火力发电厂烟气余热利用技术研究

葛长虎

摘 要：本文对低温省煤器烟气余热利用方案进行探讨，对烟气余热利用方案的技术可行性和经济性进行了研究和分析。通过设置四级低温省煤器，可以将利用空预器后的低品位烟气热能转换为利用空预器前的高品位烟气热能，达到烟气余热梯级利用的最佳效果。

关键词：烟气;余热;利用

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）03-0162-02

0 引言

排烟损失是锅炉运行中最重要的一项热损失。减少排烟损失，降低排烟温度，最大限度利用烟气余热是节约能源，提高电厂经济性的有效手段。

目前烟气余热利用途径主要有二种。一种是以欧洲德国为主的技术路线，采用低温省煤器方案，利用凝结水降低烟温;另一种则是日本技术路线，采用以水为传热媒介的分体烟气—烟气加热器（简称MGGH）。由于MGGH技术在发电厂应用较少，本文主要探讨低温省煤器技术方案。

1 低温省煤器应用情况

低温省煤器在国内外已经有许多运用业绩。国内近年建设的许多机组已经进行了低温省煤器的安装和改造工作。在国外，低温省煤器较早就得到了应用。从1990年代起，欧洲的褐煤锅炉系统，普遍安装低温预热回收系统，将排烟温度从160～170℃，降低到100℃左右，提高电厂热效率。日本近十年内新建的1000MW以上机组，很多机组同时也配备了烟气余热回收系统，采用其新一代电除尘系统，依靠在空气预热器和电除尘之间加装烟温调节系统，将除尘器入口烟温低到100℃以下，从而改变烟气比电阻，将除尘效果控制到30mg/Nm3。

采用低温省煤器系统具有降低机组热耗，提高机组热效率的优点。同时配合低低温除尘技术，可提高除尘效率，降低引风机入口烟气流量;如果在脱硫塔前设置低温省煤器，能降低进入脱硫塔的烟气温度，节约脱硫耗水量。另一方面低温省煤器系统较为复杂，需增设备投资，增加了烟气侧系统阻力;还存在换热面磨损，低温腐蚀等问题，增加了维护、检修的工作量。

2 低温省煤器设置方案

低温省煤器的设置方案有多种，一般在空预器之后的烟道上设置一级或二级低温省煤器直接加热凝结水，这是较为常规的做法。为进一步利用锅炉尾部烟气余热，提高烟气热量的品质，也可以设置四级低温省煤器，各种方案具体设置如下：

方案一：设置一级低温省煤器。低温省煤器布置在空预器后、静电除尘器前，利用烟气余热加热凝结水。

方案二：设置二级低温省煤器。第一级低温省煤器布置在空预器后、静电除尘器前;第二级布置在脱硫塔前，引风机后，两级串联加热凝结水。

方案三：设置四级低温省煤器。在除尘器前设置低温省煤器I，同时在送风机后冷二次风道上设置一级暖风器;在低温省煤器I与一级暖风器之间设置闭式水循环，利用闭式循环水作为介质将低温省煤器I中的热量传递至冷风，提升进入空预器的冷二次风温度;

在脱硫塔前设置低温省煤器II，加热低温的凝结水;

空预器设置旁路烟道，由于冷二次风温提高，空预器所需的烟气量减少;减少的烟气通过旁路烟道接至空预器后;这部分烟气温度较高，可在旁路烟道上依次设置低温省煤器III和低温省煤器IV，其中低温省煤器III用来加热给水，低温省煤器IV继续加热经低温省煤器II加热后的凝结水。

被脱硫塔前低温省煤器II加热后的凝结水，再经过通过低温省煤器IV，可将低温省煤器I的低品质热能，转化为旁路烟道中的高品质热能，用以加热给水和较高等级的凝结水，从而排挤更高等级的抽汽回汽轮机做功，实现了热能利用等级的提升。

3 低温省煤器各方案的优缺点

设置一、二级低温省煤器优点是烟温降低，可降低引风机烟气体积流量，降低厂用电;同时烟气温度降低可以降低粉尘比电阻，除尘器电场击穿电压提高，可以有效防止除尘器发生电晕，减少二次扬尘，对提高除尘效率有利。其中设置二级低温省煤器方案对烟气余热的回收更为充分，对降低机组煤耗的效果更为明显。但由于增设了低温省煤器II，设备投资和检修维护工作量增加。

设置四级低温省煤器对烟气余热的利用更为充分，通过加热冷二次风以及设置旁路烟道，将低温省煤器I中回收的低品热能转化为低温省煤器III、IV中的高品质热能，从而实现加热给水和更高等级的凝结水，从系统上看，排挤了更多较高等级的抽汽，这部分高等级的抽汽返回汽轮机做功，得到的热耗收益高于一、二级省煤器方案。其缺点是，增加了暖风器、闭式水系统，系统更为复杂，使得工程初投资进一步加大。

4 经济性分析

由于一、二级低温省煤器方案经济性相近，故以下对一级和四级低温省煤器方案经济性进行比较。

（1）初投资。以不设低温省煤器为基准，按设备厂家报价估算，设置一级低温省煤器设备初投资费用增加835万元，设置四级低温省煤器方案设备初投资增加3105万元。

（2）年运行费用。年运行费用由节约燃料费、运行电费、节水费用、检修和维护费用四个方面组成。

1）节煤。根据等效焓降法计算出各方案下机组节省的发电热耗量。在同等边界条件下，以不设低温省煤器为基准，设置一级低温省煤器可降低机组热耗26kJ/kW.h，设置四级低温省煤器可降低机组热耗82kJ/kW.h。按照年利用小时5500，标煤单价387元/t计算，一级低温省煤器可节省标煤5788t/年，节煤费用318万元/年;四级低温省煤器可节省标煤18253t/年，节煤费用1004万元/年。2）节电。采用低温省煤器后，可减少耗电量，按照年利用5500小时，上网电价0.2987元/kw.h，一级低温省煤器方案节约运行电费90万元/年，四级低温省煤器方案节约运行电费36万元/年。3）节水。由于经低温省煤器后的烟气温度降低，脱硫塔出口烟温随之也会有所降低，这将减少机组的耗水量。经计算，安装一级低温省煤器后，1臺机组可节水约16t/h，按年利用小时5500h计，一台机组全年可节水8.8万吨。按水价0.5元/t计，全年可节省水费4.4万元。安装四级低温省煤器，1台机组可节水约20t/h，按年利用小时5500h计，一台机组全年可节水10万吨。按水价0.5元/t计，全年可节省水费5万元。4）检修和维护费用根据厂家资料，按初投资的1.5%考虑每年的日常检修维护费用以及每8年更换一次低温省煤器冷端受热面。一级省煤器增加检修维护费用41万元/年，四级低温省煤器增加检修维护费用105万元/年。

（3）年差额收益计算。年差额收益由节约燃料费、运行电费、节水费用、检修和维护费用四个方面汇总，一级省煤器年差额收益371万元/年，四级低温省煤器年差额收益940万元/年。

（4）差额回收年限及现值计算。根据上述计算结果可知：设置一级低温省煤器的技术方案，比不设置低温省煤器的方案，每台机组综合年费用降低371万元，在3年内可收回投资。设置四级低温省煤器的技术方案，比不设置低温省煤器的方案，每台机组综合年费用降低940万元，在4年内可收回投资。设置一级低温省煤器和设置四级低温省煤器均可达到节能、节水、减排的目的，但设置四级低温省煤器的经济性更优。

5 加装低温省煤器需要考虑的问题

5.1 烟道省煤器的低温腐蚀

为防止发生低温腐蚀，需要选用合适的耐腐蚀材料。选择合适的、性价比高的材料是非常重要的。目前可供考虑采用的材料主要有：不锈钢材料、耐腐蚀的低合金碳钢、复合钢管及碳钢表面搪瓷处理等。

5.2 换热面管的积灰

低温省煤器的换热面管采用高频焊翅片管，与普通光管相比，翅片管传热性好，因此可减小低温省煤器的外形尺寸和管排数，减少烟气流动阻力。但是高频焊翅片管易于积灰。其积灰的程度与煤灰特性及烟气流速有关。选择合适间距的翅片管以减少省煤器管壁积灰。在低温省煤器管排间将设置蒸汽吹灰器。对于低温省煤器在布置上必须考虑可拆卸的形式，并在低温省煤器上设置水清洗系统，利用机组停运期间进行水清洗。

5.3 烟道的防腐

由于烟气运行温度较低，需要对设置在除尘器后低温省煤器之后的烟道考虑防腐措施，烟道造价会提高约20%。

5.4 运行可靠性

烟气余热回收利用系统的运行可靠性主要取决于低温省煤器的运行可靠性。从设备厂家和个别运行电厂（如外高桥三期）反映的情况来看，主要问题集中在低温省煤器的腐蚀问题。若低温段传热管外壁温度低于计算的硫酸结露的露点温度，烟气中的硫酸蒸汽将冷凝沉积在烟气冷却器的冷端受热面上引起硫酸露点腐蚀，因此，解决传热管低温腐蚀是首要难题，是必须解决的关键技术之一。根据西安交通大学的理论研究成果，低温腐蚀无法避免，在实际工程中，主要是通过高、低温段凝结水的混温，确保在各种运行工况下，低温省煤器前的凝结水温度不低于65℃（根据低温省煤器厂家推荐值），以控制金属壁温处于腐蚀速率最低的区域。

低温省煤器安装在除尘器进口喇叭前端，可利用烟尘的冲刷作用清除换热管上积灰，此时经过换热面的烟速宜设计控制在7～10m/s范围内以避免磨损。另外，在换热面的合适位置加装声波或长伸缩蒸汽吹灰器，系统运行时，吹灰器正常吹灰，不用水冲洗;当低温省煤器停运时，视换热管的积灰情况，人工操作就地利用高压水枪冲洗。

低温省煤器是用来回收锅炉排烟余热的节能装置，运行时，其烟气温度、进口水温都较低，容易出现烟气结露，存在着低温腐蚀隐患，因此有必要对传热管进行特殊处理，提高其表面的耐腐蚀能力，以减小低温腐蚀对整个设备的影响。

6 结语

通过设置低温省煤器，可回收部分锅炉烟气排烟损失，降低机组发电标煤耗。在除尘器之前设置低温省煤器，可配合采用低低温除尘技术，提高除尘效率除尘至99.93%。

设置一级低温省煤器，可降低机组热耗约26kJ/kW.h，降低发电标煤耗约0.956g/kW.h，年收益约371萬元，3年内可收回投资，寿命期内综合收益约2807万元。设置四级低温省煤器，以及在冷二次风道上设置暖风器，可降低机组热耗约82kJ/kW.h，降低发电标煤耗约3.017g/kW.h，年收益约940万元，在4年内可收回投资，寿命期内综合收益为约7081万元，经济性更优。

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