王代剛（四川川潤股份有限公司，四川　成都　611743）

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火力發(fā)電廠鍋爐尾部煙氣余熱利用技術(shù)

王代剛
（四川川潤股份有限公司，四川成都611743）

摘要：進(jìn)入“十三五”之后，我國對“高效用能”提出了更高的要求，火力發(fā)電廠作為我國電力來源的重要支柱，其能源消耗量同樣是巨大的，所以提高電廠效率、降低能源消耗量將是大勢所趨。煙氣余熱利用技術(shù)作為重要的節(jié)能手段之一，在近幾年受到了國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)的重視。本文在分析電廠機(jī)組效率的基礎(chǔ)上，對我國目前煙氣余熱利用技術(shù)存在的一些問題進(jìn)行了討論，并嘗試提出了幾條解決方案，以期進(jìn)一步推動我國煙氣余熱利用技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：煙氣余熱利用；火電機(jī)組；因素分析；利用方案

0. 引言

隨著我國逐漸跨入“十三五”規(guī)劃，對于能源需求量的提高是大勢所趨，在火力發(fā)電依然作為電力主要來源支柱的大背景下，“高效用能”成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，而煙氣余熱利用技術(shù)就是“高效用能”的主要手段之一?！疤菁売媚堋笔菬煔饫眉夹g(shù)遵守的主要原則，顧名思義就是：從熱力學(xué)出發(fā)，分析能源品質(zhì)，達(dá)到對煙氣中不同品位能源的充分利用。煙氣余熱利用技術(shù)在近幾年的發(fā)展過程中雖然取得了一定的成效，但是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，還存在著一些有待解決的現(xiàn)實(shí)問題。本文旨在分析煙氣余熱利用技術(shù)中存在的一些問題，并結(jié)合已有的一些方法手段，提出幾種可行的解決方案。

1. 煙氣余熱利用與鍋爐效率

煙氣離開鍋爐機(jī)組，即離開最后一個受熱面時(shí)，溫度還處在150℃左后，排煙溫度是相當(dāng)高的，這部分熱量被排入大氣，造成排煙熱損失。之所以要深刻研究排煙熱損失，主要是由于排煙熱損失在整個電廠熱損之當(dāng)中所占比例是最大的一項(xiàng)，大約占到整個損失的1/10。通過分析相關(guān)文獻(xiàn)給出的排煙熱損失經(jīng)驗(yàn)公式，我們可以看出：排煙溫度與排煙熱損失成正相關(guān)關(guān)系，即排煙熱損失隨著排煙溫度的升高而增大，所以煙氣余熱利用率的提高是十分重要的。增大煙氣余熱利用，降低煙氣熱損失，是提高電廠機(jī)組運(yùn)行效率的重要舉措。

但是，雖然降低排煙溫度可以有效提高能源利用率，但是從傳熱學(xué)的角度來看，在煙道末級傳熱溫差的減少必然導(dǎo)致熱交換效率的降低，這就要求對煙道和傳熱面積進(jìn)行硬件擴(kuò)大。從經(jīng)濟(jì)性的角度來看，這不僅會加大電廠初期的建設(shè)成本和后期的維修成本，而且對于電廠爐體擴(kuò)大而引起的其他問題都是不利的。因此，目前的火電機(jī)組采用的是均衡兩者效益的基礎(chǔ)上調(diào)整排煙溫度，主要采用130℃左右的煙氣溫度，以此數(shù)值下的煙氣溫度可以有效提高電廠效益。

2. 制約鍋爐余熱利用的因素分析

（1）排煙溫度受到相關(guān)設(shè)備的制約

排煙溫度通過能量品位的不同主要分為高溫、中溫、低溫3種。對于前兩者來說，能量品位較高，通常處理的辦法是采用余熱鍋爐回收高溫、中溫?zé)煔庵械哪芰浚⒆詈笸ㄟ^汽輪機(jī)發(fā)電來轉(zhuǎn)化為電能。這部分能量由于處在較高能級，處理方法也較為簡單。對于低位能級，采用的手段則較為有限，通常以省煤器、脫硫系統(tǒng)等為主。省煤器布置在鍋爐尾部豎井中煙氣溫度相對較低的區(qū)段，它在鍋爐中的主要作用如下：

①省煤器吸收尾部豎井中煙氣的熱量，降低鍋爐的排煙溫度，提高了鍋爐熱效率，節(jié)省了燃料。

②由于給水在進(jìn)入水冷壁之前，首先在省煤器中被加熱，減少了水在水冷壁中預(yù)熱所需熱量，也就是說，減少了熱水段長度。相當(dāng)于用管徑小、管壁薄、價(jià)格較低的省煤器受熱面，代替部分造價(jià)較高的水冷壁受熱面，可節(jié)省初期投資。

③省煤器的采用，提高了進(jìn)入汽包的水溫，減少了汽包壁與給水之間的溫度差，從而使汽包熱應(yīng)力降低，提高了機(jī)組的安全性。

省煤器雖然在低溫?zé)煔庥酂峄厥债?dāng)中扮演著很重要的角色，但是，對煙氣流速提出了很高要求。煙氣流速直接影響著整個煙氣換熱的效果：若煙氣流速過快，在單位流程中無法達(dá)到換熱效果；若煙氣流速過慢，雖然可以通過提高煙氣在煙道中的滯留時(shí)間，提高換熱效率，但是煙氣中攜帶的大量粉煤顆粒會以結(jié)焦的方式在煙道中沉積、結(jié)塊，長時(shí)間還會破壞換熱面。

對于脫硫設(shè)備來說也存在類似的情況，由于脫硫設(shè)備的材料特殊性，對煙氣溫度提出了嚴(yán)格的要求。若煙氣溫度過高會使得進(jìn)煙口的防腐材料出現(xiàn)一定程度的疲勞和變形，甚至發(fā)生整體脫落失效；若煙氣溫度過低，則不利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。對于這種情況，通常的做法是加裝低溫省煤器，從而使整個脫硫系統(tǒng)的脫硫效果保持最佳狀態(tài)。

（2）低溫腐蝕的嚴(yán)重性

低溫腐蝕往往發(fā)生在煙道尾部，這部分屬于低溫?zé)煔?。燃料中的硫元素燃燒之后形成了SO2，在煙氣由爐膛進(jìn)一步流向煙道的過程中SO2進(jìn)一步氧化為SO3，SO3與空氣中的水蒸氣進(jìn)一步結(jié)合就會以硫酸蒸汽的形式存在。而煙氣中的酸露點(diǎn)與SO3的含量是成正相關(guān)關(guān)系，即露點(diǎn)溫度隨著SO3的含量逐漸升高。它比水露點(diǎn)要高很多，酸露點(diǎn)可達(dá)到150℃左右。硫酸蒸汽凝結(jié)在壁面會對金屬壁面造成較為嚴(yán)重的腐蝕。

低溫腐蝕的發(fā)生對于余熱利用是非常不利的，通常表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

第一，空氣預(yù)熱器會因?yàn)楦g穿透而造成空氣與煙氣的相互混合，嚴(yán)重時(shí)還會引起爐內(nèi)燃燒不完全的結(jié)果。

第二，對于蓄熱元件和相關(guān)的傳熱過程也會造成嚴(yán)重影響。

第三，低溫腐蝕會在壁面造成惡化結(jié)焦的現(xiàn)象，從而影響煙道的流通面積，堵灰的情況屢見不鮮。

3. 常見的鍋爐尾部煙氣余熱利用方案

（1）方案一：熱管換熱器

第一種設(shè)計(jì)方案是采用熱管換熱器，顧名思義其主體是由管體組成。熱管是一種極其高效的傳熱原件，在現(xiàn)代的火電廠中應(yīng)用極為廣泛，其內(nèi)部主要依靠的是工質(zhì)的循環(huán)來實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，在使用過程中，熱管以其良好的導(dǎo)熱性能等優(yōu)勢起到了很好的節(jié)能效果。其具體的工作原理是：當(dāng)熱源向吸熱段提供熱量時(shí)，存在于管體內(nèi)部的低沸點(diǎn)液體吸熱汽化，這部分汽化后的工質(zhì)由于壓力的作用，順著管體內(nèi)部流至放熱段，工質(zhì)釋放熱量冷凝為液體，在這個流程中毛細(xì)液芯起到節(jié)流閥的作用。整個循環(huán)是高品位能量向低品位能量流動的過程，符合熱力學(xué)第一和第二定律。

這種方案的優(yōu)越性有以下5點(diǎn)：

第一，工作性質(zhì)良好。采用熱管換熱器可以有效地使得工作管體具有良好的導(dǎo)熱性和各項(xiàng)同性。

第二，降低低溫腐蝕的損害。由于熱管換熱器可以有效地控制壁溫，所以可以通過增加壁面溫度、規(guī)避酸露點(diǎn)來解決低溫腐蝕。

第三，裝置工作原理簡單，設(shè)備輕便易裝配、操作。

第四，熱管換熱器在傳熱過程中傳熱方向具有可逆性，這主要取決于兩端的受熱狀況，對有吸液芯的熱管水平放置或處于零重力場下，任何一端受熱將成為蒸發(fā)段，另一端則成為凝結(jié)段，熱管內(nèi)傳熱方向可以逆轉(zhuǎn)。

第五，熱管換熱器在傳熱過程中熱流密度具有可調(diào)性，熱管可以在很大范圍內(nèi)調(diào)整加熱段與放熱段的熱流密度，在工程實(shí)際當(dāng)中，熱管可以輕易地操控?zé)崃髯呦?，即熱管可以把分散的熱流加以集中，也可把集中的熱流加以分散?/p>

（2）方案二：相變換熱器

第二種設(shè)計(jì)方案是采用相變換熱器，其發(fā)展的基礎(chǔ)是熱管換熱器。相比前者，相變換熱器最具特點(diǎn)的一部分是出現(xiàn)“相變”的概念，進(jìn)一步細(xì)化壁面溫度的控制機(jī)理，從理論上達(dá)到控制低溫腐蝕。所謂相變模塊，其實(shí)是熱管換熱器的整體化設(shè)計(jì)，確保溫度梯度在很小的范圍內(nèi)，并集合相變時(shí)水量參數(shù)的調(diào)節(jié)，來達(dá)到對壁面溫度的精準(zhǔn)控制。其工作原理是：汽水分離裝置的兩端連接著上、下管式換熱器，蒸發(fā)段位于下端，其吸收鍋爐尾部的煙氣余熱后使得內(nèi)部介質(zhì)處于相變態(tài)，蒸汽沿著管內(nèi)上升進(jìn)入汽水分離裝置，蒸汽進(jìn)一步上升到上部的冷凝段，從而使得介質(zhì)蒸汽由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)從而沿著管壁流入汽水分離裝置，由此作為循環(huán)進(jìn)行吸熱、放熱。在這種相變換熱器的循環(huán)過程中，循環(huán)介質(zhì)量和介質(zhì)所處工況常常作為調(diào)節(jié)量來使用，從而達(dá)到對壁溫的更精確控制。

其優(yōu)點(diǎn)主要有以下4點(diǎn)：

第一，余熱回收的適應(yīng)性更強(qiáng)。由于其構(gòu)造特性，能夠有效地降低排煙溫度，提高余熱回收效率，節(jié)省能源消耗，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

第二，更加精準(zhǔn)地規(guī)避低溫腐蝕。由于水量控制參數(shù)，對于壁面溫度的控制也更加精準(zhǔn)，所以利用相變換熱器可以有效降低低溫腐蝕帶來的危害。

第三，相變換熱器將原熱管換熱器中相互獨(dú)立的部分，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)造成一個相互關(guān)聯(lián)的整體，在結(jié)構(gòu)上更加整潔，一體化程度更高。

第四，材料耐用性提高。相變換熱器不僅繼承了熱管換熱器的優(yōu)良特性，還能在此基礎(chǔ)上有效處理不凝結(jié)氣體的危害，從而進(jìn)一步提高材料的耐用性。

結(jié)語

煙氣余熱利用技術(shù)作為我國近幾年能源領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的節(jié)能技術(shù)，其主體由熱管換熱器和相變換熱器兩種節(jié)能方案構(gòu)成，這兩種節(jié)能方案雖然取得了令人欣喜的節(jié)能效果，但其在實(shí)際工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探索，以追求更加高效的煙氣余熱利用效果。

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