(jié)水以排擠部分抽汽、預(yù)熱冷風(fēng)、預(yù)熱并干燥燃料、用于區(qū)域供冷供熱等。

褐煤作為一種低熱值煤炭，水分含量高達(dá)60%以上。利用煙氣余熱干燥，褐煤經(jīng)脫水提質(zhì)加工后，可以顯著降低水分，大幅度提高發(fā)熱量。據(jù)目前國(guó)內(nèi)外褐煤干燥的設(shè)計(jì)運(yùn)行報(bào)告，經(jīng)過(guò)煙氣干燥處理后，褐煤水分可以減少至15%。將該技術(shù)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)300 MW褐煤鍋爐機(jī)組中，可減少燃煤量34%，鍋爐效率提高約1.16%，風(fēng)機(jī)電耗下降約29.9%，同時(shí)制粉系統(tǒng)的功耗也有明顯降低。

在冬季需要供暖的地區(qū)，利用煙氣余熱實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)水的加熱以替代部分低壓抽汽，這一措施類似于利用余熱加熱凝結(jié)水的過(guò)程。但由于熱網(wǎng)補(bǔ)水的溫度往往更低，放熱后的煙氣溫度易于達(dá)到露點(diǎn)，因此對(duì)換熱器的防腐特性要求更高。

利用煙氣-凝結(jié)水換熱器，亦即通常所提及的低溫省煤器，回收煙氣余熱來(lái)加熱引自回?zé)嵯到y(tǒng)低壓管道的凝結(jié)水，可排擠部分低壓汽機(jī)抽汽，從而增加機(jī)組出力。此種煙氣余熱回收技術(shù)，是當(dāng)前應(yīng)用較多的一種。根據(jù)換熱器出口煙溫，可分為低溫和低低溫兩種，一般認(rèn)為，出口煙溫高于煙氣酸露點(diǎn)10℃左右的，稱為低溫省煤器；出口煙溫在酸露點(diǎn)左右或低于酸露點(diǎn)的，稱為低低溫省煤器。可建立低溫省煤器的分布參數(shù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，有助于正確評(píng)價(jià)低溫省煤器系統(tǒng)的安全性和可靠性[1]。某1 000 MW超臨界機(jī)組鍋爐煙氣，經(jīng)過(guò)空氣預(yù)熱器出口，進(jìn)入低溫省煤器，煙氣溫度降為130℃，放熱給低壓加熱器的凝結(jié)水后，可節(jié)省7#或8#抽汽，降低煤耗1.642 g/(kW·h)[2]。通過(guò)煙氣余熱回收技術(shù)使排煙溫度從124℃降至88.4℃，回收余熱量為40.91 MW。凝結(jié)水(質(zhì)量流量為573 kg/s)從低壓加熱器出來(lái)，送至低溫省煤器，溫度從60.7℃升高至80.6℃，即可完全替代相應(yīng)加熱器，排擠其抽汽質(zhì)量流量為17.46 kg/s，獲得功率增量為5 MW[3]。660 MW的燃煤電廠鍋爐靜電除塵器入口配有低溫省煤器收集煙氣余熱， 表明低溫省煤器能顯著降低電除塵器出口的顆粒物數(shù)量。加裝低溫省煤器后，靜電除塵器對(duì)顆粒物的收集效率顯著提高，從而PM2.5和PM1.0的收集效率分別可以達(dá)到99.7%和99.2%[4]

利用煙氣-空氣換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低壓抽汽蒸汽暖風(fēng)器來(lái)預(yù)熱空氣，可以減少甚至取消暖風(fēng)器中的輔助蒸汽用量，該部分節(jié)省的輔助蒸汽返回汽輪機(jī)繼續(xù)做功，增加機(jī)組發(fā)電量；另一方面，由于冷風(fēng)的預(yù)熱，直接提高了進(jìn)入空氣預(yù)熱器的冷一、二次風(fēng)溫度，最終提高進(jìn)入爐膛的熱風(fēng)溫度，有利于鍋爐效率的提升[5-7]。

目前，為達(dá)到電廠的二氧化硫、氮氧化物及灰塵的超低排放，國(guó)內(nèi)許多電廠開(kāi)始進(jìn)行機(jī)組為實(shí)現(xiàn)超低排放的技術(shù)改造，大部分是將進(jìn)入污染物處理過(guò)程的煙氣溫度降低，因此增加了低溫省煤器的這個(gè)技術(shù)工藝環(huán)節(jié)，以便更好地實(shí)現(xiàn)污染物的脫除。

1低溫省煤器節(jié)能環(huán)保方法分析

大型燃煤電站鍋爐流經(jīng)空氣預(yù)熱器出口的煙氣溫度一般在110~150℃之間，該煙溫水平下的余熱回收，只能用于加熱流經(jīng)低壓加熱器的凝結(jié)水。低溫省煤器與回?zé)嵯到y(tǒng)側(cè)的低壓加熱器聯(lián)結(jié)，構(gòu)成了集成低溫省煤器的煙氣余熱利用系統(tǒng)，所分析的系統(tǒng)如圖1所示。機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)由八級(jí)回?zé)峒訜崞鳂?gòu)成，從鍋爐出來(lái)的煙氣經(jīng)過(guò)尾部煙道脫硝后，進(jìn)入空氣預(yù)熱器放熱，加熱進(jìn)入空氣預(yù)熱器的冷風(fēng)。然后，進(jìn)入低溫省煤器，來(lái)加熱從7#加熱器流出的部分凝結(jié)水，最后經(jīng)除塵器及脫硫環(huán)節(jié)等進(jìn)入煙囪排向大氣環(huán)境。

而從7#加熱器來(lái)的凝結(jié)水在低溫省煤器吸熱后，流出來(lái)再回到6#回?zé)峒訜崞鞯某隹谔?。通過(guò)低溫省煤器的熱交換過(guò)程，把煙氣的余熱回收進(jìn)入回?zé)嵯到y(tǒng)，減少了部分汽輪機(jī)抽汽的放熱，可增加在汽輪機(jī)中做功的蒸汽量，降低了煙氣的進(jìn)入后續(xù)污染物脫除設(shè)備的溫度，為超低排放打下基礎(chǔ)[8-10]。

圖1　集成低溫省煤器的煙氣余熱利用示意圖

根據(jù)多依奇(Deutsch)電除塵器除塵效率公式

η=1-e-Aω/Q

(1)

式中η——除塵效率/[%]；

A——總集塵面積/m2；

Q——處理煙氣量/m3·h-1；

ω——有效驅(qū)進(jìn)速度/m·s-1。

由于在電除塵器本體電場(chǎng)基本尺寸一定的情況下，總集塵面積A為定值，有效驅(qū)進(jìn)速度ω只與電氣參數(shù)有關(guān)，可看出，煙氣體積流量降低，電除塵器除塵效率升高。在電廠增加低溫省煤器后，煙氣溫度從150℃降低到105℃，煙氣體積流量降低10.6%。

粉塵比電阻是影響電除塵器除塵效率的一個(gè)重要因素。如粉塵的比電阻過(guò)低，煙氣中的粉塵容易荷電并收集在集塵極板上，但是由于比電阻低，收集在收塵極板上的粉塵又很容易和收塵極板導(dǎo)通而失去電荷，失去電荷的粉塵又會(huì)飄落到煙氣中，再次被荷電收集，如此在收塵極板上的跳躍現(xiàn)象，最后氣流中粉塵可能被氣流帶出電除塵器，影響降塵的效果。而如粉塵比電阻過(guò)高，粉塵荷電并被收塵極板捕集后，在收塵極板上形成一層粉塵層，由于粉塵層的比電阻高，粉塵不容易放電，粉塵層厚度會(huì)逐漸增加，其電壓降會(huì)變得很大，當(dāng)電壓降達(dá)到一定數(shù)值后，粉塵層局部被擊穿，產(chǎn)生與電暈極極性相反的正離子，并向電暈極運(yùn)動(dòng)，中和電暈極帶負(fù)電的粒子，既通常所說(shuō)的反電暈現(xiàn)象。反電暈表現(xiàn)為電流增大，電壓降低，粉塵二次飛揚(yáng)嚴(yán)重，使得收塵性能顯著惡化。一般認(rèn)為，適宜電除塵器脫除的最佳粉塵比電阻為109~2×1010W·cm。

研究表明，煙氣溫度對(duì)粉塵比電阻有較大的影響，正常燃煤機(jī)組排煙溫度基本在110~170℃，在此區(qū)間，粉塵比電阻和煙溫呈正比關(guān)系，隨著煙氣溫度的升高，粉塵比電阻升高，且針對(duì)不同煤種，粉塵比電阻不同，低水低硫煤粉塵比電阻尤其偏高。低溫省煤器將煙溫降低至100℃左右，粉塵比電阻降至較容易除塵的比電阻范圍[11]。

由于低溫省煤器將煙溫降低至煙氣酸露點(diǎn)附近，煙氣中的SO3易與H2O反應(yīng)，凝結(jié)成H2SO4，附著在灰粒表面，從而在電除塵器中隨粉塵一并去除部分SO3。

2低溫省煤器技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

某燃煤電廠中1#機(jī)組為350 MW亞臨界鍋爐，空氣預(yù)熱器出口煙溫年平均在135℃左右，最高溫度150℃，電除塵器采用雙室五電場(chǎng)靜電除塵器，比集塵面積75.47 m2/[m3/s]。進(jìn)行的超低排放技術(shù)改造項(xiàng)目在電除塵器前加裝了低溫省煤器，使設(shè)計(jì)煙溫從150℃降低至105℃，回收熱量用來(lái)加熱低壓加熱器的凝結(jié)水，水側(cè)入口溫度為70℃，出口溫度為115℃。經(jīng)煙氣加熱后回到6#低壓加熱器出口處。

表1采用的低溫省煤器相關(guān)熱力參數(shù)

名稱結(jié)果煙氣酸露點(diǎn)/℃95.05煙氣水露點(diǎn)/℃43.78管束最低壁溫/℃72.95進(jìn)口煙氣溫度/℃150出口煙氣溫度/℃956#低加出水溫度/℃107低溫省煤器出口水溫/℃115煙氣平均流速/m·s-18.68水平均流速/m·s-11.01煙氣側(cè)計(jì)算阻力/Pa282.09本體水側(cè)阻力/MPa0.0678

通過(guò)對(duì)本機(jī)組的技術(shù)改造，在投入低溫省煤器運(yùn)行后，鍋爐排煙溫度平均降低了25~55℃，鍋爐排煙被冷卻后體積減??；引風(fēng)機(jī)出力降低，使引風(fēng)機(jī)電耗減小約55~265 kW；廠用電率下降0.03%~0.076%。

為測(cè)試低溫省煤器投入運(yùn)行后的經(jīng)濟(jì)性，分別進(jìn)行350 MW(100%BMCR)、260 MW(75%BMCR)和175 MW(50%BMCR)三種負(fù)荷下的節(jié)煤效果，計(jì)算了在低溫省煤器投運(yùn)后，這三個(gè)工況分別節(jié)省標(biāo)煤2.14 g/kW·h、1.52 g/kW·h和0.70 g/kW·h(如圖2所示)。從圖可看出，隨機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的增加，投入低溫省煤器的經(jīng)濟(jì)性也在逐漸增加，所以，從經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)看，盡量保持機(jī)組運(yùn)行在高負(fù)荷范圍內(nèi)為最理想工況。

圖2　低溫省煤器節(jié)能效果示意圖

在加裝低溫省煤器達(dá)到降低煙氣溫度的目標(biāo)同時(shí)，進(jìn)入脫硫吸收塔的煙氣溫度隨之降低，通過(guò)熱量蒸發(fā)而從吸收塔帶走的水分也相應(yīng)減少。經(jīng)計(jì)算，吸收塔入口煙溫從160℃降低至110℃(考慮引風(fēng)機(jī)溫升)時(shí)，脫硫系統(tǒng)水耗減少32 t/h，水耗降低38%。

煙氣溫度由150℃降低至105℃，煙氣體積流量降低12%，而煙氣流速由1.09 m/s降低至0.96 m/s，可降低風(fēng)機(jī)電耗。

根據(jù)粉塵比電阻測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)表2)，在煙溫從150℃降低至105℃時(shí)，粉塵比電阻降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)的程度，此時(shí)剛好處于最佳比電阻范圍內(nèi)，使得除塵效率可一直處在理想的效率范圍。

表2除塵器比電阻測(cè)試結(jié)果

溫度/℃比電阻/Ω·cm902.35×1091005.0×1091101.33×10101206.06×10101301.10×10111401.55×10111502.90×10111603.92×10111704.44×10111804.08×1011

綜上所述，在機(jī)組加裝低溫省煤器后，達(dá)到了煙氣體積流量和粉塵比電阻同時(shí)降低的情況，試驗(yàn)測(cè)試100%負(fù)荷時(shí)低溫省煤器停運(yùn)和投運(yùn)兩個(gè)工況，電除塵器出口粉塵濃度分別為17.92 mg/Nm3和11.68 mg/Nm3。電除塵器除塵效率由99.87%提高到99.91%。當(dāng)機(jī)組處于75%負(fù)荷時(shí)，對(duì)于低溫省煤器停運(yùn)和投運(yùn)兩個(gè)工況，電除塵器出口粉塵濃度分別為16.18 mg/Nm3和12.43 mg/Nm3，電除塵器除塵效率由99.86%提高到99.89%。測(cè)試低溫省煤器進(jìn)出口灰樣中SO3含量，分別為0.17%和0.63%，說(shuō)明煙氣中的飛灰附著SO3的含量增加，這樣便于除去SO3。

3結(jié)論

針對(duì)本350 MW燃煤發(fā)電機(jī)組，在加裝低溫省煤器后，通過(guò)低壓加熱器來(lái)的凝結(jié)水回收了煙氣的余熱，提高機(jī)組的發(fā)電效率，在機(jī)組設(shè)計(jì)工況情況下，可實(shí)現(xiàn)節(jié)煤2.14 g/kW·h，節(jié)能效果顯著，對(duì)排煙溫度偏高的燃煤機(jī)組，該低溫省煤器技術(shù)具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值；

經(jīng)過(guò)低溫省煤器降溫和減少體積流量后的煙氣，在經(jīng)過(guò)電除塵器時(shí)，粉塵比電阻降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)的程度，此時(shí)剛好處于最佳比電阻103~2×1010Ω·cm范圍內(nèi)，除塵效率大大提升，在當(dāng)前環(huán)保要求較為嚴(yán)格的情況下，尤其需要大力推廣在電除塵器前設(shè)置低溫省煤器的技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]李斌，黨自力.低溫省煤器設(shè)計(jì)及其動(dòng)態(tài)特性分析[J].熱力發(fā)電,2014,43(2):25-29.

[2]徐鋼，許誠(chéng)，楊勇平,等.電站鍋爐余熱深度利用及尾部受熱面綜合優(yōu)化[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(14)：1-8.

[3]劉浩，周少祥，胡三高,等.余熱引入電廠熱力系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性分析方法[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2014,34(5):411-415.

[4]Chao Wang, Xiaowei Liu, Dong Li, et al. Measurement of particulate matter and trace elements from a coal-fired power plant with electrostatic precipitators equipped the low temperature economizer[J].Proceedings of the Combustion Institute，2015(35)：2793-2800.

[5]周少祥,姜媛媛,吳智泉，等.電廠鍋爐單耗分析模型及其應(yīng)用[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2012，32(1)：59-65.

[6]黃圣偉,徐鋼,楊勇平,等.電站鍋爐煙氣余熱利用的熱力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)原則[J].現(xiàn)代電力.2013,30(1):75-80.

[7]谷志德，李恒海，王宏偉.供熱汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子彎軸事故的分析及處理[J].大電機(jī)技術(shù)，2013(5)：41-44.

[8]李旭.熱管式低壓省煤器的特點(diǎn)與節(jié)能效果[J].節(jié)能,2003(2):34-35.

[9]黃新元.龍口電廠1號(hào)爐低壓省煤器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍋爐技術(shù),1998(3):22-25.

[10]馮偉忠.1 000 MW超超臨界機(jī)組的綜合優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新[J].上海電力,2007(5):441-446.

[11]殷星蘭，周金泉.淺析粉塵高比電阻對(duì)電除塵器的影響[J].江西電力,2004(6):34-37.