燃用高硫煤锅炉排烟余热回收及减排综合应用研究

吴东梅，邱 艳，唐海旺

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，成都 610021)

1 前 言

电站锅炉排烟损失是锅炉运行中最重要的一项热损失，占锅炉热损失的60%～70%。目前，为了降低排烟温度，减少排烟热损失，提高电厂的经济性，低温省煤器这一提高烟气余热利用效率的手段已得到了火电行业的广泛关注。但是针对高硫煤电厂，目前由于烟气腐蚀问题尚未解决，鲜有工程采用烟气余热回收利用。

2 燃用高硫煤机组设置低温省煤器的技术可行性

燃用高硫煤电厂普遍存在排烟温度高、空预器冷端腐蚀、积灰严重等问题，烟气余热利用的关键技术问题是防止发生烟气低温腐蚀。

重庆某200MW机组燃用西南高硫煤(平均含硫率达4.17%)，脱硫装置配带SGH系统，自2005年1月投运以来，泄漏腐蚀严重，2008年5月16日采用三维内肋箱式GGH(不同于水-烟气换热低温省煤器，为烟气-烟气换热器)完成对SGH的改造投运，GGH原烟气出口温度为90～100℃，净烟气出口温度为70～75℃；仅GGH换热管的下部内壁做防腐处理，该项目目前运行良好，没有出现烟气低温腐蚀[1]。

贵州某电厂进行了烟气露点温度测试和低温腐蚀现场试验,实验期间燃煤含硫量在5%左右。实验主要结论如下：

(1)腐蚀程度随着管壁温度的降低，呈现明显加重。

(2)腐蚀程度与管壁温度密切相关，与材料的材质关系不大。

(3)只要低温省煤器设计进水温度(相当于传热管最低金属壁温)高于某一数值(烟气露点温度)，就不会发生烟气低温腐蚀，从而避免可能会发生烟气低温腐蚀工况的出现，保证安全运行。

根据重庆某电厂三维内肋箱式GGH运行业绩和贵州某电厂高硫煤烟气露点温度测试和低温腐蚀现场试验结果可以得出以下结论：

(1)燃用高硫煤采用低温省煤器是可行的；

(2)贵州某电厂高硫煤的烟气露点温度为75～80℃，只要控制传热管金属壁温高于80℃，就不会发生严重的烟气结露现象。

(3)针对贵州某电厂高硫煤，传热管进水温度高于75℃时，不会出现肉眼可见的宏观烟气低温腐蚀现象。

3 高硫煤锅炉排烟余热回收及减排综合应用系统研究

为了能最大限度的利用锅炉排烟余热，达到节能、节水、环保多重收益，不应仅仅着眼于回收部分烟气余热，基于此点，本文针对高硫煤提出了一套耦合集成两级低温省煤器、暖风器三位一体的“高硫煤锅炉排烟余热回收及减排综合应用系统”，可更高效的节约能耗，降低烟尘、SO2等污染物排放，解决燃用高硫煤空预器堵塞问题、取代传统的蒸汽暖风器，实现烟气余热的梯级利用。

该方案设置两级低温省煤器，第I级布置在除尘器入口烟道上，用于加热汽机侧凝结水，降低汽机热耗；第Ⅱ低温省煤器布置在引风机出口用于加热热媒水，热媒水将热量送入一、二次暖风器，用于加热一、二次冷风。排烟余热回收及减排综合应用系统简图见图1。

图1 排烟余热回收及减排综合应用系统简图Fig.1 Integrated application system of waste heat recovery and emission reduction

该系统主要优点如下：

(1)取代了传统高硫煤电厂蒸汽暖风器，通过水媒采用烟气余热作为暖风器的热源，使进入空气预热器的空气温度升高，排烟温度相应升高，空气预热器壁温升高，控制合适的温度即可有效防止空预器堵灰及低温腐蚀；对于燃用高硫煤电厂，建议冷端综合温度(排烟温度与入口风温之和)参考图2控制(具体工程可依据电厂实际情况，并参考设备厂家提供的参数，再进一步优化曲线)[2]。

图2 冷端综合温度的选取Fig.2 Selection of cold end comprehensive temperature

(2)减少了空预器的换热端差，降低了换热火用损失，有利于提高锅炉综合效率。

(3)可进一步利用烟气余热加热凝结水，即同时利用烟气余热加热暖风器及凝结水，该方式增大了除尘器前段低温省煤器的烟气温度。在热能的转换利用过程中，不仅有数量问题，还有热能的品位问题。高温高压热源比低温低压热源转换潜力大，说明温度高或压力高的热能品位高[3]。该系统实际上是将较低品位的烟气热量移至高品位区域，在相同的低温省煤器吸热量条件下用于换热的凝结水温度可更高，即凝结水引出点在汽机回热系统中可往高段移动，增加了排挤的抽汽在汽机中做功能力，机组热效率更高。

(4)降低了脱硫塔入口烟温，降低脱硫水耗。

缺点是由于低温省煤器两级布置，并设有水媒暖风器等，系统连接复杂；管路阻力及烟气阻力也将有一定的增加，风机电耗增加；第Ⅱ级低温省煤器处于酸腐蚀环境，需要考虑材料防腐问题；初投资相对较高。

该方案主要考虑以下4方面因素：

(1)尽量扩大烟气温降可利用的幅度，增大热量回收比例。

扩大烟气温降是在许可的范围内尽量降低进入脱硫的烟气温度。这一方面受到酸露点、低温省煤器抗腐蚀和堵灰、低温省煤器换热端差等因素的制约，另一方面受到脱硫吸收塔水平衡计算需求的入口烟温的限制。

(2)选择好回热吸收的系统、介质和吸入点，使回收的热量尽量在高品位利用。

选择回热吸收的系统、介质和吸入点对低温省煤器吸收热量的有效利用、低温省煤器换热面积和承压能力影响很大，这些最终会影响到低温省煤器等相关换热设备的造价，以及方案的总体技术经济性。用于吸收热量的介质主要有凝结水和进入锅炉空预器的冷风。由于冷风温度比凝结水温更低，利用低温段回收热量加热冷一、二次风是一个较好的选择。这种方案有以下好处：1)比采用凝结水增大了该段低温省煤器的换热端差，减少换热面积、降低设备造价。2)采用热媒水换热，比凝结水压力更低，有条件采用承压能力低但抗腐蚀性能好的换热管材。

(3)防止高硫煤的腐蚀，控制好烟温及水温。

对于高硫煤，由于酸露点温度较高，低温省煤器易发生腐蚀，根据金属腐蚀理论，需保证低温受热面金属壁温度高出烟气露点温度 10℃左右，因此针对第I级低温省煤器，出口排烟温度控制在酸露点温度+10℃左右，低温省煤器I的进水温度应控制在烟气水露点温度25℃以上。

(4)低温省煤器材料和型式选择，提高设备可用率。

对于防止低温省煤器的腐蚀、堵灰而言，换热管材和型式的选择是关键。针对第I级低温省煤器，因烟气的温度在酸露点以上，常规换热管材料只需要考虑高尘防磨问题就能满足此要求。第Ⅱ级低温省煤器需要考虑材料防腐问题。

4 低温省煤器选型

低温省煤器工作在烟气环境中，烟气中含有SO3、HCL、HF、灰尘和水分等，SO3、HCL、HF和水组合产生了酸的混合物，在低温省煤器换热表面发生反应，产生腐蚀；另一方面，灰尘和水分容易粘结积垢。因此，低温省煤器应选择耐腐蚀、不易积灰的换热管材。其换热管材的选择原则如下：

(1)能够承受低温腐蚀，在50～150℃温度范围内，能承受硫酸、盐酸和氢氟酸的腐蚀，不发生结构破坏；

(2)能够承受长期烟尘冲刷，并不影响防腐性能；

(3)换热管表面不易积灰，积灰容易清洗；

(4)管内不易结垢；

(5)合理的设备体积，便于现场布置；

(6)合理材料价格。

4.1 低温省煤器材料

目前用于酸腐蚀环境低温省煤器材料主要有ND钢等耐腐蚀钢、不锈钢317L、氟塑料管、外衬氟塑料钢管和外衬搪瓷(或玻璃钢)等，耐腐蚀钢管换热系数大，可减少换热面积，减小外形尺寸，方便布置，但耐腐蚀和防积灰性较差；氟塑料管耐腐蚀和防积灰性能好，但耐压较低，不能直接用于直接加热凝结水，需设置热媒水系统，导致系统复杂，另外，同等条件下换热端差小，换热系数低，导致体积大，布置困难；而采用钢管外衬防腐蚀材料，耐腐蚀和防积灰性能好，但换热系数较小，使得体积大，布置较困难。

低温省煤器I由于控制其出口排烟温度高于烟气酸露点温度10℃以上，金属壁温控制在水露点温度25℃以上。因此第I级低温省煤器材料的选择主要考虑高尘区的防磨问题。因此，第I级低温省煤器材料可选用20G碳素钢或ND钢。

第Ⅱ级低温省煤器材料选择应充分考虑到烟气低温腐蚀问题，防腐材料可采用不锈钢317L或者氟塑料、外衬氟塑料钢管等。

4.2 低温省煤器型式的选择

氟塑料管、外衬氟塑料钢管和外衬搪瓷(或玻璃钢)等换热管均为光管。采用耐腐蚀钢管的低温省煤器型式主要有光管管式换热器、螺旋鳍片管式换热器、H型鳍片管式换热器。

光管管式换热器结构简单，容易清理堵灰，但传热性差，换热面积大，低温省煤器外形尺寸较大。

与普通光管相比，螺旋翅片管传热性好，即使翅片间距较大时，其换热面积也比同种管径光管要大，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，同时可以减少换热器材料用量，但在电厂实际运行过程中，发现螺旋翅片管换热器容易积灰，近年来一种新的翅片型式的换热器-H型鳍片管换热器得到广泛研究。该型式换热管具有较高的强化传热能力和优良的不积灰性能，防磨性能较好，由于换热器结构紧凑，体积较小便于布置，因此其应用日趋增多。

4.3 低温省煤器防磨、防堵和防泄漏的措施

4.3.1 防堵措施

采用便于冲洗的管材型式、加强管壁温度的监测和运行调整。换热管采用H型翅片管，有利于吹灰，减少积灰。合理选型烟气流速参数，使烟气流对换热面保持适度的冲刷，可实现一定的自清洁作用。

在每层换热层都设置足够数量的蒸汽或声波吹灰器，用来防止换热层因粉尘堆积而产生堵灰现象。配置临时水冲洗装置，停机检修时可辅以水冲洗，实现彻底清洁。

4.3.2 防磨损措施

选择合适的烟气流速，并进行流场分析，并保证烟气进、出口端和受热面烟气流场均匀。

换热面采用H型翅片管管组排设计，烟气流经换热管排时可有效减小烟气紊流，减小因烟气流紊流导致的磨损。

在所有换热管排迎风面的前端逐排布置专用防磨与稳流装置，并在换热管所有弯头位置加设防磨瓦。

通过采取上述措施，可有效减小受热面的磨损，加长低温省煤器的使用寿命。

4.3.3 防泄漏措施

做好换热管的防磨损、防腐蚀是预防换热管泄漏的主要措施。另外可考虑换热器进行分组设计，当出现泄漏时能够有效的进行隔离。当其中1个分区出现泄漏，能退出该区低温省煤器运行，不影响其它分区低温省煤器的正常运行。

5 经济性分析

以某660MW机组为例，采用该方案相关部分特征参数见图3所示。

图3 系统特征参数图Fig.3 System characteristic parameter diagram

表 技术经济性分析(单台机组)Tab. Technical and economic analysis(single unit)

注：工程标煤价格：610元/t，单台机组功率按660MW，年利用小时数5 500h。

经与主机厂配合，该方案排挤汽机5号低加抽汽，降低汽机热耗约49kJ/kwh，节约发电标煤耗约1.85g/kW·h；当空预器入口风温从20℃提升到78℃，锅炉排烟从121℃提升到147℃，锅炉效率提升约0.4%(理论计算值)，节约发电标煤耗约1.2g/kW·h。主要技术经济性比较见表。

从表可以看出：采用该排烟余热回收及减排综合应用系统方案单台机组增加初投资2 000万元，降低发电标煤耗3.05g/kW·h，年节约运行费用592万元，不到四年即可收回成本，经济效益显著。

6 结 论

本文针对高硫煤提出了一套耦合集成两级低温省煤器、暖风器三位一体的“高硫煤锅炉排烟余热回收及减排综合应用系统”，实现了烟气余热的梯级利用，取代传统的蒸汽暖风器，可更高效的节约能耗，同时解决燃用高硫煤空预器堵塞问题、积灰问题，大幅度提高电厂的经济效益和环保效益，在燃用高硫煤锅炉机组中具有广泛的应用前景。