发电厂节能减排之烟气余热利用

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发电厂节能减排之烟气余热利用

       众所周知，火力发电厂主要有两大热损失，分别是汽轮机系统的冷端排汽冷凝热损失以及锅炉系统尾部排烟热损失。影响火电厂锅炉排烟热损失的主要因素是排烟温度，目前，我国燃煤电站锅炉排烟温度大多在120～140℃，锅炉效率约90％～94％。在各种热损失中，排烟热损失占锅炉热损失的一半以上，如果能有效降低电站锅炉的排烟温度至70～90℃，锅炉效率将提高2％～5％，供电煤耗将下降2～5g/kWh，二氧化碳的排放量也相应有大幅度的减少。因此，随着近些年来能源价格的不断攀升以及节能减排要求的日益严格，电站锅炉尾部烟气余热的回收利用受到广泛重视。

     降低锅炉排烟温度可以有多种设计方案：
      一是通过燃烧优化调整来降低排烟温度；
      二是增加锅炉受热面来降低排烟温度；
      三是增加锅炉空气预热器受热面来降低排烟温度；
      四是在锅炉尾部烟道增加复合相变换热器，利用凝结水或其它介质吸收排烟余热来降低排烟温度。
      但经过多次的试验研究以及现场论证，利用复合相变换热器回收烟气的余热是最直接、最简便、也是最有效可行的余热回收的方法。 复合相变换热器的运用可以有效地回收烟气余热，提高高温烟气的利用效率，减少排放损失。

       复合相变换热器技术通过改变锅炉尾气温度和最低壁面温度的函数关系，为锅炉余热的充分利用提供了一个新的较大空间。
      作为一个全新的节能技术，复合相变换热技术利用了热管技术中的相变换热的技术核心，创造了“相变段”的概念，提出了以“壁面温度”作为换热器第一设计参数这一全新理念，改变了排烟温度和金属壁面温度之间的函数关系，并且在世界上第一次将换热器的金属壁面温度处于可控可调状态，从而在根本上解决了低温腐蚀难题的同时，为大幅度回收余热提供了可能。

       复合相变换热器是通过国家两院院士，国家能源方面专家认定的，被誉为中低温热源的一次世界性突破的技术，这项技术主要用在锅炉和换热器上，它的应用范围非常广阔，包括中石油，中石化，炼钢等几乎凡有换热器的地方都能用到这项技术。复合相变换热器技术的亮点是在避免烟气低温腐蚀的前提下，降低排烟温度，进行余热回收和利用，达到提高锅炉热效率的目的。在江浙沪、山东、福建、广东、河南等已经做了许多工程实例。以山东江泉热电130t/h燃气锅炉为例，在没有改造之前，排烟温度高达将近210℃，改造完以后稳定降到137℃左右，可将68吨22℃水加热到95℃左右供锅炉补水，大大提高了锅炉的热效率。

      按目前普遍使用的“热管换热器”节能技术要求，当热管换热器的壁面温度不低于77.5℃时，锅炉的排烟温度为150℃。但是，复合相变换热器因为改变了排烟温度和金属壁面温度的函数关系，在仍然保持换热器的壁面温度为相同温度水平时，排烟温度可降至92℃左右，从而为烟气余热的回收增加了58℃的空间，锅炉热效率相应提高近4个百分点。
      因为是“设计理念”的一次创新，是“热力学、传热学与锅炉原理、自动控制以及现代计算技术”的不同学科的综合和集成，复合相变换热器不仅具有其它节能技术不可比拟的较大节能幅度，而且还具有适用性广泛，可以灵活配置于锅炉、窑炉、加热炉等形形色色的各种用热设备中，明显具有可持续开拓的强大技术优势。

      “相变段”的概念是将原来热管换热器中一根根相互独立的热管，构造成整体热管。保证“相变段”受热面最低壁面温度只有微小的梯度温降。同时，利用“相变段”将被加热介质（如空气、水）的温度适当地提高。被预热了的空气可以保证下级空预器的安全，解决了低温腐蚀问题；被加热的水回收了烟气中的余热，实现了节能的目的。
      和一般热管换热器以及其他节能技术不同，复合相变换热器技术首次提出将换热器最低金属壁面温度定义为“第一设计要素”的理念，以及首次提出将对产生烟气低温结露和腐蚀具有关键性影响的最低壁面温度置于“可控可调状态”的创新概念。该技术的核心在于“复合”和“相变”，即通过“相变段”的设置，并利用不同“强化传热技术”与不同“控制技术”的合理配置，借助于优化设计，改变包括热管技术在内的一般换热器壁面温度分布的“函数”特征，在始终保证金属壁面温度处于酸露点以上以避免出现低温结露和腐蚀的同时，为大幅度回收烟气低温余热提供了可能。
       复合相变换热器中的“相变段”是整个技术得以实施的核心部件之一。它将原热管换热器中相互独立的部分，通过优化设计构造成一个相互关联的整体，充分利用“相变换热”与“烟气横掠管束”相比其换热能力具有“量级性（102 以上）提高”的传热学特性，实现“相变段”金属壁面整体温度分布均匀、与烟气温度保持“较小梯度温降（温差10－20℃）”以及原则上“独立于被加热工质温度”的特殊功能。与此同时，利用“相变段”的这一性能，预热进入前一级换热器（如末级空预器）工质的入口温度，保证整个设备同样免受低温腐蚀。此外，通过“相变段”或者其他增设部件换热量的调节，实现对整个设备可能出现的不同最低壁面温度的闭环控制，保证壁面温度恒定或可控可调，以适应燃料种类以及工况的变化。这样，在保证设备安全运行的前提下，达到大幅度回收烟气余热的节能目的。
       总之，作为一种涉及“设计原理”变更，高效可靠的原创性节能技术，复合相变换热技术的主要核心内涵为：
      1、能够在锅炉的设计和改造中，大幅度降低烟气的排放温度，使大量中低温热能被有效回收，产生十分可观的经济效益；
      2、在降低排烟温度的同时，保持金属受热面壁面温度处于较高的温度水平，远离酸露点的腐蚀区域，从根本上避免了结露腐蚀和由此发生的堵灰，大幅度降低设备的维护成本；
      3、保证换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态，使复合相变换热器具有相当幅度的调节能力，使排烟温度和壁面温度保持相对稳定，并能适应锅炉的燃料品种以及负荷的变化；
      4、在保留热管换热器具有高效传热特性的同时，通过适时排放不凝气体有效解决相变换热器可能出现的老化问题，大大延长设备的使用寿命。
     它通过“相变段”水量的调节，可以对受热面最低壁温面度实现闭环控制，实现了壁面温度的恒定和调高调低。
     换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态，使复合相变换热器能够在相当大幅度内，适应锅炉的各种品种以及传热负荷的变化，使排烟温度和壁温保持相对稳定；保持金属受热面壁面温度处于较高的温度水平，远离酸露点的腐蚀区域，从根本上避免了结露腐蚀和堵灰现象的出现，复合相变换热器的最低壁温不仅是设计时可以任意选取，且在锅炉运行时可通过自动控制设备容易地保持在一个不变的数值。例如满负荷时，排烟温度为120℃，最低壁温为105℃，在70％负荷时，如果希望最低壁温保持不变（仍为105℃），则通过自动控制，排烟温度会自动由120℃升至115℃左右，而使最低壁温仍保持在105℃的水平上。这一点对燃烧高硫渣油复合相变换热器的最低壁温不仅是设计时可以任意选取，且在锅炉运行时可通过自动控制设备容易地保持在一个不变的数值。对燃烧高硫渣油的锅炉来说是安全的，与传统节能方法相比是基本设计理念的变化，该技术在世界上首次提出并实现了换热器局部在“整体意义上壁温可控可调”，将制约有效利用余热的“壁面温度与排烟温度的差”从以往的“倍数”关系变为“加减”关系，从而能够在有效避免“低温腐蚀和灰堵”的同时，使“节能幅度”出现了“量级”意义的变化。        对于一般换热器，其金属受热面最低壁面温度与热流体排放温度之间大致处于一种倍数关系，即排烟温度为140℃时相应的最低壁温仅为70℃左右。而复合相变换热器则不然，其最低壁面温度与热流体排放温度保持一种恒定的加减关系，其差值可以保证控制在15℃－25℃范围之内。
       有这样一组数据：使用热管换热器，如果金属受热面壁面温度要求不低于77.8℃时，其排烟温度通常不得低于155℃，否则必然引起低温结露腐蚀（参见顾维藻等著《强化传热》，科学出版社）；使用复合相变换热器，在金属受热面壁面温度要求不低于77.8℃时，其排烟温度仅为95℃。两者相比，使用复合相变换热器比使用普通的热管换热器回收热量的温差幅度达60℃之多，从而使得锅炉效率提高4%，在某些特殊场合可以达到12%之多。
       复合相变换热器技术很好解决了降低锅炉排烟温度与酸露点腐蚀的矛盾，解决了这个世界性的难题，开拓了锅炉节能的新思路，创造了一种锅炉有效节能的新方法。目前在锅炉节能领域，在我国乃至全世界没有更好的节能技术所代替，未来在国民经济发展中在节能减排领域会处于重要地位，市场前景广阔。

内容来源：烟气余热利用