火力发电厂锅炉尾部烟气余热利用技术.pdf

摘要 介 绍 了火力发 电厂锅 炉烟 气余 热回收技 术及 其应用的必要性 ，阐述 了 当前这一 新技 术 的应用难点及 工程应 用解 决 方案，并结合海外火电工程项 目投标中锅炉烟气余热利用技术方案的编制，说明了这一技术对于进一步改善全厂净效率的 可观作用。 关键词锅炉烟气；余热利用；全厂净效率 中图分类号 T K 2 1 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 9 0 0 6 2 0 1 2 0 1 0 0 4 60 5 He a t R e c o v er y T e c h n ol og y o f B oi l e r F l u e Ga s o f Th er ma l P o we r P l a n t Z HOU Wu ，XI A NG C a o s h e n g ,L I J i a n D o n g f a n g E l e c t r i c C o r p o r a t i o n L t d ． ，6 1 0 0 3 6 ，C h e n g d u ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e b o i l e r fl u e g a s h e a t r e c o v e r y t e c h n o l o g y ， t h e n e c e s s i t y o f i t s e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n o f t h e r ma l p o we r p l a n t ．I t d e s c ri b e s t h e c u r r e n t d i f fi c u l t i e s o f t h i s n e w t e c h n o l o g y wi t h i t s e n g i n e e r i n g s o l u t i o n s ．F u r t h e r mo r e ，c o mb i n i n g w i t h t h e b o i l e r fl u e g a s h e a t r e c o v e r y t e c h n o l o gy a d o p t e d i n o v e r s e a s t h e r m a l p o w e r p r o j e c t b i d d i n g ，t h i s p a p e r i n d i c a t e s t h e s i g n i f i c a n t i mp r o v e me n t i n t h e n e t e ffi c i e n c y o f t h e w h o l e p l a n t ． K e y wo r d s b o i l e r fl u e g a s ； h e a t r e c o v e ry；n e t e ff i c i e n c y o f t h e wh o l e p l a n t 近几十年来 ，通过 自主创新 ，国内以高参数 、 大容量为主导的现代化大型火力发 电厂建设取得 了 长足的发展。这些新机组及新技术 的应用迅速地提 高了我 国在火力发 电技术应用 上的整体水平 。 目 前 ，我 国在华能玉环电厂 已实现了 4 5 ． 4 6 ％的全厂 净效率指标 。在通过主 、辅机容量及参数的改进从 而取得循环效率大幅进步之后 ，如何进一步提高电 厂的热力循环效率 ，是个新 的课题。本文以锅炉的 烟气余热 回收利用为题 ，进一步探讨如何通过新技 术 、新工艺的应用来实现对烟气余热的充 分利用 ， 进一步提高全厂的热力循环效率。 根据现代超超临界锅炉技术的发展 ，锅炉出口 蒸汽的初参数 已发展到了3 0 MP a ／ 6 0 0 C ／ 6 2 0 C这一 参数水平 ，锅炉效率 已达到并超过了 9 4 ％ 的水平 ， 通过锅炉本身的燃烧控制 以及改进汽轮机的设计来 提高效率似乎 已达 到了工程应 用 的极 限范 围。因 此 ，不妨换个角度 ，考虑如何从全厂综合利用 的角 度进一步挖潜改造 ，提高全厂净效率 。首先 ，从汽 机方面 ，为提高机组的循环效率 ，工程方 面目前 已 普遍采用了回热技术来减少冷源损失 ，同时再热技 术也 已有二次再热 的应 用工程实例 ，从 汽机 的角 度 ，各种经济有效的工程手段 已几近用尽 ；而再看 锅炉方面，从效 率 的测 算方式 人手 ，根据反平 衡 法 ，锅炉所输入的物理热量 、各项热损失和燃料的 元素成分及发热值的关系如下 锅炉效率 叼 1 0 0一 q 2 g 3叮 4 g 5 q 6 ％ 其 中 q 2 排烟热损失指烟气离开锅炉末级受热 收稿 日期 2 0 1 】一O 61 2 作者简 介周 武 1 9 7 3一 ，男 ，1 9 9 8年 7月 毕业 于西南交通大学 ，曾在东方 电气市 场开发部从 事火 力发电厂 ] 程 的总承包 的业 务管 理1‘ 作。现就职 j 巾国电力工程有限公司 。 面时带走 的热量 ，是锅 炉最 主要 的热损 失。 q 3化学未完全燃烧热损失指燃烧过程 中 产生的可燃气体 C O、H 、C H 等未完全 燃烧而随烟气排走所造成的热损失 。 机械不完全燃烧损失指燃料中的可燃 碳颗粒未完全燃烧 就随同灰渣排 出炉外 ， 这部分热损 失称为机 械不完全燃烧 热损 失 。 q 5 散热损失指锅炉运行中，由于处 于非 理想的完全绝热状态 ，锅炉产生的热量通 过炉本体 、烟风道 、汽水管道等设备的外 表面散发出来 ，所散失的热量 。 q 6灰渣物理热损失指炉渣排出炉外带走 的热量损失。 对于大容 量高参数煤粉 炉 ，g 3 、q 4 、g 5 、q 6 已基本无过多 潜力 ，而对 于 g 2情况则 大不一 样。 锅炉排烟热损失 ，一般定义为从空预器 出口至引风 机排至烟囱这一流程中的锅炉燃烧后 的排放烟气。 按国内常规 设计 ，空预器 出 口烟温 一般 在 1 2 0 1 3 0 ℃之间，一台额定 出力 1 0 0 0 MW 机组所配置的 蒸发量为 2 5 6 6 t ／ h的锅炉核算排放 的烟气热量非常 可观 ，而这部分烟气 由于脱硫工艺的要求还需要在 脱硫塔前进行降温 ，可 以说 热能完全是 白白损失 了。一般来说 ，排烟损失是对锅炉效率影响最大的 一 项损失 ，约为 5 ％ ～8 ％。所 以降低 排烟损失对 提高锅炉效率及全厂的发 电经济性有着非常重要的 意 义。 1 ． 1 合理排烟温度的设计 从机组尾部烟道系统 的安全运行出发 ，及现代 机组根据环保要求设置的脱硫 、除尘装置 ，合理的 排烟温度设计应考虑上述设备 的正常运行及烟气末 端烟 囱的正常和安全运行 。 一 般湿法脱硫 工艺要求 ，烟气入 口温度 处 于 8 09 0 ℃ 之 间，脱 硫后 的烟气 温 度一 般 为 4 5～ 5 5 ℃ ，烟气完成脱硫后 需不需 要经 过 G G H 处理 ， 则根据所采用烟 囱设计和运行工艺而定 。因此 ，烟 气余 热利用工艺应确保烟气的 出口温度处 于 8 0～ 9 0 ℃这个 区间。 1 ． 2 烟气余热的利用的设计概念及应用 参照同际及 国内的一些应用尝试 ，可 以引入一 些新 的节能概念及措施。 目前烟气余热利用的方式 如下 通过一级或多级烟气余热的回收利用 ，预热 凝结水以提高给水的初温 、预热一次及二次风 、预 热并干燥燃料 、建设电厂集中冷源 ，还可以在特定 的地理区域引入冬季热网加热水等方面的应用。 1 ． 2 ． 1 预 热 凝 结水 该项革新概念技术的核心思想是利用排烟余热 加热凝结水 ，提高凝结水温度 ，从而提高锅炉给水 初温 ，改善热力循 环效率。加热 的方式 主要 有两 个 一是直接加热方式 ，即安装 烟气 回热加热器 ， 使烟气与凝结水直接进行热交换。具体做法是 通 过设置空预器旁路 ，引一路烟 气至主凝结水 加热 器 ，加热部分凝结水 ，并作为最后一级低压加热器 的旁路。二是间接加 热方式 ，采用水 水热交换 方 式 ，即安装烟气 回热加热器及水水换热器 ，使烟气 在闭式水和烟气 回热加热器内进行热交换 ，吸收烟 气余热后的闭式水进入水水换热器内与凝结水进行 热交换 ，然后再将热量带入主凝结水系统 。 另外 ，由于充分利用 了这部分余热 ，使得原已 放弃的纯热量重新得到利用并进入系统造成若干加 热器产生排挤抽汽 ，减少 了回热系统对低压缸的抽 汽 ，并且 由于各级 排挤抽汽 回到汽轮机 内继续做 功，引起了汽轮机内各级参数的变化，最终提高了 循环热效率和汽轮机的绝对内效率 。 根据笔者参与的一个百万等级超临界火电项 目 的投标方案 ，对照设置烟气余热利用前后的热平衡 图，此项技术的应用所产生的汽机热耗改进达到了 6 3 k J ／ k Wh ，热耗降低约 0 ． 8 7 ％。 1 ． 2 ． 2 预 热一次及二 次风 。提 高空预 器的入 1 7 温度 通过对一二次风的预热，可以最终提高进入炉膛 的进风温度，根据 G B ／ T 1 0 1 8 0所给出的计算公式 q 2K ／ 4 p y H ／ Q ， x l O O ％ K 1 0 0一q 4 ／ 1 0 0， 为排烟在 和 下的 焓，Q 为输入热量 ，在没有外来热量 的情况下，Q 等于燃料的应用基低位发热量 Q 及其物理热 Q 之 4 7 和。下标 和 分别表示排烟和送风 冷空气 。 可见 ，提高锅炉 的送风温度是 降低 q 2的最 直 接有效的方法 ，从而有助于提高锅炉的效率。 其具体做法是 即以除盐水为传热介质，将脱 硫吸收塔进 口处 的烟气温度降低至 0 5 C，然后利用 除盐水从烟气 中吸收 的热量来加热 冷一 、二次风 ， 来实现对进入空预器前的冷风预加热，从而用烟气 余热利用型暖风器替代 常规低压抽气蒸汽暖风器 ， 以减少常规抽气暖风器 中辅助蒸汽用量，而这部分 节省的辅助蒸汽则可以用来提高机组的发 电量。对 于锅炉而言，该系统 的应用对空预器 、烟道影响不 大，均可按常规设计 ，因此_丁程应用比较容易。 1 ． 2 ． 3 利用烟气余热干燥褐煤 在欧洲一些国家 ，褐煤作为发电厂燃料应用 比 较广泛多，特别是在希腊 ，占电厂 总燃料的 5 0 ％ ， 在德 国占 2 5 ％。但作 为一种低热值 的煤炭 ，是 发 育不完全 、处于真正煤和泥炭之间状态的煤 ，水分 含量高达 6 6 ％。其基本原理是采用 稍微倾 斜并可 回转 的圆筒体 ，湿物料从一端上部加入 ，干物料在 另一端下部进行收集 。热烟气 由进料端或出料端进 入 ，从另一端的上部排出 ，热烟气和物料以逆流或 顺流的方式接触 ，从而实现物料的干燥和降低出 口 烟气温度。 按照 目前 国 内外褐煤 干燥 的设计 运行情况表 明，经过这一工 艺处理后 ，褐煤 水分 町以减少至 1 5 ％ ；按照国内 3 0 0MW 褐煤锅炉机组 的巾试结果 显示 ，经 过 干 燥 工 艺 处 理 过 后 ，可 减 少燃 煤 量 3 4 ％ ， 锅炉效率提高约 1 ． 1 6 ％ ，送 、引风机电耗下 降约 2 9 ． 9 ％ ，制粉系统功耗也 明显降低 。 1 ． 2 ． 4区域供 冷供 热 在需要供热或者制冷 的地区 ，一般供热采用防 腐蚀材料的换热器 ，为当地的水暖系统热网提供循 环水 ，以替代或部分替代常规 的热 网加热器 ，从而 节省 了热网加热器 的加热蒸汽量 ，增加 了发 电量 ， 提高了全厂的热能利用效率。制冷则利用做过烟气 中的余热作为吸收式制冷机的热源 ，以制取冷量供 生产与生活需要 ，实现热 、电、冷 3种产品的联合 生产 。这种联合生产方式是符合能源的梯级利用 、 合理用能的一个途径 ，在国外得到普遍使用。 1 ． 3烟气余热回收装置设计 中的技术难点及解决 方 案 1 ． 3 ． 1 换 热 材料 的低 温腐蚀 问题 及 解 决方 案 住锅炉尾部烟气余热利用技术中，这一问题最 为突出。出口排烟温度过低会使换热器的壁温低 于 硫酸蒸汽的凝结点 称为酸露点 ，引起金属受热 的严重腐蚀。这一问题 曾足长期 扰着设计人员降 低锅炉排烟温度、提高锅炉效率 的瓶颔。由于 国内 外所采用的材料不同，所 以处理的方式也不完全梢 同。目前国内材料应用的限制，主要是根据适川的 酸露点计算公式，针对各工程 的设计煤种进行烟气 的酸露点计算 ，选取合适的烟气冷却器_ I 作温度。 一 般而言 ，工程应用 上所选择的低温省煤器的 最低壁温应超过烟气露点 温度 1 0 ℃左 右，从 达 到防止低温结露腐蚀。这种热力防腐方法的优点是 防腐效果较好 ，缺点 是排烟余热 充分利用存有 困 难。因为 ，低温省煤器进水温度己达到烟气露点温 度 ，再加上省煤器冷端传热端 差 3 0～4 0 ℃，结果 就使低温省煤器 出口烟温较高，影响排烟余热利用 的程度 ，限制了低温省煤器的应用范嗣。 针刘_ 这一问题 ，国外厂家已丌发出一系列含氟 聚合物材料 ，如聚 四氟乙烯材料 P T F E 来应用 于 这部分低压换热区域 ，有效地解决了传统金属材料 的腐蚀难题。 1 ． 3 ． 2 换 热 管的积 灰 问题 烟气余 热 换 热 器 由于 1 二 作 温 度低 ，烟 气 中 S O ， 、S O 、HF及 H C ] 成份会与表面的凝结积水混 合并粘附在低温受热 面表面 ， 仅 污染传 热管表 面 ，影响传热效 率 ，严 重时还 会堵 塞炯气 流动通 道 ，增加烟气流动阻力 ，甚至影响锅炉安全运行 ， 而导致不得不停炉清灰。 对此 ，国内一般在设计币 [ 程应有巾采用措施 是 1 根据烟气灰 特性及流 速，在设计 时适 当 提高烟速 1 0m ／ s 左右 ； 2 选择合适 的换热管 间距 以减少省煤 器管 壁积灰； 3 在换热管排问安装吹灰装置 ； 4 结构设 计上充分 考虑 ，避免 堵灰死 点 的 出现 ，管排采用可拆卸 的结构 ，受热面的面积灵活 可调 ，便于维修和清理。 在国外 ，特别是 欧洲 各 国，随着 新材 料 的应 用 ，特别是前面提到过的 P T F E材料 的应用 ，由于 这类高分 子材 料本身所具有 的不粘性 及 自清洁特 性 ，可以显著地减少换热 面外表面的积灰陈积并 可 快速和彻底地清除少量的积灰 ，从而有效地延长了 检修间隔 、提高 了全厂的可用率。 2 I 程 应 用 技 术 方 案 i 2 ． 1 笔者参与投标的国外火电机组基本情况 机组容量 1 X 9 0 0 MW 超临界燃煤 全厂净出 力 ； 煤种 硬煤 ； 省煤器 出 r ] 烟气 温度／ 流量 3 7 7 ℃／9 1 5 ． 1 1 5 k g ／ s T MC R工 况 ； 脱硫吸收塔入 广 I 烟气温度 8 5 ℃ 2 ． 2 烟气热量 回收换热器加装方案 以下 为 该工 程 烟 气余 热 回收 系 统 的 设计 方 案 。 本工程烟气余热利用技术分为两级 第一级 ，在省煤器出r 】 抽 出一部分烟气 窄预 器旁路 ，用于加热来 自低 加的凝 结水 ，以 T MC R 工况为例说明余热利用的情况。 表 1 图 1 I 级余热利用 系统 图 经过本级烟气余热利用后 ，烟气中的热量可回 收到 3 5 M W ，同时经校核计算 ，在 F M C R工况下 ， 在保证空预器进 口烟温 、旁路烟气比例保持设 t 值 不变 、出口烟温及第二级换热器出口空气温度的情 况下 ，锅炉效率可以保证达到 9 4 ％。 第二级，通过除盐水将脱硫吸收塔进的烟气温 度降低至 8 5 ％，然后用除盐水加热冷一 、二次风。 通过预热冷一 、二次风 ，使进入空气预热器的 空气温度升高 ，空气预热器壁温升i 岛，从 而可防止 低温腐蚀 ；并且 ，根据前面的理论分析 ，以空预器 出口为锅 炉效率计算 分界线 ，由于进 风温度 的提 高 、排烟温度的下降，还有助于减少 q 2 锅炉排烟 热损失 ，从而提高了锅炉的热效率。 4 9 脱硫 。 l V 吸收 娴气 一 _ _ _ - - - - _ _ _ - ● 塔 ．．_ 一 冷 一 次 肛 ／ ＼ 一 冷 二 次 厨 空预器 图 2 I I 级余热利用 系统 图 表 2 风 风 2 ． 3 节能效果 根据上述理论计算结果 ，加装烟气余热回收换 热器 ，可达到降低机组煤耗 2 k wh ，减少脱硫塔 耗水 4 0 t ／ h的节能节水效果 ，实现 了全厂净效 率 4 4 ． 6 ％的技术指标。 在我国随着节能减排观念 的深入 ，目前关于烟 气余热利用的理论研究和工程实例 已经越来越引起 人们的注意 ，合理 地设计和安 装烟气余热 回收装 置 ，可 以提高全厂的热效率 、增加发电量 、降低煤 耗 。然而 ，对各种型式多种的锅炉烟气余热利用技 术还是需要遵循一定的规律的，比如①抽取的旁路 烟气量是有一定 限度 的。②排烟的温度不能够降得 太低 ，过分追求低的排烟温度和凝结水的温升 ，反 而会引起锅炉效率的下降以及低温烟气冷却器的腐 蚀或者设 备 的 高 造 价，这 一 点 应 辨 证 地 理 解 和 应用。 参考文献 [ 1 ]赵之军 ，冯伟 忠，张玲 ，等 ．电站锅 炉排烟 余热 回收 的 论 分析与工程实践 [ J ] ．动力工程 ，2 0 0 9 ， 1 1 [ 2 ]安息科 ，马健越 [ J ] ．加装低 省煤器对汽轮机相 对 内效率 的 影 响[ J ] ．同济大学学报 ，2 0 1 0， 1 O [ 3 ] 赵恩婵 ，张方炜 ，赵永红． 火力发 电厂 炯气余 热利 用系统 的 研 究设计 [ J J ．热力发电 ，2 0 0 8， 1 0 上接 第 4 5页 按照上述要求对所有母材和焊材 C T试样和弯 曲试样进行了裂纹预制，母材试样裂纹扩展情况均 较稳定 ，两侧裂纹尺寸也较为对称 ；焊材试样裂纹 萌生得快 ，但扩展速度不稳定 ，每个阶段所需的循 环次数相差较大 ，两侧裂纹尺寸也相对较难对称 ， 需试验者实时监测和及时翻面才能保证得到满足要 求的疲劳裂纹。在严格的质量控制下 ，成功完成了 试样 的疲劳裂纹预制 ，裂纹尺寸和加载载荷均满足 第 3和 4节的要求 ，报废率在 1 0 ％以下。 疲劳裂纹预制完成后 ，需对试样进行最终清洁， 凡士林防锈保护 ，涂层包裹防氧化防损伤等 ，以保 证试样在装入辐照监督管之前不受任何污染和损伤。 5 0 结合 A S T M E 3 9 9和 E 8 1 3规范的要求和辐照监 督试样本身的特殊要求 ，研究得到 C T试样 和弯曲 试样预制疲劳裂纹的尺寸要求和载荷要求 ，同时提 出了整个裂纹预制过程的技术要求和试验参数 ，成 功完成 了岭澳二期辐照监督试样的疲劳裂纹预制试 验 ，为后续核电项 目辐照监督试样制备的国产化打 下 了很好的理论和实践基础 。 参考文献 [ 1 ]佟振峰 ，杨文等．P WR反应堆 压力容 器I 监督 数据分析 及寿命 初步评估 [ J ] ，中国原 子能科学研究 院年报 ，2 0 0 5 [ 2 ]A S T M E 3 9 99 0 ，S t a n d a r d T e s t Me t h o d f o r P l a n e S t r a i n F r a c t u r e T o u g h h e s s o f M e t a l l i c Ma t e r i a l s [ S 】 [ 3 ] A S T M E 8 1 38 9 ，T e s t Me t h o d f o r J I c ，A Me a s u r e o f F r a c ,t u r e ．r f 】u g h u e s s [ S 】 [ 4 ]O． L ． T O WE R S ．F a t i g u e c r a c k f r o n t s h a p e a n d it s e ff e c t O i l f r a c t u r e t o u g h n e s s me a s u r e m e n t s [ R】 ， R e s e a r c h R e p o fl 1 4 2 0 ／ 1 9 8 1 ，T h e We l d i n g I n s t i tu t e