尹星 尹蕊 巴迪龍

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

淺析工業(yè)企業(yè)鍋爐煙氣余熱利用的高效循環(huán)系統(tǒng)

尹星 尹蕊 巴迪龍

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

按照能級(jí)理論，工業(yè)供熱或純凝機(jī)組，都可以看作由若干個(gè)能級(jí)組成的子系統(tǒng)，這里根據(jù)能級(jí)和系統(tǒng)工程原理，提出了一種深度利用煙氣余熱和減少回?zé)岢槠龉p失，實(shí)現(xiàn)排煙溫度穩(wěn)恒控制的高效系統(tǒng)，以供同行參考。

排煙溫度；煙氣余熱回收；低溫余熱發(fā)電

1 背景技術(shù)

國(guó)內(nèi)工業(yè)鍋爐排煙溫度大都在120～150℃。對(duì)于排煙溫度為120～150℃的鍋爐，傳統(tǒng)的理念認(rèn)為已經(jīng)滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求了，繼續(xù)降低排煙溫度，就可能出現(xiàn)腐蝕等不可控因素。而濕法脫硫的最佳工作溫度為80～90℃。從120～130℃的煙氣溫度降低到80～90℃，其中蘊(yùn)含著大量的熱量。濕法脫硫系統(tǒng)中取消了GGH系統(tǒng)后，提高增加了進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的煙氣溫度，這將降低脫硫效率。煙氣溫度處于80～90℃為最佳的脫硫溫度區(qū)間。為了滿足這個(gè)要求，就要采用脫硫系統(tǒng)前噴水減溫或增加脫硫工藝水量。若采取脫硫系統(tǒng)前噴水減溫，把煙溫降低到80～90℃，需要大量的減溫水，同時(shí)加重了脫硫系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，也浪費(fèi)了煙氣所蘊(yùn)含的巨大熱量。

傳統(tǒng)理論和固有的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析認(rèn)為：工業(yè)鍋爐的排煙溫度在120～140℃內(nèi)較好，很少采用低于120℃的排煙溫度。但是當(dāng)前在價(jià)格成本和環(huán)保脫硫等要求方面發(fā)生了巨大的差異變化，燃料價(jià)格高漲，從經(jīng)濟(jì)成本方面考慮，進(jìn)一步降低排煙溫度成為目前工業(yè)鍋爐節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。針對(duì)上述情況，有必要重新審視傳統(tǒng)的工業(yè)鍋爐排煙溫度范圍的相關(guān)結(jié)論，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，提出適合于當(dāng)前情況新的工業(yè)鍋爐排煙溫度選擇范圍。

低溫省煤器這一提高煙氣余熱利用效率的設(shè)備陸續(xù)引起了各行業(yè)的廣泛關(guān)注。

2 國(guó)內(nèi)外低溫省煤器應(yīng)用概況

2.1 國(guó)外煙氣余熱利用技術(shù)現(xiàn)狀

在國(guó)外低溫省煤器較早就得到了應(yīng)用。最初，前蘇聯(lián)為了減少排煙損失在改裝鍋爐機(jī)組時(shí)，在鍋爐對(duì)流豎井的下部裝設(shè)低溫省煤器，供加熱熱網(wǎng)水之用[1]。

2.1.1 西方國(guó)家煙氣余熱回收技術(shù)和工程應(yīng)用

1）回收煙氣余熱，加熱凝結(jié)水

低溫省煤器煙氣布置在電除塵器和脫硫塔之間的煙道上，煙氣流過低溫省煤器，煙氣溫度從160℃降低到120℃后進(jìn)入脫硫塔；水布置在汽輪機(jī)低壓抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)，加熱凝結(jié)水。由低溫省煤器設(shè)計(jì)參數(shù)可知，煙氣溫度降低了47℃，部分凝結(jié)水溫度提高了42℃，低溫省煤器在設(shè)計(jì)負(fù)荷工況的最低傳熱管金屬壁溫高于86℃。布置位置和系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 低溫省煤器系統(tǒng)計(jì)置圖

2）回收煙氣余熱加熱鍋爐進(jìn)風(fēng)

低溫省煤器煙氣布置在電除塵器和脫硫塔之間的煙道上，煙氣流過低溫省煤器，煙氣溫度從140℃降低到80℃后進(jìn)入脫硫塔；循環(huán)水冷端進(jìn)入低溫省煤器，熱端進(jìn)入鍋爐暖風(fēng)器，將鍋爐進(jìn)風(fēng)溫度由26℃提高到66℃。

旁路高溫省煤器和低溫省煤器組合(加熱高壓與低壓給水)

在空氣預(yù)熱器旁路煙道系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置高溫省煤器，加熱汽輪機(jī)高、低壓抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)的凝結(jié)水。在電除塵器和脫硫塔之間的煙道上布置低溫省煤器，煙氣流過低溫省煤器，煙氣溫度從150℃降低到90℃后進(jìn)入脫硫塔。閉式循環(huán)水冷端進(jìn)入低溫省煤器，熱端進(jìn)入鍋爐暖風(fēng)器，將鍋爐進(jìn)風(fēng)溫度由23℃提高到120℃。

2.1.2 東亞國(guó)家煙氣余熱回收技術(shù)和工程應(yīng)用

由于煙氣排放的要求比較高，所以一般都安裝有GGH。煙氣放熱段的GGH布置在電除塵器上游，煙氣被循環(huán)水冷卻后進(jìn)入低溫除塵器(煙氣溫度在85～95℃)。煙氣加熱段的GGH布置在煙囪入口，由循環(huán)水加熱煙氣。脫硫后的干凈煙氣被加熱到78℃以上再排向大氣。

2.2 國(guó)內(nèi)煙氣余熱利用技術(shù)

國(guó)內(nèi)工業(yè)企業(yè)雖早已有低溫省煤器的應(yīng)用，但早期低溫省煤器應(yīng)用的主要目的是降低鍋爐排煙溫度。由于種種原因，技術(shù)改造后的鍋爐排煙溫度仍然高于設(shè)計(jì)排煙溫度。

近年來，國(guó)內(nèi)低溫省煤器技術(shù)研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造也逐漸發(fā)展起來,能初步滿足工企鍋爐的實(shí)施應(yīng)用。以四川省某工程為例，該工程通過在脫硫吸收塔前加裝煙氣冷卻器，利用鍋爐排煙余熱加熱從2號(hào)低加熱器進(jìn)口引出部分或者全部凝結(jié)水，凝結(jié)水從78.8℃升溫至101.5℃，然后在2號(hào)低壓加熱器的出口與剩下的凝結(jié)水匯集后進(jìn)入3號(hào)低加熱器，從而減少了回?zé)嵯到y(tǒng)對(duì)低壓缸的抽汽，在機(jī)組運(yùn)行條件不變的情況下有更多的蒸汽進(jìn)入低壓缸做功，達(dá)到了充分利用鍋爐的排煙余熱的目的。由于進(jìn)入吸收塔的煙氣溫度設(shè)計(jì)值從124℃降低到84℃，實(shí)際運(yùn)行中從137℃降低到了92℃，從而大大減少了吸收塔工業(yè)冷卻水耗用量[2]。該廠的低溫省煤器的運(yùn)行參數(shù)見表1，系統(tǒng)設(shè)置方案見圖1。

表1 某企業(yè)鍋爐系統(tǒng)低溫省煤器運(yùn)行參數(shù)

3 工業(yè)企業(yè)鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)的組成

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外工業(yè)鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)的分析研究，對(duì)于我國(guó)燃用煙煤的大容量工業(yè)機(jī)組而言，可采用的低溫省煤器設(shè)置方案主要有四種布置方式：一是布置在空預(yù)器后、除塵器前；二是布置在除塵器后、引風(fēng)機(jī)前；三是布置在引風(fēng)機(jī)后、脫硫裝置前；四是分段布置，第一級(jí)低溫省煤器布置在空預(yù)器后、除塵器前，第二級(jí)低溫省煤器布置在引風(fēng)機(jī)后、脫硫裝置前。

工業(yè)企業(yè)鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)的五個(gè)部分構(gòu)成為：煙氣深度冷卻系統(tǒng)、空氣加熱前置預(yù)熱器系統(tǒng)、旁路高壓給水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)和性能優(yōu)化及控制系統(tǒng)。

4 水泥廠中低溫純余熱發(fā)電的高效循環(huán)系統(tǒng)

在水泥廠，中低溫純余熱發(fā)電系統(tǒng)一般設(shè)置兩臺(tái)余熱鍋爐，一臺(tái)為窯尾鍋爐，通常稱SP爐；一臺(tái)為窯頭鍋爐，通常稱AQC鍋爐。SP鍋爐設(shè)置在最后一級(jí)預(yù)熱器和窯尾主排風(fēng)機(jī)之間。廢氣溫度一般在300～400℃，含塵量高、一般標(biāo)準(zhǔn)為50～80 g/m3,廢氣的負(fù)壓較大。

AQC鍋爐設(shè)置的主要考慮因素為冷卻機(jī)排出的高溫廢氣,其含塵量標(biāo)準(zhǔn)狀況下為10～20 g/m3,腐蝕性大。高溫廢氣經(jīng)AQC鍋爐熱交換和后，其溫度只需保證在不結(jié)露和節(jié)點(diǎn)溫差合理的前提下盡可能降低。因此為加大熱能利用率，AQC鍋爐設(shè)置為雙壓余熱高效循環(huán)系統(tǒng)，分設(shè)高、低壓省煤器。高壓省煤器加熱后的熱水同時(shí)作為窯尾蒸發(fā)器和窯頭高壓蒸發(fā)器的給水。窯頭低壓省煤器加熱后的熱水供窯頭低壓蒸發(fā)器使用，窯尾鍋爐及窯頭鍋爐高壓過熱器同時(shí)生產(chǎn)一種壓力的過熱蒸汽，混合后進(jìn)入汽輪機(jī)入口段。汽輪機(jī)的排氣經(jīng)凝汽器凝結(jié)成水由凝結(jié)水泵輸送到除氧器，除氧后一部分水由高壓給水泵加壓送回窯頭鍋爐的高壓省煤器重新循環(huán)，另一部分水由低壓給水泵加壓送回窯頭鍋爐的低壓省煤器重新循環(huán)[3]。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

5.1 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

以某2×4 000 tpd水泥熟料生產(chǎn)線配套2×7.5 MW水泥余熱發(fā)電高效循環(huán)系統(tǒng)工程為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，該配套余熱發(fā)電工程窯尾AQC鍋爐使用雙壓余熱高效循環(huán)系統(tǒng)，主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表2。

表2 某水泥企業(yè)余熱高效循環(huán)系統(tǒng)

5.2 投資概算

該2x7.5 MW水泥余熱發(fā)電工程投資概算如下：

工程靜態(tài)投資7 792.17萬元，建筑工程費(fèi)203.19萬元，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)5 519.97萬元，安裝工程費(fèi)999.67萬元，其他費(fèi)用1 069.34萬元。

6 結(jié)論

工業(yè)企業(yè)高效循環(huán)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鍋爐排煙溫度自動(dòng)控制,提高機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行靈活性，對(duì)2×4 000 tpd水泥熟料生產(chǎn)線的煙氣余熱利用方案進(jìn)行理論和計(jì)算分析，每千瓦時(shí)電成本約0.08元，在不增加水泥燒成熱耗的情況下，每噸熟料可增加25～40 kWh的電力，因此可節(jié)約大量電力費(fèi)用，降低水泥產(chǎn)品成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

排煙溫度是關(guān)系到鍋爐經(jīng)濟(jì)性和安全性的復(fù)雜問題，隨著能源價(jià)格和環(huán)保要求的不斷提高，應(yīng)把工業(yè)鍋爐的排煙溫度降低到經(jīng)濟(jì)合理的水平。

針對(duì)水泥廠的余熱發(fā)電項(xiàng)目,發(fā)電規(guī)模越大，單位發(fā)電量投資越低，反之越高。當(dāng)然還需結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳暇W(wǎng)電價(jià)，將投資回收控制在3～5年以內(nèi)，反之投資風(fēng)險(xiǎn)加大，需慎重考慮。

[1]白炎武,劉全山,王冠文,等.一種具有高效循環(huán)系統(tǒng)的煤粉鍋爐電站分析[C].中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)600/1 000 MW超超臨界機(jī)組技術(shù)交流2010年會(huì),2010.

[2]潘炯.水泥廠中低溫純余熱發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用[C].全國(guó)新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)交流會(huì),2003：38-41.

[3]GB 50049-94,小型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范[S].