电厂锅炉尾部烟气余热利用技术

Alexandria2020

电厂锅炉尾部烟气余热利用技术

随着我国对于能源需求量的提高，在火力发电依然作为电力主要来源支柱的大背景下，“高效用能”成为国内外研究的热点内容，而烟气余热利用技术就是“高效用能”的主要手段之一。“梯级用能”是烟气利用技术遵守的主要原则，顾名思义就是：从热力学出发，分析能源品质，达到对烟气中不同品位能源的充分利用。烟气余热利用技术在近几年的发展过程中虽然取得了一定的成效，但是在实际应用当中，还存在着一些有待解决的现实问题。本文旨在分析烟气余热利用技术中存在的一些问题，并结合已有的一些方法手段，提出几种可行的解决方案。
一、烟气余热利用与锅炉效率

烟气离开锅炉机组，即离开最后一个受热面时，温度还处在150℃左后，排烟温度是相当高的，这部分热量被排入大气，造成排烟热损失。之所以要深刻研究排烟热损失，主要是由于排烟热损失在整个电厂热损当中所占比例是最大的一项，大约占到整个损失的1/10。通过分析相关文献给出的排烟热损失经验公式，我们可以看出：排烟温度与排烟热损失成正相关关系，即排烟热损失随着排烟温度的升高而增大，所以烟气余热利用率的提高是十分重要的。增大烟气余热利用，降低烟气热损失，是提高电厂机组运行效率的重要举措。 但是，虽然降低排烟温度可以有效提高能源利用率，但是从传热学的角度来看，在烟道末级传热温差的减少必然导致热交换效率的降低，这就要求对烟道和传热面积进行硬件扩大。从经济性的角度来看，这不仅会加大电厂初期的建设成本和后期的维修成本，而且对于电厂炉体  扩大而引起的其他问题都是不利的。因此，目前的火电机组采用的是均衡两者效益的基础上调整排烟温度，主要采用130℃左右的烟气温度，以此数值下的烟气温度可以有效提高电厂效益。
二、制约锅炉余热利用的因素分析

1、排烟温度受到相关设备的制约 排烟温度通过能量品位的不同主要分为高温、中温、低温3种。对于前两者来说，能量品位较高，通常处理的办法是采用余热锅炉回收高温、中温烟气中的能量，并最后通过汽轮机发电来转化为电能。这部分能量由于处在较高能级，处理方法也较为简单。对于低位能级，采用的手段则较为有限，通常以省煤器、脱硫系统等为主。省煤器布置在锅炉尾部竖井中烟气温度相对较低的区段，它在锅炉中的主要作用如下：

1）煤器吸收尾部竖井中烟气的热量，降低锅炉的排烟温度，提高了锅炉热效率，节省了燃料。

2）由于给水在进入水冷壁之前，首先在省煤器中被加热，减少了水在水冷壁中预热所需热量，也就是说，减少了热水段长度。相当于用管径小、管壁薄、价格较低的省煤器受热面，代替部分造价较高的水冷壁受热面，可节省初期投资。

3）省煤器的采用，提高了进入汽包的水温，减少了汽包壁与给水之间的温度差，从而使汽包热应力降低，提高了机组的安全性。

省煤器虽然在低温烟气余热回收当中扮演着很重要的角色，但是，对烟气流速提出了很高要求。烟气流速直接影响着整个烟气换热的效果：若烟气流速过快，在单位流程中无法达到换热效果；若烟气流速过慢，虽然可以通过提高烟气在烟道中的滞留时间，提高换热效率，但是烟气中携带的大量粉煤颗粒会以结焦的方式在烟道中沉积、结块，长时间还会破坏换热面。 对于脱硫设备来说也存在类似的情况，由于脱硫设备的材料特殊性，对烟气温度提出了严格的要求。若烟气温度过高会使得进烟口的防腐材料出现一定程度的疲劳和变形，甚至发生整体脱落失效；若烟气温度过低，则不利于脱硫反应的进行。对于这种情况，通常的做法是加装低温省煤器，从而使整个脱硫系统的脱硫效果保持最佳状态。

2、低温腐蚀的严重性

低温腐蚀往往发生在烟道尾部，这部分属于低温烟气。燃料中的硫元素燃烧之后形成了SO2，在烟气由炉膛进一步流向烟道的过程中SO2进一步氧化为SO3，SO3与空气中的水蒸气进一步结合就会以硫酸蒸汽的形式存在。而烟气中的酸露点与SO3的含量是成正相关关系，即露点温度随着SO3的含量逐渐升高。它比水露点要高很多，酸露点可达到150℃左右。硫酸蒸汽凝结在壁面会对金属壁面造成较为严重的腐蚀。 低温腐蚀的发生对于余热利用是非常不利的，通常表现为以下几点：

第一，空气预热器会因为腐蚀穿透而造成空气与烟气的相互混合，严重时还会引起炉内燃烧不完全的结果。   

第二，对于蓄热元件和相关的传热过程也会造成严重影响。

第三，低温腐蚀会在壁面造成恶化结焦的现象，从而影响烟道的流通面积，堵灰的情况屡见不鲜。  

三、常见的锅炉尾部烟气余热利用方案   

1、方案一：低压省煤器

第一种设计方案是采用低压省煤器。锅炉低压省煤器又叫低压省煤器，是利用锅炉排烟余热,节约能源的有效措施之一。低压省煤器的名字由来使因为其利用了低压凝结水而不是高压给水，而且水侧的压力比较低，其结构上与普通的省煤器相似,但一般在引风机之后;二是连接于汽水系统中,在回热系统中串并联。低压省煤器的水侧联接于汽轮机回热系统的低压加热部分。煤耗的节省则是它通过回热系统排挤抽汽实现的。低压省煤器安装之后，汽轮机在工作时不仅可以得到一份外来的热量，而且节省了一部分抽汽，从而减少了浪费，提高了效率，使汽轮机在工作时更加环保。
优势： 低压省煤器的用镍络渗层零隙阻钎焊螺旋鳍片管作传热元件,接触热阻几乎为零,具有抗腐蚀，耐磨损及防堵灰等综合性能，即便烟气流阻限制较严格，也可将烟气流阻控制在允许范围内。 直接降低了排烟温度，因而节省煤炭用量，同时减少了脱硫系统所需的工艺用水，进一步保证了除尘效率和脱硫效率。 具有良好的煤种和季节适应性。锅炉的低压省煤器出口烟气温度可根据季节和煤质(主要是含硫质量分数)进行调节，可节省标煤耗，也可防止低温腐蚀。 低压省煤器布置于空气预热器后面，其传热对锅炉其它受热面不会产生影响，因而不会降低锅炉效率。 由于布置在锅炉本体外的引风机处水平烟道，空间宽敞，安装简便，安装费用较低，同时便于检修。 劣势： 为防止低温腐蚀，将低压省煤器进口水温设计在酸露点+10℃，温度较高导致不能大幅度降低排烟温度，余热回收效果不佳。

2、方案二：热管换热器 第二种设计方案是采用热管换热器，顾名思义其主体是由管体组成。热管是一种极其高效的传热原件，在现代的火电厂中应用极为广泛，其内部主要依靠的是工质的循环来实现热量传递，在使用过程中，热管以其良好的导热性能等优势起到了很好的节能效果。其具体的工作原理是：当热源向吸热段提供热量时，存在于管体内部的低沸点液体吸热汽化，这部分汽化后的工质由于压力的作用，顺着管体内部流至放热段，工质释放热量冷凝为液体，在这个流程中毛细液芯起到节流阀的作用。整个循环是高品位能量向低品位能量流动的过程，符合热力学第一和第二定律。

这种方案的优越性有以下5点： 第一，工作性质良好。采用热管换热器可以有效地使得工作管体具有良好的导热性和等温性。 第二，降低低温腐蚀的损害。由于热管换热器可以有效地控制壁温，所以可以通过增加壁面温度、规避酸露点来解决低温腐蚀。 第三，装置工作原理简单，设备轻便易装配、操作。 第四，热管换热器在传热过程中传热方向具有可逆性，这主要取决于两端的受热状况，对有吸液芯的热管水平放置或处于零重力场下，任何一端受热将成为蒸发段，另一端则成为凝结段，热管内传热方向可以逆转。 第五，热管换热器在传热过程中热流密度具有可调性，热管可以在很大范围内调整加热段与放热段的热流密度，在工程实际当中，热管可以轻易地操控热流走向，即热管可以把分散的  热流加以集中，也可把集中的热流加以分散。

3、方案三：相变换热器 第三种设计方案是采用相变换热器，其发展的基础是热管换热器。相比前者，相变换热器最具特点的一部分是出现“相变”的概念，进一步细化壁面温度的控制机理，从理论上达到控制低温腐蚀。所谓相变模块，其实是热管换热器的整体化设计，确保温度梯度在很小的范围内，并集合相变时水量参数的调节，来达到对壁面温度的精准控制。其工作原理是：汽水分离装置的两端连接着上、下管式换热器，蒸发段位于下端，其吸收锅炉尾部的烟气余热后使得内部介质处于相变态，蒸汽沿着管内上升进入汽水分离装置，蒸汽进一步上升到上部的冷凝段，从而使得介质蒸汽由气态变为液态从而沿着管壁流入汽水分离装置，由此作为循环进行吸热、放热。在这种相变换热器的循环过程中，循环介质量和介质所处工况常常作为调节量来使用，从而达到对壁温的更精确控制。

其优点主要有以下4点： 第一，余热回收的适应性更强。由于其构造特性，能够有效地降低排烟温度，提高余热回收效率，节省能源消耗，从而提高经济效益。 第二，更加精准地规避低温腐蚀。由于水量控制参数，对于壁面温度的控制也更加精准，所以利用相变换热器可以有效降低低温腐蚀带来的危害。 第三，相变换热器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，在结构上更加整洁，一体化程度更高。 第四，材料耐用性提高。相变换热器不仅继承了热管换热器的优良特性，还能在此基础上有效处理不凝结气体的危害，从而进一步提高材料的耐用性。
4、方案四：氟塑料换热器
第四种设计方案是采用氟塑料换热器，氟塑料的化学性能极稳定﹐抗蚀性能尤好。氟塑料管壁表面光滑﹐并且有适度的挠性﹐使用时微有振动﹐故不易结垢。氟塑料换热器体积小﹐结构紧凑﹐设备单位体积内传热面积为金属管的管壳式换热器的4倍多。挠性的氟塑料管能在流体的冲击和振动中安全工作﹐管束可按需要制成各种特殊形状。氟塑料的导热系数低﹐力学性能较金属差﹐不耐高温。采用小直径﹑薄管壁﹐虽对导热系数和力学性能有所补偿﹐但仍只能用于较低压力和较低温度的场合。

其优点主要有以下几点：
第一，耐腐蚀性极强：氟塑料换热器耐腐蚀，耐高温（260℃左右）
第二，优越的耐磨损性。  
第三，优越的清灰功能：该换热器采用氟塑料管束，导热时由于自身自清灰功能，从而能不易产生圬垢和通风阻力。常年连续使用，能够始终保持良好的传热效率，换热效果好且不影响锅炉或窑炉的工作。
第四，低阻力：管束排布方向和烟道方向平行，烟阻很小。  
第五，运输方便：由于氟塑料自身的性质，故而较金属烟气余热用氟塑料换热器更加轻便，利于运输。  
第六，使用寿命长、投资回收快：满负荷运行下的进口氟塑料管束余热回收装置使用寿命长达8-10年，该换热器设备投资回报快，一般需要1~2年即可回收成本。
第七，安装方便：余热回收装置的安装不需要对原锅炉或工业窑炉进行改动。
第八，节能效益好：可将大型工业窑炉、焦炉等效率可提高10%以上，中小型燃油、燃气、燃煤锅炉效率可提高节能达5%-10%。
四、目前制约换热器发展的关键问题

电站锅炉烟气余热回收的换热器，在实际使用中还有几点问题：

第一，腐蚀问题。关于腐蚀，最严重的当属酸的腐蚀。电站锅炉尾气中含有二氧化硫，当未除尽的二氧化硫在催化剂的条件下与氧气结合生成三氧化硫，最后与水蒸气结合形成硫酸蒸汽，硫酸蒸汽的存在使烟气的酸露点显著升高，当烟气温度低于酸露点时就会造成烟气结雾，对换热器造成腐蚀，又称为低温腐蚀。低温腐蚀主要对空气预热器造成危害，酸雾会使空气预热器的金属壁变薄，损坏，是大量的冷风进入空气预热器，而且一同进入的水蒸气会粘在金属壁上，造成空气预热器的堵塞，严重时还可能造成生产事故。

第二，换热器的积灰问题。这个是各类锅炉和工业炉窑的通病，无论是固体燃料还是液体燃料甚至是气体燃料都会有不同程度的积灰问题，但是固体燃料的烟灰数量更多，这对于以煤炭为主要燃料的电厂是一个重大的问题，烟尘对于换热器的不良影响主要有（1）锅炉烟灰的腐蚀性会增加维修成本，降低换热器的使用寿命。（2）烟灰可能会堵塞通气管，造成换热器损坏。（3）大量的烟灰还会造成换热器的工作效率大打折扣。（4）烟灰还可能造成结垢，使换热器局部过热和降低工作效率。最后由于烟囱内的空间有限，清理工作也变得十分困难。
第三，经济性。就目前的材料成本和工艺方面，可以在一定程度上解决上述问题，但产品高昂的价格和维护成本使量产在短时间内难以实现。

五、发展展望

综上所述,可以看到换热器在电站锅炉烟气余热回收方面的应用十分广泛。不同的换热器各有优缺，通过比较各种换热器的优缺点，和实际应用中面临的关键问题，如：露点腐蚀，积灰，磨损等，今后的换热器发展必须要克服这些问题同时注重经济利益和回收的效率。常规的安装在锅炉尾部的低压省煤器也面临腐蚀，磨损和引风机电耗增大，进水口水温设计值高降低排烟温度效果不显著等问题。对比前几种换热器，热管换热器的传热效率高，使用的寿命较长，而且能较好地解决磨损带来的问题，单根热管损坏可以单独更换而不会影响整体的使用，虽然还面临着积灰、腐蚀等技术问题，但是其利大于弊，随着热管技术的不断进步，热管换热器在电厂烟气余热回收利用方面的前景也不断扩大。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。此外还有诸如：螺旋折流板，纵流管束换热器等等新型的高效换热器不断发展，电厂烟气余热回收换热器将呈多元化，多方向的发展，热管和全焊接板等效率高的技术在换热器方面的应用也将更加广泛，新型高效的换热器也将逐步代替应用前景不大和传统的换热器。


内容来源：余热余能再利用