鍋爐煙氣余熱利用系統的設計

孟凡強

(中國華電工程(集團)有限公司，北京 100035)

0 引言

能源資源是人類社會生存和經濟發展的重要基礎條件之一，推進節能減排是確保經濟又好又快地發展、建設資源節約型和環境友好型社會的現實需要。國家在“十一五”期間提出了節能減排的具體目標和要求并將其作為可持續發展的一項長遠發展戰略和基本國策，指出了只有堅持節約發展、清潔發展和安全發展，才能實現經濟又好又快發展。

鍋爐煙氣余熱的回收利用是節能的一項重要措施，由于煙氣余熱占鍋爐熱量比重較大，因此，對該部分資源進行合理有效利用，對于提高機組效率、減少煤耗有著積極的作用。

1 鍋爐煙氣的余熱利用

根據鍋爐燃用煤質、燃燒方式、爐型、機組容量及運行方式的不同，鍋爐排煙溫度也有差異，燃用褐煤及高硫分燃料的鍋爐，排煙溫度一般在150℃以上，個別老機組排煙溫度甚至超過180℃，因此，鍋爐排煙余熱是潛力巨大的可利用熱力資源。

鍋爐煙氣余熱利用方式有多種，可用作加熱凝結水、鍋爐給水和熱網水等，也可用作加熱燃燒用空氣、預熱并干燥燃料等其他用途。

加熱方式有直接換熱和間接換熱2種，即利用煙氣直接與需吸熱介質接觸，或以中間介質為熱媒，由中間介質吸收煙氣余熱，再將熱量釋放給需吸熱的介質。前者熱效率高，缺點是換熱管一旦泄露，會直接污染凝結水，影響機組的安全、穩定運行，后者屬于二次換熱，效率較前者要低，優點是系統安全、可靠，調節靈活。

本文結合某電廠已實施的煙氣余熱利用改造工程，重點對利用煙氣余熱間接加熱凝結水系統的設計情況進行論述。

2 依托項目介紹

2.1 項目概況

本文依托項目為某電廠#8機組的煙氣余熱利用改造工程，#8機組裝機容量為200 MW，鍋爐額定容量為670 t/h，鍋爐煙氣設計流量為120萬m3/h。空氣預熱器設計出口排煙溫度為169℃，不僅造成鍋爐效率降低，而且影響了后續電－袋除塵器內布袋的使用壽命。

該改造工程為利用#8鍋爐空氣預熱器后(除塵器前)的高溫煙氣余熱加熱來自汽輪機的凝結水，以達到節能、余熱利用之目的，同時，電－袋除塵器入口煙溫的降低也有助于延長布袋壽命。

2.2 主要設計參數

鍋爐額定蒸發量，670 t/h;鍋爐煙氣流量，120萬m3/h;換熱器入口設計煙溫，169℃(夏季)，140℃(冬季);換熱器出口設計煙溫，130℃(夏季)，122℃(冬季);增加煙氣阻力，≤400 Pa;凝結水入口設計溫度，66℃;凝結水出口設計溫度，122℃;凝結水設計流量，174 m3/h(夏季)，56 m3/h(冬季)。

3 系統組成

3.1 換熱器系統

該項目采用間接換熱方式，換熱器為管式換熱方式，以除鹽水為熱媒進行閉式循環，系統由換熱器本體和汽包組成，兩者之間通過上升管和下降管連接，換熱器內置于鍋爐尾部煙道中，汽包安裝于換熱器上部平臺處。

除鹽水在換熱器中吸收煙氣余熱后，變為水汽通過上升管進入汽包，在汽包中與凝結水進行換熱，降溫后的除鹽水經下降管流至換熱器本體，依次循環。在設計條件下，煙氣通過換熱器后溫度由169℃(冬季140℃)降至130℃(冬季122℃)。

3.2 凝結水系統

凝結水水源引自#8機組#1低壓加熱器出口，連接至換熱器系統的汽包，經過與汽包內的除鹽水汽換熱后，回水至#4低壓加熱器，在設計工況下，凝結水進水溫度為66℃，加熱后的溫度為122℃，為克服管路及換熱器系統新增的阻力，該系統增設凝結水增壓泵2臺，一運一備。汽包供水管路上設置有調節閥門，系統流程如圖1所示。

圖1 煙氣余熱系統流程圖

4 設計要點

4.1 排煙溫度的選擇

4.1.1 概述

在煙氣余熱利用系統的設計中，煙氣排煙設計溫度越低，則煙氣回收利用的熱量越多，但排煙溫度過低，會使低溫受熱面的壁溫低于酸露點，危及鍋爐的運行安全。因此，煙氣余熱利用系統出口的經濟排煙溫度應當控制在稍高于煙氣露點的某個范圍內，這是煙氣余熱利用系統設計的關鍵，也是避免低溫腐蝕、增加鍋爐及余熱利用系統運行安全性的重要措施。

4.1.2 影響酸露點的因素

煙氣酸露點主要受燃料的含硫量、煙氣中水分含量的影響，另外，還與過量空氣系數、飛灰、煙氣壓力等因素有關。由于煙氣中的硫酸蒸汽是由燃料中硫分氧化而來，因此，燃料含硫量越高，則露點溫度越高;煙氣中水分含量越大，水蒸氣的分壓力越大，也會使露點溫度變高。

4.1.3 露點的計算

根據依托項目建設方提供煤質及煙氣資料，推薦采用參考文獻［1］中的經驗公式進行計算，公式如下:

式中:tld為煙氣的酸露點，℃;told為煙氣的水蒸氣露點，℃;β為常數，當過量空氣系數α=1.4～1.5時，β=129;α =1.2 時，β=121;Syzs和Ayzs為收到基折算(每1000kJ的折算值)硫分及灰分，g/MJ;αfh為飛灰占總灰分的份額。

計算得出該項目煙氣酸露點tld=101℃。

4.1.4 排煙溫度的選擇

在一般設計中，最低金屬受熱面壁溫為計算所得的酸露點往上加5～10℃，排煙溫度為最低壁溫往上加10～15℃，該項目最低壁溫設定在110℃，排煙溫度選定為122℃(冬季)和130℃(夏季)。

4.2 系統的優化控制方式

4.2.1 概述

在常規換熱器系統運行中，當鍋爐工況因運行需要而必須進行調整并導致鍋爐尾部煙氣溫度、流量等參數發生變化時，會對換熱效果起到較大的影響，甚至發生低溫腐蝕。

該項目選取了壁面溫度作為換熱器最基本的設計參數，當鍋爐工況發生變化且鍋爐尾部煙氣溫度發生波動時，始終維持壁面溫度恒定在一個較高溫度水平的設定范圍內，遠離酸露點的腐蝕區域，通過調整凝結水的流量來維持整個系統的熱平衡。

這種運行方式從根本上解決了低溫腐蝕問題并實現了系統的自動連續運行，使整個余熱利用系統具有相當幅度的調節能力。保持排煙溫度和壁面溫度相對穩定，可適應鍋爐的燃料品種以及負荷的變化，達到了大幅度回收煙氣余熱之目的。

4.2.2 自動運行

該項目煙道中相變段壁溫在設定值±2℃之間波動。設置熱電阻監測換熱器壁溫，在凝結水來水管道上設置有電動調節閥門。

當換熱器壁溫升高并高過設定值時，凝結水進水調節閥開度自動調大，使通過汽包的凝結水量增大，因而帶走熱量也增多，降低了換熱器壁溫。當換熱器壁溫降低并低于設定值時，凝結水進水調節閥開度自動關小，使凝結水流量降低，帶走的熱量減少，因而維持了較高的壁溫。以設定的換熱器壁溫為目標值，壁溫測量為檢測值，凝結水進水調節閥門開度為控制輸出，建立1個PI或PID閉環調節系統。

4.3 灰分的影響

該項目的換熱器設置于空氣預熱器后、除塵器前的煙道上，因此，在生產環境中灰分較大，在設計中需考慮采取措施避免灰分對系統的影響。

4.3.1 吹灰器的設置

為防止煙氣中灰分黏附在換熱器受熱面上形成堵灰，該項目設置有吹灰器，對換熱器進行清灰處理。吹灰器系統采用乙炔作為氣源，由氣源系統、配氣點火模塊、爆燃波發生器及連接管路組成，周期性自動對系統進行吹灰。

4.3.2 設備及煙道的防灰措施

為防止煙氣中灰分對設備及煙道的磨損，在該項目設計中，換熱器迎風面前3排換熱管均采用不銹鋼材質，系統中新增和改造的煙道內撐桿在迎風面均設置有防磨角鋼。

煙道底部設計有人孔和清灰孔并設置了便于檢修通行的位置，確保檢修中能及時有效地清除系統中的積灰。

5 項目運行情況

該電廠#8機組的煙氣余熱利用改造工程現已成功投運，目前系統運行穩定可靠，儀表投入正常且參數準確，在機組的不同負荷條件下，各項運行參數均滿足或優于設計要求。

6 結束語

鍋爐煙氣余熱利用系統的應用，可提高全廠熱效率，降低煤耗，帶來良好經濟效益，更重要的是減少了污染物的排放，可滿足我國節能減排和低碳經濟發展的需要。

在鍋爐煙氣余熱利用系統設計的過程中，既要考慮充分利用煙氣余熱，同時還要注意排煙溫度不能過低，避免低溫腐蝕，使系統真正做到優化和合理。

［1］馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌，等.鍋爐原理及計算［M］.北京:科學出版社，2003.