烟气余热回收利用系统在电站锅炉的应用

【摘 要】 烟气余热损失是电站锅炉热损失最重要的一项，对节能降耗，提高电厂效率有意义重大，务必需要引起重视。本文就烟气余热回收利用系统在电站锅炉的应用方面进行了简要的探讨。

【关键词】 烟气余热；节能减排；锅炉

前言：

锅炉余热资源的回收利用是节约能源的重要措施，工业锅炉排烟余热所占锅炉热量的比重较大，尤其对于燃气锅炉。在天然气锅炉热损失中，主要为排烟热损失。通常燃气锅炉的排烟温度较高，一般在160～240℃。烟气中含大量过热态水蒸气，是烟气热量的主要携带者，约为55%～75%。天然气锅炉尾部增设烟气冷凝换热装置，可回收利用排烟显热与烟气凝结潜热，并减少有害气体排放量，烟气冷凝水可经简单处理后回收利用。

烟气凝结换热包括水蒸气凝结和烟气中的不凝结气体对流换热2个过程。烟气在流经换热器时，由于水蒸气的凝结造成了烟气的组成成分发生变化，使得换热过程比较复杂。当冷凝换热器的表面温度低于水蒸气露点温度时，烟气中水蒸气释放潜热后，开始凝结，换热器表面形成凝结液膜包围，同时在该液膜外还存在一层不凝结气体。

一、烟气余热利用系统设计原则

烟气余热利用系统的设计要遵循以下几个原则：（1）安全可靠原则。余热利用系统中所有参数都必须在保证机组正常可靠运行的前提下选取，譬如选取合适的换热材料，保证换热系数；合理设计和控制受热面壁温，以避开烟气低温腐蚀，保证换热介质不泄露；以及注意管道连接、施工建设等方面的安全问题。（2）经济性原则。在运行安全可靠的前提下，还要控制设备投资及安装维护费用，保证较高的投资回报比。（3）高效原则。尽可能保证回收得到的烟气热量的能级最高，做到能量的梯级利用。

二、烟气回收技术

（1）直接接触冷凝式

直接接触式冷凝换热的原理，一般以水作为热的载体，向烟气中直接喷入温度低于烟气中水蒸气露点温度的水，烟气与水直接接触换热，二者之间伴随着显热交换的同时还伴随着潜热交换；而且烟气中的各种组分在与水接触时被吸附吸收，对烟气起到清洗净化的目的。

采用燃气锅炉烟气直接接触冷凝热量回收系统（简称DCC-HRS能源回收系统）对燃气锅炉排烟烟气进行换热。实验表明，通过这种换热方式可使锅炉排放烟气中残余的可利用热能绝大部分被吸收到循环水中，同时洗涤过程溶解了烟气中的SO2、NOx、TSP，进而达到了烟气热量充分回收以及空气污染物零排放的效果。采用DCC-HRS能源回收系统直接加热冷水（自来水20℃），获得60℃热水，热量不足部分仍用原蒸汽加热系统加热，从而达到在改造工作量小、使用方便的前提下，减少加热热水的蒸汽量。

经过相关研究开发了一种燃气锅炉尾部烟气余热回收冷凝型节能器，该节能器采用水雾和烟气直接接触并逆向流动换热，传热效率高，无接触热阻和污垢热阻，可将烟气温度冷却到40℃左右，从而可以充分回收水蒸气凝结所释放的汽化潜热。实测表明，广州某冷轧带钢有限公司4t/h燃气锅炉在应用燃气锅炉尾部烟气余热回收冷凝型节能器后，按照燃料低位发热值计算，锅炉热效率提高了14个百分点，节能效果非常明显。

（2）间接接触冷凝式

将涡街技术应用于翅片管换热，在SZS10-1.25-Q型燃气锅炉排烟系统增设高效涡街换热器（即QY-R-10高效节能系统），同时指出翅片管高翅化与紊流换热相比，不增加烟气阻力，将烟气侧对流换热系数提高数倍，能在很小的传热温差下换热，从而使燃气锅炉达到高效节能。有实测数据得知，排烟温度由190℃降到35℃，锅炉效率由85.94%提高到95.59%。

将热管换热器以组合式形式应用于工业锅炉中，组合后的换热器上一半热管用于加热空气，另一半热管用于加热热水，经验表明，采用热管空气预热器后，排烟温度由250℃降到150℃，锅炉效率提高6%左右。

将毛细泵环应用于燃气锅炉排烟热回收，研究表明，毛细泵环（CPL）利用相变潜热的吸收与释放，在温差很小的情况下提供强大的传热能力，同时通过在蒸发器内加毛细芯的办法，使远距离传热仅需依靠毛细力就可实现。CPL具有如下优点：首先，借助相变潜热实现能量传输转移，换热能力强，传热系数高；其次，仅依靠毛细力就能实现远程传热；无运动部件，运行更为可靠；与传统应用的热管相比，大大提高了传热能力；最后，现场布置灵活而具有特色。

（3）换热方式

1、直接换热。直接换热方式是指直接设置换热器，让烟气与冷源在同一个换热器内直接进行热交换。该方式为一级换热，换热效率较高。但该方式加热凝结水时对换热器的综合性能要求较高，换热管一旦出现问题，凝结水会受污染，进而机组安全运行受到影响；同时换热器管侧要承受较高的凝结水系统压力，导致换热器制造成本增加。

2、间接换热。间接换热是指设置一个热量中间传递装置，利用中间换热介质将烟气热量转移给冷源。这是一种二级换热方式，该方式换热系数较直接换热低且系统复杂。由于要加设闭式换热介质（比如水）系统、循环水泵、膨胀机等设备，使得投资增加。但该系统稳定安全，便于调节，换热管不需要承受较高压力，因此更适用于超临界、超超临界机组。

三、加装烟气换热器的运行

（1）换热器传热管金属壁温的运行控制

在机组满负荷工况，排烟温度较高，翅片传热管金属管壁温度设计取值为92.5℃；在机组部分负荷运行工况，排烟温度较低，可采用烟气热量回收装置传热管壁温自动控制系统，启动换热器给水再循环，保证运行中翅片传热管金属管壁温度不低于92.5℃。

（2）换热器传热管堵灰情况分析及清灰措施

为防止换热器积灰，常规的设计应从下述2个方面予以足够重视：

a）保证烟道截面大小，保证烟气流通，优化吹灰器数量及布置方式，保证吹灰效果；

b）采用合理烟气流速，一般保证流速不低于12m/s，这样烟气中的积灰不会留存在烟道内，而是跟随烟气流动。

四、烟气余热利用系统设置位置

（1）空气预热器

空气预热器旁设置的余热换热装置，按烟气流动方式分为串联和并联两种。

串联方式为在空气预热器后的水平烟道上串联安装相变换热装置，可利用该处回收的热量加热除盐水补水。相变换热装置技术成熟可靠，且后期维护简单，因此具有较高的投资收益。该技术的具体思路是设计时，在烟气酸露点温度上加5-10℃定为换热管管壁面温度，再加上10-15℃定为排烟温度。该换热方式在降低排烟温度、提高机组效率的同时，可以使得换热管壁高于酸露点，有效避免硫酸腐蚀，从而保证换热器稳定运行；同时通过不时释放不凝气体，该系统可有效解决相变换热器的老化问题，延长设备寿命，大幅降低设备后期维护费用。

并联方式将烟气进入空气预热器前分成两股，一股按原方式通过空气预热器，另一股进入新设的旁路省煤器，在旁路省煤器将热量传递给高压给水或凝结水。在空气预热器和旁路省煤器出来的烟气汇合后进入除尘器。该方式尤其适用于褐煤电站，这是由于褐煤燃烧后烟气量大，更适合分股利用。譬如德国科隆Niederaussem电厂K号机组采用该技术后，机组节约标准煤耗7g（/kW·h），发电效率提高1.4%左右，净热效率达到45.2%。该余热利用技术相当于从空气预热器中抽出一部分热量加热其他冷源。需要注意到的是，该技术应用时要求两股烟气量分配合理，否则导致机组效率降低。

（2）脱硫塔后

脱硫塔后烟气温度较低，品质不高，通常会与上述位置设置的换热器共同组成余热回收系统，比如冷凝水先从脱硫塔后烟气吸热，然后进入脱硫塔前余热利用系统再次吸热；或者冷空气先从脱硫塔后烟气吸热，然后再被送入空气预热器。经脱硫塔后余热利用系统换热后烟气中的水气大量凝结，将其回收净化后可当作脱硫用工艺用水、电厂循环冷却水补水等，美国里海大学对该技术进行了研究，并取得了良好的效果；该方式还可有效降低“石膏雨”的排放，对处于缺水地区的电站有积极的经济和社会效益。

烟气余热利用系统的设置与烟气成分、温度、冷源类型等都有关系，并没有一成不变最好的设置方法。因此余热利用系统可能是上述设置方式中的一个，也可能是几个方式的组合。

五、烟气余热利用对环保的贡献

烟气余热利用提高了燃气蒸汽锅炉的给水温度。烟气余热回收除了可大幅度节约能源外，由于冷凝的作用，排入大气的有害物质也将大为减少。正常的情况下，柴油燃烧后的烟气成份有一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、氮气、氮氧化物、硫化物、烟尘等。据科学测定烟气冷凝后排入大气的有害物质减少量如下：二氧化硫减少80%；水蒸气减少60%；一氧化碳减少60%；烟尘减少93%；氮氧化物减少50%；二氧化碳减少40%。因此，项目除了节能外，排烟将更加符合环保要求。

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