朱 勇,吳 斌，唐兆芳

（江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇南京211102）

褐煤是我國(guó)主要?jiǎng)恿γ悍N之一，其特點(diǎn)為揮發(fā)分、含水分高，發(fā)熱量、磨損性、灰熔點(diǎn)低，主要分布在我國(guó)內(nèi)蒙古東北部地區(qū)[1]。燃用褐煤的鍋爐由于褐煤含水分量大，煙氣露點(diǎn)溫度高，并且褐煤燃燒時(shí)容易產(chǎn)生結(jié)渣和積灰問(wèn)題，易使鍋爐排煙溫度高，一般在150℃左右。因此，燃燒褐煤機(jī)組的排煙熱源損失高，對(duì)排煙余熱進(jìn)行利用可進(jìn)一步降低機(jī)組熱耗，提高機(jī)組效率。以北方某燃用褐煤電廠的330 MW亞臨界供熱機(jī)組為例，借鑒國(guó)外燃用褐煤機(jī)組以及國(guó)內(nèi)已實(shí)施的煙氣余熱換熱器的設(shè)計(jì)思路，探討燃用褐煤機(jī)組煙氣余熱利用的可行性與經(jīng)濟(jì)性。

1 工程概況

該工程為北方某330 MW供熱機(jī)組，燃用煤種為內(nèi)蒙古白音華煤，煤種全水分含量32.4%，干燥基揮發(fā)分含量49.28%，低位發(fā)熱量13.5 MJ/kg。鍋爐采用亞臨界、自然循環(huán)單爐膛、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)汽包爐。汽機(jī)采用一次中間再熱、雙抽凝汽式機(jī)組。工業(yè)抽汽壓力 0.784～1.69 MPa（a），額定流量 80 t/h；采暖抽汽 0.249～0.49 MPa（a），額定流量 500 t/h。采暖供熱管網(wǎng)供水溫度130℃，回水溫度70℃，管網(wǎng)流量約9 400 t/h。

2 煙氣余熱換熱器的選型

2.1 煙氣余熱換熱器的布置

如裝設(shè)煙氣余熱換熱器，有2種布置方案。一種方案是將換熱器布置在空氣預(yù)熱器和除塵器之間；另一種方案是將換熱器布置在引風(fēng)機(jī)出口之后，脫硫塔入口之前。

對(duì)于第一種方案，煙氣在空氣預(yù)熱器出口就被減溫[2]。煙氣溫度的降低增加了除塵器防腐蝕的難度。最主要的是，換熱器內(nèi)通過(guò)的含有大量飛灰的煙氣，換熱器的煙氣側(cè)將會(huì)面臨較嚴(yán)重的磨損和堵灰問(wèn)題。

第二種方案是把煙氣換熱器放置在引風(fēng)機(jī)出口之后、脫硫塔入口之前，占用的空間可取代常規(guī)脫硫島的GGH的位置。采用此方案，由于煙氣中的絕大部分飛灰已被除塵器除去，換熱器的磨損和堵灰很少，煙氣換熱器的換熱結(jié)構(gòu)可采用翅片管式或板式等先進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式以提高傳熱系數(shù)。同時(shí)，置于引風(fēng)機(jī)之后還可避免換熱器腐蝕泄漏后水側(cè)漏入引風(fēng)機(jī)而帶來(lái)的葉片防腐問(wèn)題。因此，該布置方案的運(yùn)行可靠性和維護(hù)成本都優(yōu)于第一種方案。

2.2 煙氣余熱換熱器的低溫腐蝕和材料選擇

由于煙氣余熱換熱器在酸腐蝕的工況下運(yùn)行，需要選用導(dǎo)熱性能好、性價(jià)比高的耐腐蝕材料。從目前國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)及已投用煙氣余熱換熱器的運(yùn)行情況看，可以考慮采用的材料主要有：耐腐蝕的低合金碳鋼、不銹鋼材料、復(fù)合鋼管或者碳鋼外表面鍍瓷等。根據(jù)國(guó)內(nèi)外投運(yùn)業(yè)績(jī)，本文煙氣余熱換熱器暫按耐腐蝕的低合金碳鋼考慮。

2.3 煙氣余熱換熱器的選型和設(shè)計(jì)

本換熱器的介質(zhì)是煙氣和凝結(jié)水 （熱網(wǎng)水），工作特性類似于鍋爐內(nèi)的省煤器?？晒┻x擇的換熱器型式有管式換熱器和板式換熱器2種[3]。

管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于檢修，容易清理堵灰，制造技術(shù)成熟，可靠性高。管式換熱器的缺點(diǎn)是占地面積大，檢修維護(hù)不方便。

板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是在相同的換熱面積下，換熱效率較高，體積緊湊，節(jié)地、節(jié)材。板片可抽出檢修或更換。板式換熱器的使用壽命優(yōu)于管式換熱器，但檢修周期長(zhǎng)。2種換熱器均可滿足設(shè)計(jì)需要。目前國(guó)內(nèi)普遍采用的余熱換熱器均為管式換熱器，板式換熱器目前國(guó)內(nèi)還無(wú)生產(chǎn)及投運(yùn)經(jīng)驗(yàn)，整套設(shè)備需進(jìn)口，價(jià)格較高。因此，本文暫按管式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

3 煙氣余熱換熱器的系統(tǒng)設(shè)置

3.1 煙氣系統(tǒng)設(shè)置

該工程采用濕法脫硫工藝，取消旁路煙道。煙氣余熱換熱器采用1×100%容量換熱器，換熱器與脫硫吸收塔串聯(lián)布置。煙氣由引風(fēng)機(jī)出口進(jìn)入煙氣余熱換熱器與凝結(jié)水（或熱網(wǎng)水）充分換熱后，進(jìn)入吸收塔脫硫后排入煙囪。

3.2 凝結(jié)水及熱網(wǎng)水系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)該工程為北方嚴(yán)寒地區(qū)供熱電廠、熱負(fù)荷大的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，該工程建議在采暖期利用排煙煙氣的尾部余熱加熱部分熱網(wǎng)水；而在非采暖期，排煙煙氣的尾部余熱用于加熱部分凝結(jié)水。由于在采暖期與非采暖期加熱水來(lái)自不同的熱源，因此，煙氣換熱器水側(cè)系統(tǒng)需根據(jù)機(jī)組負(fù)荷性質(zhì)的變化進(jìn)行切換。根據(jù)這種熱源切換，有2種水側(cè)系統(tǒng)的設(shè)置方式。

3.2.1 一次循環(huán)直接加熱方式

凝結(jié)水、熱網(wǎng)水與煙氣換熱器直接換熱，凝結(jié)水與熱網(wǎng)水間的切換采用閥門控制方式。當(dāng)在采暖期時(shí)，利用煙氣余熱加熱熱網(wǎng)水；當(dāng)在非采暖期時(shí)，先通過(guò)熱網(wǎng)水側(cè)排污閥將管道中熱網(wǎng)水排放完畢后，再利用凝結(jié)水將管道沖洗合格直至管道內(nèi)水質(zhì)完全滿足凝結(jié)水水質(zhì)要求，再打開(kāi)凝結(jié)水出口閥，投入凝結(jié)水加熱系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)置如圖1所示。這種系統(tǒng)采用一次循環(huán)直接換熱，其優(yōu)點(diǎn)為換熱效率高，設(shè)備投資小，系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)為煙氣換熱器抗腐蝕、抗壓要求高；熱網(wǎng)水與凝結(jié)水切換時(shí)如操作不當(dāng)，易污染凝結(jié)水水質(zhì)，且前期沖洗需消耗部分凝結(jié)水；系統(tǒng)安全性一般。

圖1 換熱器水側(cè)系統(tǒng)流程圖

3.2.2 二次循環(huán)間接加熱方式

凝結(jié)水、熱網(wǎng)水與煙氣換熱器不直接接觸，通過(guò)中間媒質(zhì)（除鹽水）間接換熱，凝結(jié)水、熱網(wǎng)水采用各自獨(dú)立的換熱器。在采暖期與非采暖期的切換中，只需分別開(kāi)啟和關(guān)閉相應(yīng)換熱器的閥門即可。系統(tǒng)設(shè)置如圖2所示。

圖2 換熱器水側(cè)系統(tǒng)流程圖

這種系統(tǒng)采用二次循環(huán)間接換熱，其優(yōu)點(diǎn)為煙氣換熱器抗腐蝕、抗壓要求低，系統(tǒng)檢修維護(hù)方便，不同水質(zhì)水源各自獨(dú)立，系統(tǒng)安全性高。缺點(diǎn)則是由于采用二次換熱，換熱效率低，設(shè)備投資大，系統(tǒng)控制復(fù)雜。

2種系統(tǒng)設(shè)置方式各有利弊。由于煙氣尾氣排熱已屬于低品質(zhì)熱能，熱能的利用及回收所需付出的經(jīng)濟(jì)代價(jià)與普通換熱相比已較高，如再采用二次循環(huán)間接加熱方式，初投資增加，換熱效率大大下降。經(jīng)過(guò)向有關(guān)廠家咨詢，換熱器設(shè)計(jì)在充分考慮煙氣酸露對(duì)換熱器腐蝕影響后，換熱器可滿足煙氣與凝結(jié)水或熱網(wǎng)水直接換熱的設(shè)計(jì)要求。目前國(guó)內(nèi)投運(yùn)使用的煙氣余熱換熱器均采用了直接換熱方式。因此，該工程推薦采用一次循環(huán)直接換熱方式，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)展下列經(jīng)濟(jì)性比較。

4 煙氣余熱換熱器的熱平衡計(jì)算

4.1 換熱參數(shù)的選擇

回收煙氣熱量，首先應(yīng)考慮換熱器的低溫腐蝕問(wèn)題。對(duì)于煙氣余熱換熱器來(lái)說(shuō)，煙氣結(jié)露的腐蝕是最主要的。其中對(duì)于煙氣酸露點(diǎn)的確定是判斷換熱器低溫腐蝕的重要依據(jù)。為保證安全可靠性，建議換熱器煙氣側(cè)出口溫度不低于煙氣酸露點(diǎn)溫度。

采用有限腐蝕的煙氣余熱換熱器系統(tǒng)，換熱器壁面溫度最低點(diǎn)基本等同于換熱器水側(cè)的進(jìn)口溫度，因此該溫度需要高于煙氣中水露點(diǎn)溫度才可以保證酸露腐蝕的影響盡量小。因此建議煙氣換熱器水側(cè)溫度比水露點(diǎn)溫度高15℃為宜[4，5]。

根據(jù)此設(shè)計(jì)原則，該工程煙氣余熱利用系統(tǒng)在任何工況下，建議換熱器出口煙溫不低于105℃，換熱器進(jìn)口水溫不低于65℃。

4.2 熱網(wǎng)水系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算

以下均按照該工程1臺(tái)機(jī)組燃用設(shè)計(jì)煤種的額定抽汽工況計(jì)算。

在采暖期，為利用煙氣尾部余熱，將部分熱網(wǎng)水從熱網(wǎng)供水母管中抽出加壓后送至煙氣余熱換熱器，熱網(wǎng)水由排煙煙氣從70℃加熱至130℃，煙氣溫度由150℃降至105℃后進(jìn)入脫硫塔脫硫后排入煙囪。換熱器采取逆流換熱方式。

部分熱網(wǎng)水的通過(guò)利用煙氣余熱加熱，減少了采暖抽汽的抽汽量，減少的采暖抽汽可通過(guò)汽輪機(jī)低壓缸做功，增加了汽輪機(jī)的做功能力，降低了汽機(jī)熱耗，從而整體提高機(jī)組熱效率。裝設(shè)煙氣余熱換熱器后的熱平衡圖如圖3所示。

圖3 裝設(shè)換熱器后熱網(wǎng)水系統(tǒng)流程圖

經(jīng)計(jì)算，熱網(wǎng)水回收煙氣余熱后，機(jī)組發(fā)電功率增加4 943.1 kW。

在裝設(shè)煙氣余熱換熱器后，煙氣阻力約增加800 Pa，引風(fēng)機(jī)能耗將增加；低壓缸排汽增加35.1 t/h，增加的低壓缸排汽將增加凝汽器循環(huán)水以及凝泵的能耗；換熱器熱網(wǎng)水加壓泵也需要消耗能量。因此，考慮風(fēng)機(jī)功率增加、排汽能耗增加和加壓泵能耗增加的引起廠用電的增加影響后，供電標(biāo)煤耗可節(jié)省 3.92 g/（kW·h）。

4.3 凝結(jié)水系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算

4.3.1 THA工況的計(jì)算

以下均按照該工程一臺(tái)機(jī)組燃用設(shè)計(jì)煤種的熱耗率驗(yàn)收工況（THA工況）計(jì)算。

在非采暖期，利用煙氣尾部余熱加熱部分凝結(jié)水，換熱器將出口煙氣溫度150℃降至105℃進(jìn)入脫硫塔。凝結(jié)水從7號(hào)低壓加熱器部分至換熱器，凝結(jié)水在換熱器內(nèi)從86.1℃加熱至117.5℃后，通過(guò)加壓泵加壓返回5號(hào)低壓加熱器入口，換熱器的型式可采用管式逆流換熱。換熱器中的凝結(jié)水流量由熱平衡計(jì)算確定[6]。凝結(jié)水在換熱器內(nèi)吸收的熱量抵消了在6號(hào)低壓加熱器內(nèi)的吸熱，6級(jí)抽汽量相應(yīng)減少，減少的抽汽量使低壓缸做功增加，從而提高了熱量利用效率。受影響的6級(jí)抽汽流量也由熱平衡計(jì)算重新確定。裝設(shè)了煙氣換熱器之后的熱平衡如圖4所示。

圖4 煙氣余熱換熱器后熱平衡圖

經(jīng)計(jì)算，凝結(jié)水回收煙氣余熱后，機(jī)組發(fā)電功率增加3 777.6 kW。

在裝設(shè)煙氣余熱換熱器后，煙氣阻力約增加800 Pa，引風(fēng)機(jī)能耗將增加；低壓缸排汽增加31.8 t/h，增加的低壓缸排汽將增加凝汽器循環(huán)水的能耗；換熱器凝結(jié)水加壓泵也需要消耗能量。因此，考慮風(fēng)機(jī)功率增加、排汽能耗增加和加壓泵能耗增加的影響后，供電標(biāo)煤耗可節(jié)省2.81 g/（kW·h）。

4.3.2 75%THA工況的計(jì)算

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，該工程針對(duì)75%THA工況對(duì)煙氣余熱利用的效果也進(jìn)行了效益分析。在75%THA工況時(shí)，排煙溫度降至134℃，凝結(jié)水在換熱器內(nèi)從78.0℃加熱至109.6℃，凝結(jié)水流量為575.1 t/h。

根據(jù)75%THA工況參數(shù)，采用同樣方法可知凝結(jié)水回收煙氣余熱后，機(jī)組發(fā)電功率增加1 705.5 kW，供電標(biāo)煤耗可節(jié)省 1.2 g/（kW·h）。

5 煙氣余熱換熱器經(jīng)濟(jì)性分析

設(shè)置煙氣余熱換熱器后，綜合考慮采暖期與非采暖期2種工況，脫硫島可減少噴水量34.1 t/h，全年節(jié)約用水約22.26萬(wàn)t。除此之外，從環(huán)境保護(hù)角度考慮，應(yīng)用煙氣余熱換熱器技術(shù)也降低了二氧化碳和二氧化硫的排放。

設(shè)置煙氣余熱換熱器所增加的靜態(tài)投資費(fèi)用包括以下幾方面：

（1）每臺(tái)機(jī)組換熱器本體造價(jià)在400萬(wàn)元左右（含壁溫控制系統(tǒng)、吹灰裝置）；

（2）換熱器和煙道所增加的土建基礎(chǔ)費(fèi)用總共約40萬(wàn)元；

（3）引風(fēng)機(jī)按0.05萬(wàn)元/kW的造價(jià)估算，需要增加27.5萬(wàn)元引風(fēng)機(jī)造價(jià)；

（4）增加的凝結(jié)水及熱網(wǎng)水管道和相關(guān)閥門費(fèi)用約75萬(wàn)元；

（6）每年的安裝運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用按設(shè)備投資的1.5%計(jì)算，每年約需6萬(wàn)元。

綜上所述，設(shè)置煙氣余熱換熱器需要增加靜態(tài)投資542.5萬(wàn)元，每年折合需要大約21萬(wàn)元運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。根據(jù)采暖期與非采暖期全年運(yùn)行時(shí)間的不同，煙氣余熱換熱器總體經(jīng)濟(jì)性分析如表1所示。

表1 煙氣余熱換熱器經(jīng)濟(jì)性分析表

通過(guò)計(jì)算可以看出，煙氣換熱器投入運(yùn)行每臺(tái)機(jī)組每年可節(jié)省燃料費(fèi)用311.73萬(wàn)元，節(jié)省脫硫島用水22.26萬(wàn)t，按初始投資542.5萬(wàn)元計(jì)算，1.91年可收回動(dòng)態(tài)投資。每年并可減少二氧化碳排放量20 646.4 t/a，二氧化硫排放量125.7 t/a，環(huán)保效益十分明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于褐煤機(jī)組煙氣余熱利用有以下一些特點(diǎn)。

（1）設(shè)置煙氣余熱換熱器的方案可有效降低煙氣進(jìn)入脫硫塔的溫度，減少脫硫用水，并且回收煙氣的余熱。

（2）由于褐煤機(jī)組排煙溫度高，煙氣可利用余熱大，余熱利用效果顯著。供電標(biāo)煤耗可降低3～4 g/（kW·h），在 75%THA純凝工況時(shí)仍可降低供電標(biāo)煤耗1.2 g/（kW·h），與燃用煙煤機(jī)組煙氣余熱利用標(biāo)煤耗降低1 g/（kW·h）左右相比，節(jié)能效果更加明顯。

（3）方案針對(duì)北方采暖供熱機(jī)組的特點(diǎn)，在采暖期及非采暖期利用煙氣尾部余熱分別加熱熱網(wǎng)水或凝結(jié)水，降低全廠熱耗，提高機(jī)組效率。

（4）方案經(jīng)濟(jì)效益好，不到2年時(shí)間便可以回收初始投資，并有明顯的節(jié)能減排作用，環(huán)保效益也十分顯著。

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