上海上電電力工程有限公司 譚青 王東平 王偉敏 章良 王吉翔

1 技術(shù)背景

燃煤蒸汽鍋爐在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著重要的位置，其蒸發(fā)量從每小時幾噸到數(shù)千噸大小不等，廣泛應(yīng)用于熱、電及化工行業(yè)。作為世界上主要的化學(xué)能/熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備，其熱效率在87%-94%之間，人們通常認(rèn)為其熱效率已達(dá)到極限。

然而，由于鍋爐主要燃料煤、石油等均為含硫燃料，燃燒時產(chǎn)生的二氧化硫、三氧化硫等硫化物與水蒸氣結(jié)合形成硫酸蒸汽，當(dāng)鍋爐金屬部件的壁面溫度低于硫酸蒸汽的凝結(jié)點(diǎn)（稱為酸露點(diǎn)）時，就會在其表面形成液態(tài)硫酸（稱為結(jié)露）。為防止鍋爐尾部部件由于結(jié)露引起的腐蝕，世界上各種鍋爐設(shè)計(jì)時，不得不采用較高的排煙溫度來緩解結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生，部分鍋爐由于運(yùn)行調(diào)整和燃料變化造成了實(shí)際排煙溫度比設(shè)計(jì)溫度更高的現(xiàn)象，鍋爐的排煙溫度大約在140℃-180℃之間，這就勢必造成更多的熱能隨著煙氣排出，導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。根據(jù)計(jì)算，大型鍋爐排煙溫度每降低16～20℃，鍋爐熱效率能提高1%。

由于影響酸露點(diǎn)溫度的因素較多，為防止過低的排煙溫度造成鍋爐尾部設(shè)備的酸腐蝕，目前，鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時排煙溫度一般在140℃到180℃之間。但實(shí)際上，燃用較低硫份的煤進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的煙氣溫度可以控制在90-110℃范圍內(nèi)而不至于造成尾部明顯的腐蝕，特別是對于不設(shè)GGH(原煙氣-凈煙氣換熱器)的濕法煙氣脫硫系統(tǒng)，過高的原煙氣溫度只是增加了工藝水的消耗，這部分熱量就白白的損耗了。因此，鍋爐的煙氣溫度還存在30-70℃左右的下降空間。完全可在煙道上增加換熱裝置對這部分煙氣余熱進(jìn)行回收，從而取得節(jié)能的效益，同時還可以減少煙氣脫硫系統(tǒng)所耗用的工藝水量。

實(shí)踐中常用各類換熱器來利用煙氣的熱量，但是由于煙氣中含有7-11%（體積比）的水蒸汽，這部分水蒸汽在接觸到換熱裝置冷端的元件時，如果元件的表面溫度低于煙氣中水分的露點(diǎn)，將會在元件的表面結(jié)露，使冷端元件表面附著液態(tài)水，這部分水將吸收煙氣中的酸酐，這些液態(tài)的酸將會造成換熱器冷端表面的腐蝕。因此必須對冷端元件的表面溫度進(jìn)行控制，避免表面溫度過低。冷端元件的表面溫度取決于元件內(nèi)介質(zhì)的溫度（換熱裝置除鹽水的入口溫度），并和換熱元件的形式有關(guān)。采用鰭片形式的低溫?fù)Q熱器可以提高傳熱系數(shù)和表面溫度。腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果表明，采用此形式換熱器時，ND鋼和考頓鋼的更換壽命超過10年。因此，采用傳熱系數(shù)較高的鰭片或翅片管，和具有一定耐酸性能的ND鋼和考頓鋼材料，并且控制冷端介質(zhì)溫度就可以滿足換熱裝置防腐的要求。

2 煙氣余熱回收裝置

本煙氣余熱回收裝置就是為了解決上述技術(shù)問題而提出的一種鍋爐的節(jié)能系統(tǒng)，對現(xiàn)有的鍋爐煙氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，利用煙氣的余熱加熱除鹽水，減少除氧器加熱的蒸汽消耗，并減少脫硫用工藝水的耗量，同時降低煙氣的排煙溫度。改造裝置設(shè)置了再循環(huán)泵，控制換熱裝置冷端進(jìn)水溫度，防止冷端腐蝕的問題。

煙氣余熱回收裝置安裝于鍋爐尾部煙道上，換熱器可布置在空氣預(yù)熱器到脫硫吸收塔之間，換熱器的進(jìn)水口與除鹽水箱出口母管相連，出水口與除氧器相連，換熱器的進(jìn)水口與出水口之間設(shè)置再循環(huán)泵，通過再循環(huán)泵將換熱器出口的90℃左右的熱水部分返送到換熱器進(jìn)口并與進(jìn)入換熱器前的常溫除鹽水混合，通過再循環(huán)流量的調(diào)節(jié)可控制裝置的冷端進(jìn)水溫度從而保證裝置的冷端溫度比煙氣中水蒸氣的露點(diǎn)溫度高，避免了冷端元件的腐蝕。

換熱器采用“H”型鰭片管換熱器，因其具有較多的擴(kuò)展受熱面面積、優(yōu)異的防磨性能，既有較高的傳熱性能，又能防止積灰結(jié)垢，同時H型肋片把空間分成若干個小的區(qū)域，對氣流有均流作用，因此在其它條件相同的情況下，磨損壽命可提高3-4倍。而在其材質(zhì)上，選用具備一定防腐能力的耐酸鋼材，如ND鋼等。

3 裝置工作原理

在鍋爐尾部煙道上增加一套煙氣余熱回收裝置，主要部件換熱器其具體布置位置可按現(xiàn)場條件進(jìn)行挑選，優(yōu)先選擇布置在電除塵以后的煙道上，這樣除了方便進(jìn)行加熱器的定位和布置外，還可以減少粉塵對加熱器的堵塞和磨損，并縮小降溫后煙氣的影響范圍。

將進(jìn)入除氧器的除鹽水分成兩路，一路常溫水循原系統(tǒng)直接進(jìn)入除氧器，另一小部分經(jīng)換熱器加熱至90℃后進(jìn)入除氧器，這部分水量通過單獨(dú)的調(diào)節(jié)伐門以控制水量，同時也控制了裝置后的排煙溫度。

為控制裝置的進(jìn)水溫度，在裝置的除鹽水進(jìn)、出水管道上增設(shè)再循環(huán)泵，將進(jìn)入換熱器前的常溫除鹽水與通過再循環(huán)泵回到出口的那部分熱水相混和以保證換熱器的冷端溫度。由于保留了原除鹽水管道和系統(tǒng)，即使在改造設(shè)備故障時，系統(tǒng)可以方便地恢復(fù)到原方式運(yùn)行。

由于鍋爐不同的負(fù)荷量往往對應(yīng)不同的排煙溫度，因此當(dāng)負(fù)荷量及環(huán)境溫度等變化而引起排煙溫度相應(yīng)發(fā)生變化時，裝置的控制部分通過調(diào)節(jié)流經(jīng)換熱器的除鹽水流量，相應(yīng)增加/減少煙氣的換熱量，將排煙溫度維持在90℃以上。變頻控制的再循環(huán)泵根據(jù)常溫水與來自換熱器出口的熱水混合后的水溫來進(jìn)行控制換熱器的進(jìn)水溫度，通過改變再循環(huán)泵的輸出流量，減少/增加回流至換熱器進(jìn)口處熱水的循環(huán)量，從而維持合適的進(jìn)水溫度。

4 應(yīng)用實(shí)例

某供熱站的自然循環(huán)的煤粉鍋爐UG-130/5.7-M型，額定蒸發(fā)量為130t/h，半露天∏型布置，單鍋筒、集中下降管的鍋爐的煙氣和鍋爐供水系統(tǒng)，其系統(tǒng)簡圖見圖1所示。

鍋爐6使用除鹽水作為工質(zhì)，除鹽水箱1內(nèi)的除鹽水由除鹽水泵2送至除氧器4內(nèi)用蒸汽進(jìn)行加熱，沸騰除氧，除氧后的除鹽水進(jìn)入給水母管，由給水泵5送至鍋爐6，燃料在鍋爐6內(nèi)燃燒，水吸收燃料燃燒熱量蒸發(fā)后產(chǎn)生一定參數(shù)的蒸汽，經(jīng)過減溫器和減溫減壓器分別接入高壓熱網(wǎng)母管（5MPa）和中壓熱網(wǎng)母管（3.5MPa），供熱網(wǎng)用戶。除氧器4的加熱蒸汽取自產(chǎn)品蒸汽的中壓供熱母管，經(jīng)過蒸汽減壓閥降壓后，進(jìn)入除氧器4。

燃料在鍋爐6內(nèi)燃燒后排出的煙氣則經(jīng)空氣預(yù)熱器7用煙氣的熱量加熱助燃的空氣，同時降低了煙氣的溫度。降溫后煙氣進(jìn)入電除塵8除去煙氣中的灰塵，除塵后的煙氣通過引風(fēng)機(jī)9送入脫硫吸收塔10，洗滌脫硫后經(jīng)煙囪11排出。

改造后的系統(tǒng)簡圖見圖2所示。

本應(yīng)用實(shí)例通過在上述現(xiàn)有的系統(tǒng)的電除塵器和引風(fēng)機(jī)之間的煙道上增加換熱面積為1940m2的H型鰭片管式換熱器12；換熱器的進(jìn)水口與除鹽水箱出口相連，出水口與除氧器相連，換熱器的進(jìn)水口與出水口之間設(shè)置再循環(huán)泵13，即將原來進(jìn)入除氧器4的除鹽水分成二路，一路常溫水通過原系統(tǒng)進(jìn)入除氧器4，另一部分經(jīng)換熱器12加熱后進(jìn)入除氧器4，這部分水量通過換熱器后單獨(dú)的調(diào)門14調(diào)節(jié)以控制熱除鹽水水量，同時也控制了換熱器12后的排煙溫度，保證在不同蒸發(fā)量和煙氣溫度條件下的排煙溫度在90～110℃左右，防止尾部設(shè)備的腐蝕。

同時通過再循環(huán)泵將換熱器出口的熱水部分返送到換熱器進(jìn)口并與進(jìn)入換熱器前的常溫除鹽水混合，通過再循環(huán)流量的調(diào)節(jié)可控制換熱器的冷端進(jìn)水溫度，避免了冷端元件的腐蝕。

圖1、2中：①為除鹽水箱，②為除鹽水泵，③為除氧器，④為除氧器水箱，⑤為給水泵，⑥為鍋爐，⑦為空預(yù)器，⑧為電除塵，⑨為引風(fēng)機(jī)，⑩為吸收塔，11○為煙囪，12○為換熱器，13○為再循環(huán)泵，14○為熱除鹽水調(diào)門。

表1 煙氣余熱回收裝置回收熱量和低壓除氧器減少的加熱蒸汽量

表2 煙氣余熱回收裝置節(jié)能量計(jì)算

5 節(jié)能效益

上述應(yīng)用實(shí)例通過上海明華電力技術(shù)工程有限公司的性能試驗(yàn)，實(shí)測數(shù)據(jù)見表1、表2：

（3）結(jié)論

煙氣余熱回收裝置在鍋爐不同負(fù)荷下的節(jié)省除氧器加熱蒸汽量如下：

○ 130t/h負(fù)荷時：節(jié)省2.42t/h；

○ 90t/h負(fù)荷時：節(jié)省1.71t/h。

經(jīng)過煙氣余熱回收裝置的煙溫變化

○ 130t/h負(fù)荷時：進(jìn)／出口煙溫為146.8／117.7℃；

○ 90t/h負(fù)荷時：進(jìn)／出口煙溫為129.0／104.6℃；

經(jīng)過煙氣余熱回收裝置的水溫變化

○ 130t/h負(fù)荷時：進(jìn)／出口水溫為19.6／80.6℃；

○ 90t/h負(fù)荷時：進(jìn)／出口水溫為19.8／76.1℃；

依據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算得年可節(jié)省脫硫工藝水量8950t。

煙氣余熱回收裝置投入運(yùn)行后年節(jié)約標(biāo)煤量902.7t。年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為150.80萬元，預(yù)計(jì)的投資回收年限2.5～3.5年。

6 前景展望

我國鍋爐平均運(yùn)行效率比國際先進(jìn)水平低10～15個百分點(diǎn)，鍋爐節(jié)能改造被國家列為十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。鍋爐效率低的主要原因之一是熱能轉(zhuǎn)換裝置工藝技術(shù)落后，排煙溫度高，熱能損耗大。我國現(xiàn)有50多萬臺工業(yè)鍋爐，即使只有1萬臺較大噸位鍋爐進(jìn)行改造換熱裝置，按排煙溫度平均降低30～40℃保守測算，每年總計(jì)可節(jié)能3000萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，價值150億元，并可相應(yīng)減少SO2排放240萬t、CO2排放2400萬t。

煙氣余熱回收裝置不僅具有投資少、見效快、回收期短、使用壽命長，節(jié)能效益大等優(yōu)勢，而且適用性極其廣泛，可以靈活配置于工業(yè)鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐、電站鍋爐、油田注氣爐、石化加熱爐等各類鍋爐，涉及電力、石油、化工、石化、冶金、紡織等行業(yè)，具有明顯的可持續(xù)開拓的強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢，節(jié)能效果明顯，前景非常廣闊。我們希望上述技術(shù)能得到各行業(yè)有關(guān)人士的關(guān)注和支持，得到雙贏的結(jié)果。

[1]《鍋爐原理及計(jì)算》馮俊凱，科學(xué)出版社

[2]《余熱鍋爐設(shè)計(jì)與運(yùn)行》北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院，冶金工業(yè)出版社