靳 菲

(北方民族大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

鍋爐排煙余熱發(fā)電裝置中換熱器的初步設(shè)計(jì)研究

靳 菲

(北方民族大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

對某電廠鍋爐排煙余熱發(fā)電裝置的煙氣-水換熱器進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)計(jì)的換熱器可以將煙氣的余熱分段傳遞給循環(huán)水，滿足基于朗肯循環(huán)的低溫余熱發(fā)電裝置對熱源的需求。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對換熱器的安裝尺寸、煙氣流速、熱容量等問題進(jìn)行了討論，為鍋爐排煙余熱發(fā)電的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。

鍋爐排煙；余熱發(fā)電；換熱器；設(shè)計(jì)計(jì)算

近年來，隨著我國工業(yè)水平的不斷發(fā)展，能源的消耗量也在逐年增長。為了實(shí)現(xiàn)我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，我們一方面要開發(fā)新能源的利用，另一方面要提高現(xiàn)有工業(yè)過程的能源利用效率，雙管齊下，實(shí)現(xiàn)能源的合理、充分利用。

火力發(fā)電一直是我國煤炭消耗的主要行業(yè)，其鍋爐排煙溫度一般都在120℃以上。由于鍋爐產(chǎn)生的煙氣量巨大，這部分熱量具有極大的應(yīng)用前景。目前，鍋爐排煙余熱利用主要有兩種方式[1]：一是將煙氣余熱直接進(jìn)行利用，例如：用煙氣余熱對褐煤等水分較高的煤種進(jìn)行干燥；二是將煙氣余熱通過換熱裝置進(jìn)行熱量的傳遞，例如：為基于有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)的低溫余熱發(fā)電裝置(ORC余熱發(fā)電裝置)提供穩(wěn)定的熱源，將煙氣余熱轉(zhuǎn)化為電能，更加高效地進(jìn)行利用。本文將以某電廠鍋爐煙氣ORC余熱發(fā)電裝置為例，對其煙氣-水換熱器進(jìn)行初步設(shè)計(jì)和研究。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

某300MW燃煤發(fā)電廠鍋爐排煙溫度為141℃，煙氣量為1749504m3/h，現(xiàn)計(jì)劃利用全部煙氣余熱來供應(yīng)ORC低溫余熱發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電。每臺ORC余熱發(fā)電裝置發(fā)電功率固定為280kW，熱力過程為有機(jī)朗肯循環(huán)，發(fā)電工質(zhì)為R245fa，外部熱源要求是一定溫度的熱水，具體參數(shù)見表1。

由于ORC余熱發(fā)電裝置的工作要求，不能直接對煙氣熱量進(jìn)行利用。因此，需要設(shè)計(jì)煙氣-水換熱器將鍋爐排煙的熱量傳遞給循環(huán)水，滿足ORC余熱發(fā)電裝置的工作要求，且換熱后的煙氣要經(jīng)過脫硫塔進(jìn)行處理后才能排入大氣，脫硫塔最低工作溫度為80℃。

表1 ORC余熱發(fā)電裝置工作參數(shù)

考慮到在除塵器之前，如果將煙氣溫度直接從140℃降低到80℃，會導(dǎo)致煙氣中的酸凝結(jié)，腐蝕受熱面，影響除塵器和引風(fēng)機(jī)的正常工作[2]，因此設(shè)置兩個煙氣-水換熱器(換熱器A和換熱器B)分段對煙氣進(jìn)行換熱，工作流程圖如圖1所示。

圖1 鍋爐排煙余熱發(fā)電原理圖

2 煙氣-水換熱器的設(shè)計(jì)

考慮到鍋爐現(xiàn)在整體布置的限制，如果將煙氣從煙道中引出進(jìn)行換熱，不但工作量巨大，且換熱器將沒有場地安裝，可行的方案是將現(xiàn)有煙道進(jìn)行擴(kuò)展，換熱器直接安裝在擴(kuò)展后的煙道內(nèi)，適當(dāng)提高引風(fēng)機(jī)的出力即可實(shí)現(xiàn)煙氣和水的換熱過程。根據(jù)以上分析，參考現(xiàn)有低壓省煤器的設(shè)計(jì)思路，確定使用蛇形管式間壁式換熱器進(jìn)行煙氣和水的熱量交換，煙氣在管外流動，水在管內(nèi)流動。

通過熱平衡計(jì)算可知，如果使用全部煙氣余熱對水進(jìn)行加熱，最多可以滿足6臺ORC余熱發(fā)電裝置工作所需的熱水量，發(fā)電功率達(dá)到1680kW，如果年運(yùn)行小時數(shù)為4500h，發(fā)電煤耗為360g/(kWoh)，那么每年可以節(jié)約標(biāo)煤2700t[3]。為了對排煙余熱實(shí)現(xiàn)最大化利用，在換熱器A,B的設(shè)計(jì)計(jì)算中，使用盡可能多的煙氣進(jìn)行換熱，保證6臺ORC余熱發(fā)電裝置的正常工作，換熱器加熱水量為780 t/h，實(shí)際煙氣量根據(jù)熱平衡計(jì)算結(jié)果而定。

由于除塵器之前的煙道采用雙煙道布置，因此換熱器A實(shí)際上是分別安裝在兩個煙道內(nèi)的相同的換熱器，其中一個煙道內(nèi)的換熱器熱力計(jì)算結(jié)果和結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分別見表2和表3。

表2 換熱器A熱力計(jì)算結(jié)果

表3 換熱器A結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

引風(fēng)機(jī)到脫硫裝置之間的煙道采用單煙道布置，因此換熱器B僅有一個，熱力計(jì)算結(jié)果和結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如表4和表5所示。

表4 換熱器B熱力計(jì)算結(jié)果

表5 換熱器B結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

由于此時煙氣溫度已經(jīng)達(dá)到酸露點(diǎn)，因此換熱器B的材料應(yīng)選擇耐腐蝕的優(yōu)質(zhì)鋼材，保證換熱器能夠穩(wěn)定工作。

3 分析與討論

(1) 目前，針對排煙余熱發(fā)電裝置的選擇較為可行的方法是直接從國外采購成套的ORC余熱發(fā)電裝置，這些裝置的功率一般是恒定不變的。此時，提高熱源溫度只影響循環(huán)水量，例如：90℃熱水需要130t/h，如果是80℃的熱水則需要200t/h，如果想提高單個發(fā)電機(jī)組的功率，需要選擇不同廠家的產(chǎn)品，結(jié)合本廠煙氣余熱的總量，確定最佳單機(jī)發(fā)電功率。

(2)有一種構(gòu)想是使用煙氣直接加熱發(fā)電工質(zhì)，這樣可以節(jié)省換熱器設(shè)備投資，并減少能量的損失。但目前還沒有成熟的設(shè)備可以直接使用煙氣加熱發(fā)電工質(zhì)，工業(yè)上投入使用的都要求熱源為一定溫度的熱水，因此，對煙氣-水換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究是具有實(shí)際意義和價值的。

(3)從設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果可知，換熱器A和B的煙氣流速都很高，接近省煤器煙氣流速上限(13m/s)，換熱器內(nèi)管排的布置已經(jīng)相當(dāng)緊密了。如果煙道不允許擴(kuò)展，換熱器的流通截面將比現(xiàn)在更加狹小，煙氣流速將超過設(shè)計(jì)規(guī)定。因此，如果鍋爐排煙煙道面積不能擴(kuò)展，或者將該項(xiàng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用在煙氣量更大的鍋爐上，則只能根據(jù)實(shí)際煙道尺寸，回收部分排煙余熱，保證余熱發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(4)換熱器B傳熱溫差較小，導(dǎo)致?lián)Q熱面積大，蛇形管管程數(shù)多，使用的管子重量達(dá)到150噸，如果實(shí)際使用過程中不具備制造和安裝條件，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，將換熱器B拆分為兩個換熱器，或者減少煙氣和循環(huán)水量，從而減少換熱器傳熱面。

4 結(jié)論

ORC余熱發(fā)電裝置可以將鍋爐排煙余熱轉(zhuǎn)換為電能，但過程的實(shí)現(xiàn)首先需要通過煙氣-水換熱器將煙氣余熱傳遞給循環(huán)水，再由循環(huán)水為ORC余熱發(fā)電裝置提供穩(wěn)定熱源。因此，設(shè)計(jì)煙氣-水換熱器具有重要的意義和價值。本文所研究的鍋爐排煙可以為6個280 kW的ORC余熱發(fā)電裝置提供熱源，總發(fā)電功率為1680kW，年節(jié)約標(biāo)煤約2700噸，為了減小煙氣中酸凝結(jié)對設(shè)備的腐蝕，煙氣-水換熱器采用分段設(shè)計(jì)，保證余熱發(fā)電裝置和鍋爐各設(shè)備安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，具有重要的節(jié)能效益。

[1] 谷凱娜. 350MW機(jī)組余熱利用方案的研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2014.

[2] 趙國威，趙忠琳，王峰. 鍋爐煙道腐蝕的影響因素及防范措施[J]. 河北電力技術(shù)，2010，29(2)： 43-45.

[3] 楊勇平，楊志平，徐鋼，等. 中國火力發(fā)電能耗狀況及展望[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013,33(23)：1-11.

[4] 馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌. 鍋爐原理及計(jì)算[M]．3版．北京:科學(xué)出版社，2003．

(本文文獻(xiàn)格式：靳 菲.鍋爐排煙余熱發(fā)電裝置中換熱器的初步設(shè)計(jì)研究[J].山東化工，2016，45(24)：111-112，116.)

Design and Study on the Heat Exchanger in the Waste Heat Power Generation Device Using Boiler Flue Gas

Jin Fei

(Institute of Chemical Engineering，North University of Nationalities，Yinchuan 750021，China)

In this paper, a preliminary design of flue gas-water heat exchanger in a waste heat power generation device which use boiler flue gas is designed. The designed heat exchanger can transfer the waste heat of flue gas to the circulating water, which can meet the requirement of the heat source of the ORC waste heat power generation device. On this basis, the paper further discusses problems of installation size, flue gas flow rate, thermal capacity of the heat exchanger, which provides an important theoretical basis for further design and application of the waste heat power generation device.

boiler flue gas; waste heat power generation; heat exchanger; design calculation

2016-11-01

靳 菲(1988—)，寧夏銀川人，助教，2014年畢業(yè)于華北電力大學(xué)熱能工程專業(yè)，主要從事節(jié)能技術(shù)方向的教學(xué)與研究。

TK11+5

A

1008-021X(2016)24-0111-02