薛永明，樊鵬

（1.蘇州市江遠(yuǎn)熱電有限責(zé)任公司，江蘇蘇州 215000；2.北京新世翼節(jié)能環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，北京 100070）

燃煤鍋爐作為將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的主要設(shè)備之一，被廣泛應(yīng)用于電力、冶金和石化等高耗能行業(yè)。煤炭在爐膛內(nèi)燃燒放熱后，經(jīng)過尾部對(duì)流受熱面（過熱器和省煤器等）換熱后煙氣溫度仍較高（300℃左右），為了充分利用煙氣熱量，提高鍋爐的熱效率，在鍋爐尾部煙道通常設(shè)置空氣預(yù)熱器，回收煙氣的余熱去加熱鍋爐的送風(fēng)，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。此外，由于燃煤煙氣中含有大量粉塵、氮氧化物和二氧化硫等污染成分，排放的煙氣須經(jīng)過脫硝、除塵和脫硫等凈化處理后方可由煙囪排空，以減少排煙對(duì)大氣環(huán)境的污染程度。綜合考慮鍋爐的熱效率和各煙氣處理工序的安全可靠性，將空預(yù)器出口的排煙溫度通常設(shè)為120～150℃作為鍋爐排煙的最佳設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。

隨著近些年環(huán)保政策的不斷加碼和新能源行業(yè)的日益壯大，燃煤鍋爐作為傳統(tǒng)能源利用的主要設(shè)備，其年運(yùn)行小時(shí)數(shù)逐年下降，企業(yè)的經(jīng)營狀況日趨嚴(yán)峻，生存危機(jī)逐日增大。鑒于大環(huán)境的惡化現(xiàn)狀，為了進(jìn)一步降低企業(yè)成本，提升能源利用效率，對(duì)125℃左右的低溫?zé)煔庥酂徇M(jìn)行回收對(duì)企業(yè)具有重要的意義。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，綜合地域、行業(yè)和生產(chǎn)工藝等多種客觀因素的影響，不同煙氣余熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也有很大差別。為保證煙氣余熱回收系統(tǒng)給企業(yè)創(chuàng)收最大化，本文闡述了三種不同的煙氣余熱回收工藝及特點(diǎn)，并對(duì)三種工藝系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了理論分析，以期為工業(yè)用戶提供一種定量化的選型依據(jù)。

1 三種煙氣余熱回收工藝及其特點(diǎn)

1.1 煙氣余熱回收加熱熱網(wǎng)水系統(tǒng)

在除塵器與脫硫塔之間加設(shè)一套低溫?zé)煔庥酂峄厥昭b置，余熱回收系統(tǒng)以水為熱媒介質(zhì)，通過水吸收鍋爐排煙的熱量。設(shè)置一級(jí)熱網(wǎng)水加熱器，將來自煙氣余熱回收裝置的高溫?zé)崦剿ㄈ霟峋W(wǎng)水加熱器，實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)回水的加熱，放熱降溫后的熱媒水回至煙氣余熱回收裝置開啟下一個(gè)循環(huán)換熱過程，由此實(shí)現(xiàn)將煙氣余熱回用于熱網(wǎng)水系統(tǒng)的目標(biāo)。

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)控靈活、工程改造量小，系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益隨鍋爐負(fù)荷波動(dòng)而變化。在實(shí)際運(yùn)行中，以鍋爐側(cè)煙氣溫度為控制目標(biāo)，以熱網(wǎng)水和熱媒水流量為調(diào)節(jié)對(duì)象，根據(jù)鍋爐生產(chǎn)負(fù)荷同步調(diào)節(jié)兩種介質(zhì)的流量，達(dá)到既保證脫硫系統(tǒng)安全運(yùn)行又滿足煙氣余熱回收系統(tǒng)收益最大化的目的，煙氣余熱回收加熱熱網(wǎng)水工藝系統(tǒng)圖如圖1所示。

1.2 煙氣余熱回收加熱汽輪機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)

在除塵器與脫硫塔之間加設(shè)一臺(tái)煙氣余熱回收裝置，余熱回收系統(tǒng)以水為熱媒介質(zhì)，通過水吸收鍋爐排煙的熱量。設(shè)置一級(jí)凝結(jié)水加熱器，將來自煙氣余熱回收裝置的高溫?zé)崦剿ㄈ肽Y(jié)水加熱器，加熱來自7#低壓加熱器進(jìn)口母管的凝結(jié)水，凝結(jié)水吸熱升溫后通至7#低壓加熱器出口母管，放熱降溫后的熱媒水回至煙氣余熱回收裝置開啟下一個(gè)循環(huán)換熱過程，由此實(shí)現(xiàn)將煙氣余熱回用于凝結(jié)水的目標(biāo)。

本系統(tǒng)工程改造量較小，凝結(jié)水加熱器通常布置在汽機(jī)房內(nèi)，使得取熱工藝的熱媒水管路較長，沿程熱損失較大。該系統(tǒng)調(diào)控相對(duì)復(fù)雜、工作量和難度均較大，對(duì)運(yùn)行人員的操控水平要求較高。當(dāng)鍋爐負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，需要同時(shí)調(diào)節(jié)被加熱凝結(jié)水流量、7#低加抽汽閥開度和循環(huán)熱媒水流量，使得7#低加出口水溫控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，并同時(shí)保證脫硫系統(tǒng)的安全及系統(tǒng)熱回收效益最大化，煙氣余熱回收加熱凝結(jié)水工藝系統(tǒng)圖如圖2所示。

1.3 煙氣余熱回收加熱暖風(fēng)器系統(tǒng)

在除塵器與脫硫塔之間加設(shè)一臺(tái)煙氣余熱回收裝置，余熱回收系統(tǒng)以水為熱媒介質(zhì)，通過水吸收鍋爐排煙的熱量。在鍋爐送風(fēng)系統(tǒng)空預(yù)器進(jìn)口風(fēng)道內(nèi)設(shè)置一級(jí)暖風(fēng)器，將來自煙氣余熱回收裝置的高溫?zé)崦剿ㄈ肱L(fēng)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐送風(fēng)的加熱，升溫后的空氣再進(jìn)入空預(yù)器進(jìn)一步升溫，放熱降溫后的熱媒水回至煙氣余熱回收裝置開啟下一個(gè)循環(huán)換熱過程。

(1)加強(qiáng)對(duì)品管圈護(hù)理人員與患者的教育與知識(shí)宣傳,向患者講解內(nèi)瘺穿刺的原理方法以及在穿刺時(shí)對(duì)患者的要求,并鼓勵(lì)家屬共同參與,提高護(hù)理人員及患者對(duì)內(nèi)瘺穿刺點(diǎn)滲血的認(rèn)識(shí),以達(dá)到減少并盡量避免動(dòng)靜脈內(nèi)瘺穿刺點(diǎn)滲血的效果。

本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控簡單，調(diào)節(jié)對(duì)象僅為循環(huán)泵流量，控制目標(biāo)為煙氣溫度，在保證脫硫系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下，暖風(fēng)器出口風(fēng)溫越高，鍋爐排煙系統(tǒng)的可靠性越高，由此也會(huì)使得整體經(jīng)濟(jì)性下降，但工程改造量大。在實(shí)際運(yùn)行中，以暖風(fēng)器出口風(fēng)溫大于20℃為原則，根據(jù)自然環(huán)境溫度變化來調(diào)節(jié)熱媒水的流量，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，煙氣余熱回收加熱暖風(fēng)器工藝系統(tǒng)圖如圖3所示。

表1 300 MW機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 三種煙氣余熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

下面以某300 MW火力發(fā)電機(jī)組為例，分別對(duì)上述三種煙氣余熱回收系統(tǒng)的節(jié)能收益和運(yùn)行費(fèi)用等展開理論分析。300 MW機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，回?zé)嵯到y(tǒng)采用3高4低1除氧的形式，燃料設(shè)計(jì)為煙煤。

基于表1的數(shù)據(jù)，在脫硫塔入口設(shè)置一級(jí)低溫?zé)煔鈸Q熱器用于回收煙氣余熱，將煙溫由125℃冷卻至80℃，計(jì)算得到煙氣放熱量約為72 GJ/h，折合熱功率約為20 MW。下面以回收的20 MW煙氣余熱量為基準(zhǔn)，分別對(duì)三種煙氣余熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行測算。

表2 汽輪機(jī)7#低壓加熱器抽汽效率測算結(jié)果

2.1 加熱熱網(wǎng)水系統(tǒng)

煙氣余熱回收加熱熱網(wǎng)水系統(tǒng)主要是將回收的煙氣余熱通過熱網(wǎng)水轉(zhuǎn)移至熱用戶處，該系統(tǒng)通常應(yīng)用于北方冬季較為寒冷和有供暖需求的地區(qū)，其收益主要由供熱負(fù)荷和當(dāng)?shù)毓┡M(fèi)用確定。

以華北地區(qū)某城市為例測算，其供熱時(shí)間為2018年11月15日至2019年3月15日，共計(jì)120 d，按照系統(tǒng)全天候滿負(fù)荷運(yùn)行工況測算，居民單位面積熱負(fù)荷為45 W/m2，系統(tǒng)總的供暖面積達(dá)44萬m2，單位面積供暖費(fèi)用按照22元/m2計(jì)，本系統(tǒng)產(chǎn)生的年節(jié)能收益約為975萬元。

假如項(xiàng)目所在地在東北或西北，供暖時(shí)間比華北地區(qū)長1～2個(gè)月，單位面積的供熱負(fù)荷也比華北地區(qū)高10 W/m2左右，折算總的供暖面積約為36萬m2，單位面積供暖費(fèi)用按照29元/m2計(jì)，測算本系統(tǒng)產(chǎn)生的年節(jié)能收益達(dá)1 055萬元。

由上可知，在北方有供暖需求的地區(qū)均可采用本煙氣余熱回收系統(tǒng)，綜合考慮供暖收益和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間因素，盡管在不同地區(qū)存在供暖負(fù)荷與供暖面積的差異，但最終收益差別不大，此類項(xiàng)目的整體經(jīng)濟(jì)性較好。

2.2 加熱凝結(jié)水系統(tǒng)

煙氣余熱回收加熱凝結(jié)水工藝系統(tǒng)[1]是將回收的煙氣余熱用于加熱汽輪發(fā)電機(jī)組的凝結(jié)水回水，完全取7#低壓加熱器的抽汽，由此實(shí)現(xiàn)增加系統(tǒng)發(fā)電量，提升機(jī)組整體收益的目標(biāo)。本系統(tǒng)普遍應(yīng)用于各地區(qū)火力發(fā)電站，其節(jié)能效益主要取決于加熱凝結(jié)水節(jié)約抽汽增加的發(fā)電功率和凝汽器運(yùn)行負(fù)荷增加帶來的循環(huán)水泵電耗。

由表1汽水系統(tǒng)的參數(shù)，通過原則性熱力系統(tǒng)計(jì)算得到7#低加抽汽效率為12.8%，汽輪機(jī)低壓加熱器抽汽效率測算結(jié)果如表2所示。

投入煙氣余熱回收系統(tǒng)后，回收的20 MW煙氣熱量用于7#低壓加熱器的加熱熱源，由此排擠出約30 t/h的低壓抽汽，被排擠出的低壓抽汽繼續(xù)在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功發(fā)電，綜合考慮8#低加新增抽汽對(duì)機(jī)組發(fā)電功率的影響，折算新增發(fā)電功率約為2 490 kW；同時(shí)，因7#低加排擠抽汽導(dǎo)致汽輪機(jī)的排汽量增加，凝汽器運(yùn)行負(fù)荷隨之上升，由此帶來的循環(huán)冷卻水泵運(yùn)行電功率增加約80 kW，最終合計(jì)本系統(tǒng)能夠凈增發(fā)電功率為2 410 kW，按照上網(wǎng)電價(jià)為0.3元/kW·h，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為8 000 h，測算得到本系統(tǒng)年收益約為580萬元?？梢姡瑹煔庥酂峄厥占訜崮Y(jié)水系統(tǒng)在長期滿發(fā)的汽輪發(fā)電機(jī)組上，整體收益情況也較可觀。

2.3 加熱暖風(fēng)器系統(tǒng)

煙氣余熱回收加熱暖風(fēng)器是一種通過水媒將低溫?zé)煔庥酂徂D(zhuǎn)移至鍋爐一二次風(fēng)的工藝系統(tǒng)，該工藝一方面可提升進(jìn)入空氣預(yù)熱器的冷空氣溫度，有利于維持鍋爐爐膛的燃燒溫度；另一方面用于保護(hù)空預(yù)器，防止其發(fā)生低溫腐蝕和結(jié)垢堵塞[2]等問題。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于北方寒冷地區(qū)冬季運(yùn)行，可有效減少機(jī)組因空預(yù)器故障導(dǎo)致的非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)，對(duì)保障機(jī)組的長期、安全和高效運(yùn)行具有重要意義。

雖然增設(shè)暖風(fēng)器提高了進(jìn)入鍋爐的助燃風(fēng)溫，有助于提高鍋爐的熱效率，但因空預(yù)器入口空氣溫度升高，增加了鍋爐的排煙溫度，由此使得鍋爐排煙損失增大，鍋爐熱效率下降[3-4]?；谏鲜鰻顩r，為客觀評(píng)價(jià)暖風(fēng)器對(duì)鍋爐能耗的影響，下面以表1數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，定量測算暖風(fēng)器正負(fù)兩方面作用對(duì)鍋爐熱效率的綜合影響，暖風(fēng)器對(duì)鍋爐熱效率負(fù)影響測算見表3，暖風(fēng)器對(duì)鍋爐熱效率正影響測算見表4。

綜合表3和表4測算數(shù)據(jù)可得，暖風(fēng)器投運(yùn)后鍋爐熱效率下降約1.77%，以機(jī)組額定發(fā)電功率為300 MW和全廠發(fā)電效率為42%基礎(chǔ)測算，鍋爐熱效率下降導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電效率下降約0.8%，折合發(fā)電功率減少約5 700 kW?；诒鞠到y(tǒng)僅在采暖季運(yùn)行，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)按2 880 h計(jì)，上網(wǎng)電價(jià)按0.3元/kW·h測算，計(jì)算得到加熱暖風(fēng)器系統(tǒng)年損失的發(fā)電收益約為490萬元。然而，考慮到暖風(fēng)器的投入可大幅提升空預(yù)器的可靠性，并由此減少了機(jī)組冬季運(yùn)行期的非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來測算其間接創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益。按每年減少機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)1次，停爐期間損失的發(fā)電收益約為320萬元；將單次啟停機(jī)費(fèi)用和空預(yù)器檢修費(fèi)用按150萬元考慮，本系統(tǒng)每年可總創(chuàng)收約470萬元，與機(jī)組發(fā)電效率下降帶來的經(jīng)濟(jì)損失基本一致。由此可知，煙氣余熱回收加熱暖風(fēng)器系統(tǒng)基本不產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，但對(duì)整個(gè)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大，可作為企業(yè)可持續(xù)性生產(chǎn)管理的有利保障。

表3 暖風(fēng)器對(duì)鍋爐熱效率負(fù)影響測算表

表4 暖風(fēng)器對(duì)鍋爐熱效率正影響測算表

表5 煙氣冷卻器工藝參數(shù)表

2.4 煙氣余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行成本測算

為了直觀比較三種系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，本文所述三種煙氣余熱回收系統(tǒng)的取熱工藝均采用同樣的煙氣冷卻器，煙氣冷卻器工藝參數(shù)如表5所示。

鑒于三種系統(tǒng)的終端熱用戶方面設(shè)計(jì)偏差較大，本文不便于統(tǒng)計(jì)其運(yùn)行費(fèi)用，這里僅討論取熱工藝的運(yùn)行費(fèi)用，主要包括引風(fēng)機(jī)新增電耗和循環(huán)水泵電耗兩部分。

1）引風(fēng)機(jī)新增電耗計(jì)算。引風(fēng)機(jī)效率ηf取為87%，電動(dòng)機(jī)功率儲(chǔ)備系數(shù)βd1為1.3，機(jī)械傳動(dòng)效率ηj1為0.98，電動(dòng)機(jī)軸功率計(jì)算公式為：

式中，Qg'為工況煙氣量，對(duì)標(biāo)態(tài)煙氣量進(jìn)行溫度和壓力修正后得到Qg'為151萬m3/h，根據(jù)（1）式計(jì)算得到引風(fēng)機(jī)新增電耗Pf為255 kW。

2）循環(huán)水泵電耗計(jì)算。循環(huán)水泵效率ηw取為85%，電動(dòng)機(jī)功率儲(chǔ)備系數(shù)βd2為1.3，機(jī)械傳動(dòng)效率ηj2為0.98，電動(dòng)機(jī)軸功率計(jì)算公式為：

由（2）式計(jì)算得到循環(huán)水泵電耗Pw為45 kW。

由上可知，引風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵電耗功率合計(jì)為300 kW，運(yùn)行電費(fèi)按照0.3元/kW·h計(jì)，結(jié)合三種系統(tǒng)的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)，測算得到各系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為：1）加熱熱網(wǎng)水系統(tǒng)：26～36萬元；2）加熱凝結(jié)水系統(tǒng)：72萬元；3）加熱暖風(fēng)器系統(tǒng)：26～36萬元。

3 工藝方案選型建議

通過上文對(duì)三種煙氣余熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析可以直觀地看出，煙氣余熱回收系統(tǒng)對(duì)于企業(yè)的主要意義在于創(chuàng)收和穩(wěn)產(chǎn)兩個(gè)方面。在實(shí)際工程應(yīng)用中，企業(yè)用戶應(yīng)結(jié)合自身生產(chǎn)情況和實(shí)際需求，選擇其中一種或者多種工藝的組合作為最終實(shí)施方案，以求煙氣余熱回收效益最大化，下面以加熱熱網(wǎng)水和加熱凝結(jié)水組合工藝為例做簡單說明：

本組合工藝采用采暖季加熱熱網(wǎng)水和非采暖季加熱凝結(jié)水的運(yùn)行方式，采暖季按4個(gè)月考慮，系統(tǒng)年總運(yùn)行小時(shí)數(shù)按8 000 h考慮，加熱熱網(wǎng)水的運(yùn)行小時(shí)數(shù)為2 880 h，加熱凝結(jié)水的運(yùn)行小時(shí)數(shù)為5 120 h。以2.1節(jié)和2.2節(jié)的計(jì)算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，測算得到本工藝采暖季經(jīng)濟(jì)收益約975～1 055萬元，非采暖季的經(jīng)濟(jì)收益約370萬元，年運(yùn)行總費(fèi)用約72萬元，合計(jì)年凈收益約1 270～1 350萬元?？梢钥闯觯喾N煙氣余熱回收工藝組合后的經(jīng)濟(jì)效益比單純一種加熱工藝更好。同理，可將加熱暖風(fēng)器工藝和加熱凝結(jié)水工藝進(jìn)行組合，以彌補(bǔ)單純加熱暖風(fēng)器工藝無經(jīng)濟(jì)效益的不足；將加熱暖風(fēng)器和加熱熱網(wǎng)水工藝進(jìn)行組合，可實(shí)現(xiàn)企業(yè)穩(wěn)產(chǎn)和增收雙重效果。

4 結(jié)語

本文以某300 MW火力發(fā)電機(jī)組為例，分析了3種煙氣余熱回收系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)，并以相同的取熱工藝為基準(zhǔn)，測算了各個(gè)系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)收益和運(yùn)行費(fèi)用等方面的差異，以期為工業(yè)用戶在煙氣余熱回收利用方面的設(shè)計(jì)選型提供參考依據(jù)：

1）加熱熱網(wǎng)水系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)控性較好和工程改造量小的特性，適用于冬季有采暖需求地區(qū)，僅在采暖季運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用低，綜合收益高。在滿負(fù)荷工況下，年凈收益約為900～1 000萬元，可作為有采暖需求企業(yè)用戶的首選工藝路線。

2）加熱凝結(jié)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，調(diào)控難度較大，工程改造量小，不受地域限制，全年均可運(yùn)行，年總收益較好，但運(yùn)行費(fèi)用較高。在滿負(fù)荷工況下，年凈收益在500萬元以上，對(duì)于沒有采暖需求的工業(yè)企業(yè)，本工藝將是煙氣余熱回收的優(yōu)選方案。

3）加熱暖風(fēng)器系統(tǒng)流程簡單、調(diào)控性好，工程改造量較大，適用于冬季寒冷地區(qū)，通常在采暖季運(yùn)行，運(yùn)行費(fèi)用較低，但由于其會(huì)降低鍋爐的熱效率，造成一定的發(fā)電收益損失。盡管如此，綜合考慮系統(tǒng)對(duì)整個(gè)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的有利作用，其所產(chǎn)生的間接效益也很可觀，由工程經(jīng)驗(yàn)測算得到，其間接經(jīng)濟(jì)效益與損失的發(fā)電收益基本相等；故可認(rèn)為本系統(tǒng)不產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于以穩(wěn)定生產(chǎn)為主的企業(yè)用戶，可以采用本工藝作為煙氣余熱回收系統(tǒng)的技術(shù)方案。

4）在鍋爐排煙溫度較高，煙氣余熱資源富足的工業(yè)企業(yè)，可以采用多種工藝的組合作為煙氣余熱回收項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到最大化回用煙氣余熱資源的目的。