鍋爐煙氣余熱回收裝置

上海上電電力工程有限公司 譚青 王東平 王偉敏 章良 王吉翔

1 技術背景

燃煤蒸汽鍋爐在國民經濟中占據著重要的位置，其蒸發量從每小時幾噸到數千噸大小不等，廣泛應用于熱、電及化工行業。作為世界上主要的化學能/熱能轉換設備，其熱效率在87%-94%之間，人們通常認為其熱效率已達到極限。

然而，由于鍋爐主要燃料煤、石油等均為含硫燃料，燃燒時產生的二氧化硫、三氧化硫等硫化物與水蒸氣結合形成硫酸蒸汽，當鍋爐金屬部件的壁面溫度低于硫酸蒸汽的凝結點（稱為酸露點）時，就會在其表面形成液態硫酸（稱為結露）。為防止鍋爐尾部部件由于結露引起的腐蝕，世界上各種鍋爐設計時，不得不采用較高的排煙溫度來緩解結露現象的產生，部分鍋爐由于運行調整和燃料變化造成了實際排煙溫度比設計溫度更高的現象，鍋爐的排煙溫度大約在140℃-180℃之間，這就勢必造成更多的熱能隨著煙氣排出，導致能源的浪費。根據計算，大型鍋爐排煙溫度每降低16～20℃，鍋爐熱效率能提高1%。

由于影響酸露點溫度的因素較多，為防止過低的排煙溫度造成鍋爐尾部設備的酸腐蝕，目前，鍋爐滿負荷運行時排煙溫度一般在140℃到180℃之間。但實際上，燃用較低硫份的煤進入脫硫系統的煙氣溫度可以控制在90-110℃范圍內而不至于造成尾部明顯的腐蝕，特別是對于不設GGH(原煙氣-凈煙氣換熱器)的濕法煙氣脫硫系統，過高的原煙氣溫度只是增加了工藝水的消耗，這部分熱量就白白的損耗了。因此，鍋爐的煙氣溫度還存在30-70℃左右的下降空間。完全可在煙道上增加換熱裝置對這部分煙氣余熱進行回收，從而取得節能的效益，同時還可以減少煙氣脫硫系統所耗用的工藝水量。

實踐中常用各類換熱器來利用煙氣的熱量，但是由于煙氣中含有7-11%（體積比）的水蒸汽，這部分水蒸汽在接觸到換熱裝置冷端的元件時，如果元件的表面溫度低于煙氣中水分的露點，將會在元件的表面結露，使冷端元件表面附著液態水，這部分水將吸收煙氣中的酸酐，這些液態的酸將會造成換熱器冷端表面的腐蝕。因此必須對冷端元件的表面溫度進行控制，避免表面溫度過低。冷端元件的表面溫度取決于元件內介質的溫度（換熱裝置除鹽水的入口溫度），并和換熱元件的形式有關。采用鰭片形式的低溫換熱器可以提高傳熱系數和表面溫度。腐蝕試驗的結果表明，采用此形式換熱器時，ND鋼和考頓鋼的更換壽命超過10年。因此，采用傳熱系數較高的鰭片或翅片管，和具有一定耐酸性能的ND鋼和考頓鋼材料，并且控制冷端介質溫度就可以滿足換熱裝置防腐的要求。

2 煙氣余熱回收裝置

本煙氣余熱回收裝置就是為了解決上述技術問題而提出的一種鍋爐的節能系統，對現有的鍋爐煙氣系統進行改造，利用煙氣的余熱加熱除鹽水，減少除氧器加熱的蒸汽消耗，并減少脫硫用工藝水的耗量，同時降低煙氣的排煙溫度。改造裝置設置了再循環泵，控制換熱裝置冷端進水溫度，防止冷端腐蝕的問題。

煙氣余熱回收裝置安裝于鍋爐尾部煙道上，換熱器可布置在空氣預熱器到脫硫吸收塔之間，換熱器的進水口與除鹽水箱出口母管相連，出水口與除氧器相連，換熱器的進水口與出水口之間設置再循環泵，通過再循環泵將換熱器出口的90℃左右的熱水部分返送到換熱器進口并與進入換熱器前的常溫除鹽水混合，通過再循環流量的調節可控制裝置的冷端進水溫度從而保證裝置的冷端溫度比煙氣中水蒸氣的露點溫度高，避免了冷端元件的腐蝕。

換熱器采用“H”型鰭片管換熱器，因其具有較多的擴展受熱面面積、優異的防磨性能，既有較高的傳熱性能，又能防止積灰結垢，同時H型肋片把空間分成若干個小的區域，對氣流有均流作用，因此在其它條件相同的情況下，磨損壽命可提高3-4倍。而在其材質上，選用具備一定防腐能力的耐酸鋼材，如ND鋼等。

3 裝置工作原理

在鍋爐尾部煙道上增加一套煙氣余熱回收裝置，主要部件換熱器其具體布置位置可按現場條件進行挑選，優先選擇布置在電除塵以后的煙道上，這樣除了方便進行加熱器的定位和布置外，還可以減少粉塵對加熱器的堵塞和磨損，并縮小降溫后煙氣的影響范圍。

將進入除氧器的除鹽水分成兩路，一路常溫水循原系統直接進入除氧器，另一小部分經換熱器加熱至90℃后進入除氧器，這部分水量通過單獨的調節伐門以控制水量，同時也控制了裝置后的排煙溫度。

為控制裝置的進水溫度，在裝置的除鹽水進、出水管道上增設再循環泵，將進入換熱器前的常溫除鹽水與通過再循環泵回到出口的那部分熱水相混和以保證換熱器的冷端溫度。由于保留了原除鹽水管道和系統，即使在改造設備故障時，系統可以方便地恢復到原方式運行。

由于鍋爐不同的負荷量往往對應不同的排煙溫度，因此當負荷量及環境溫度等變化而引起排煙溫度相應發生變化時，裝置的控制部分通過調節流經換熱器的除鹽水流量，相應增加/減少煙氣的換熱量，將排煙溫度維持在90℃以上。變頻控制的再循環泵根據常溫水與來自換熱器出口的熱水混合后的水溫來進行控制換熱器的進水溫度，通過改變再循環泵的輸出流量，減少/增加回流至換熱器進口處熱水的循環量，從而維持合適的進水溫度。

4 應用實例

某供熱站的自然循環的煤粉鍋爐UG-130/5.7-M型，額定蒸發量為130t/h，半露天∏型布置，單鍋筒、集中下降管的鍋爐的煙氣和鍋爐供水系統，其系統簡圖見圖1所示。

鍋爐6使用除鹽水作為工質，除鹽水箱1內的除鹽水由除鹽水泵2送至除氧器4內用蒸汽進行加熱，沸騰除氧，除氧后的除鹽水進入給水母管，由給水泵5送至鍋爐6，燃料在鍋爐6內燃燒，水吸收燃料燃燒熱量蒸發后產生一定參數的蒸汽，經過減溫器和減溫減壓器分別接入高壓熱網母管（5MPa）和中壓熱網母管（3.5MPa），供熱網用戶。除氧器4的加熱蒸汽取自產品蒸汽的中壓供熱母管，經過蒸汽減壓閥降壓后，進入除氧器4。

燃料在鍋爐6內燃燒后排出的煙氣則經空氣預熱器7用煙氣的熱量加熱助燃的空氣，同時降低了煙氣的溫度。降溫后煙氣進入電除塵8除去煙氣中的灰塵，除塵后的煙氣通過引風機9送入脫硫吸收塔10，洗滌脫硫后經煙囪11排出。

改造后的系統簡圖見圖2所示。

本應用實例通過在上述現有的系統的電除塵器和引風機之間的煙道上增加換熱面積為1940m2的H型鰭片管式換熱器12；換熱器的進水口與除鹽水箱出口相連，出水口與除氧器相連，換熱器的進水口與出水口之間設置再循環泵13，即將原來進入除氧器4的除鹽水分成二路，一路常溫水通過原系統進入除氧器4，另一部分經換熱器12加熱后進入除氧器4，這部分水量通過換熱器后單獨的調門14調節以控制熱除鹽水水量，同時也控制了換熱器12后的排煙溫度，保證在不同蒸發量和煙氣溫度條件下的排煙溫度在90～110℃左右，防止尾部設備的腐蝕。

同時通過再循環泵將換熱器出口的熱水部分返送到換熱器進口并與進入換熱器前的常溫除鹽水混合，通過再循環流量的調節可控制換熱器的冷端進水溫度，避免了冷端元件的腐蝕。

圖1、2中：①為除鹽水箱，②為除鹽水泵，③為除氧器，④為除氧器水箱，⑤為給水泵，⑥為鍋爐，⑦為空預器，⑧為電除塵，⑨為引風機，⑩為吸收塔，11○為煙囪，12○為換熱器，13○為再循環泵，14○為熱除鹽水調門。

表1 煙氣余熱回收裝置回收熱量和低壓除氧器減少的加熱蒸汽量

表2 煙氣余熱回收裝置節能量計算

5 節能效益

上述應用實例通過上海明華電力技術工程有限公司的性能試驗，實測數據見表1、表2：

（3）結論

煙氣余熱回收裝置在鍋爐不同負荷下的節省除氧器加熱蒸汽量如下：

○ 130t/h負荷時：節省2.42t/h；

○ 90t/h負荷時：節省1.71t/h。

經過煙氣余熱回收裝置的煙溫變化

○ 130t/h負荷時：進／出口煙溫為146.8／117.7℃；

○ 90t/h負荷時：進／出口煙溫為129.0／104.6℃；

經過煙氣余熱回收裝置的水溫變化

○ 130t/h負荷時：進／出口水溫為19.6／80.6℃；

○ 90t/h負荷時：進／出口水溫為19.8／76.1℃；

依據上述數據計算得年可節省脫硫工藝水量8950t。

煙氣余熱回收裝置投入運行后年節約標煤量902.7t。年產生的經濟效益為150.80萬元，預計的投資回收年限2.5～3.5年。

6 前景展望

我國鍋爐平均運行效率比國際先進水平低10～15個百分點，鍋爐節能改造被國家列為十大重點節能工程之一。鍋爐效率低的主要原因之一是熱能轉換裝置工藝技術落后，排煙溫度高，熱能損耗大。我國現有50多萬臺工業鍋爐，即使只有1萬臺較大噸位鍋爐進行改造換熱裝置，按排煙溫度平均降低30～40℃保守測算，每年總計可節能3000萬t標準煤，價值150億元，并可相應減少SO2排放240萬t、CO2排放2400萬t。

煙氣余熱回收裝置不僅具有投資少、見效快、回收期短、使用壽命長，節能效益大等優勢，而且適用性極其廣泛，可以靈活配置于工業鍋爐、熱電聯產鍋爐、電站鍋爐、油田注氣爐、石化加熱爐等各類鍋爐，涉及電力、石油、化工、石化、冶金、紡織等行業，具有明顯的可持續開拓的強大技術優勢，節能效果明顯，前景非常廣闊。我們希望上述技術能得到各行業有關人士的關注和支持，得到雙贏的結果。

[1]《鍋爐原理及計算》馮俊凱，科學出版社

[2]《余熱鍋爐設計與運行》北京有色冶金設計研究總院，冶金工業出版社