鍋爐尾部煙氣余熱深度利用淺析

李志超

摘 要：為深入分析燃煤鍋爐尾部受熱面低溫腐蝕的機(jī)理，找到尾部余熱深度利用的可行之法，本文從低溫腐蝕原理、硫酸露點(diǎn)及其凝結(jié)形成機(jī)理出發(fā)，根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況，分析比較了國(guó)內(nèi)外使用的預(yù)防低溫腐蝕、降低排煙溫度、高效回收排煙余熱的技術(shù)、設(shè)備及方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合有效腐蝕理論，指出鍋爐尾部煙氣余熱深度利用的研究方向。

關(guān)鍵詞：深度余熱利用；低溫腐蝕；露點(diǎn)；有效腐蝕

循環(huán)熱效率和鍋爐效率是影響燃煤電廠經(jīng)濟(jì)性高低的最重要因素，而冷源損失直接影響鍋爐的循環(huán)熱效率，鍋爐排煙損失則是鍋爐熱損失中最大的一項(xiàng)，約占鍋爐熱損失的70%～80%。鍋爐的排煙溫度高，造成火力發(fā)電廠的煤耗量增加。因此，降低鍋爐的排煙溫度，可以大幅度降低煤耗，節(jié)省能源。

排煙溫度的高低直接影響鍋爐熱效率，排煙溫度每降低10～15℃發(fā)電煤耗就可降低1克[1]。電站鍋爐大多在尾部煙道安裝省煤器、空氣預(yù)熱器、余熱回收等設(shè)備以回收排煙熱量，降低排煙溫度。但是由于一些電廠的機(jī)組設(shè)備陳舊，燃煤煤種經(jīng)常變化，煤質(zhì)與原設(shè)計(jì)煤質(zhì)相差巨大，導(dǎo)致排煙溫度遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值。另外，由于燃煤含硫量較高，導(dǎo)致煙氣酸露點(diǎn)提高而限制了尾部設(shè)備的運(yùn)行，使排煙溫度無(wú)法降到設(shè)計(jì)值。因此，深入分析煙氣低溫腐蝕的機(jī)理及煙氣露點(diǎn)影響是解決鍋爐尾部煙氣深度余熱回收的重要條件。

1 國(guó)外低溫腐蝕解決方案

國(guó)外很早就開(kāi)始研究煙氣的低溫腐蝕問(wèn)題，其燃煤在80年代就已經(jīng)全部通過(guò)洗選，保證了入爐煤的較低含硫量，使其各種設(shè)備均具較低酸露點(diǎn)下的工作條件，并在尾部溫度較低處采用低硫合金鋼，抗硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼等材料。對(duì)于脫硫后煙溫較低問(wèn)題，歐美多采用在原煙囪內(nèi)襯以玻璃鱗片樹(shù)脂膠泥等防腐材料，在氣象條件不利時(shí)，對(duì)脫硫后煙氣采用在煙囪底部加裝燃用清潔燃料器的做法提高煙氣的擴(kuò)散能力，解決“煙囪雨”問(wèn)題。另外還有一些電廠采用煙塔合一的方法，將脫硫后的煙氣送入循環(huán)水冷卻塔中，與冷卻空氣和水蒸氣一同排放，此法既可省去煙囪建造費(fèi)用又可提高煙氣污染物的擴(kuò)散能力。而在日本燃煤電廠多采用管式氣-氣換熱器即管式GGH系統(tǒng)，從電除塵前吸收煙氣熱量回?zé)峤o脫硫后的低溫?zé)煔?，一方面使煙氣溫度升高避免腐蝕煙囪，有利于污染物擴(kuò)散，減低煙氣進(jìn)入電除塵氣溫度，提高除塵效率，并能減少煙氣硫含量和煙氣量，使風(fēng)機(jī)效率，脫硫效率都有所提高。另一方面，可以使SO3與水蒸汽凝結(jié)成霧狀并附著在飛灰顆粒上，隨飛灰排除，是一種有效的方案，但需要在新建或擴(kuò)建項(xiàng)目為煙氣換熱系統(tǒng)預(yù)留空間。且此處煙氣含塵高、風(fēng)速較小，結(jié)露的酸液易附著在管壁上污染受熱面。

2 國(guó)內(nèi)余熱回收技術(shù)

我國(guó)由于燃煤煤種復(fù)雜、煤質(zhì)含硫量較高、入爐前脫硫應(yīng)用不多，導(dǎo)致尾部煙氣中SO3含量較高，煙氣的露點(diǎn)溫度遠(yuǎn)高于國(guó)外的平均水平，由此也限制了排煙溫度的降低；另一方面國(guó)內(nèi)很多機(jī)組較為老舊尤其是一些小機(jī)組，經(jīng)過(guò)多次的技改以后使鍋爐整體的工作狀態(tài)大大偏離了設(shè)計(jì)工況。使回收尾部煙氣余熱的省煤器、空氣預(yù)熱器等也由于材料材質(zhì)、傳熱性能等的限制并沒(méi)有起到應(yīng)有的效應(yīng)，從而導(dǎo)致最后的排煙溫度過(guò)高，有些燃油鍋爐的排煙溫度甚至達(dá)到180℃。為了改變這種情況國(guó)內(nèi)一般采取以下措施：

2.1 調(diào)整燃燒和制粉系統(tǒng)

通過(guò)調(diào)整鍋爐燃燒、制粉系統(tǒng)改造等方法使熱量的吸收在鍋爐受熱面中分配均衡，從而降低排煙溫度。該種方法不須進(jìn)行設(shè)備改造，操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)成本低廉。但研究和實(shí)踐表明，通過(guò)燃燒調(diào)整改變排煙溫度的范圍有限，而且受燃料品種的影響較大，使用這種方法降低排煙溫度并不可靠。

2.2 改造空氣預(yù)熱器

空氣預(yù)熱器是鍋爐最后一級(jí)換熱器，加大其換熱面積可以直接降低排煙溫度，故在原冷空氣入口處加裝前置式空預(yù)器是有效降低排煙溫度、回收尾部余熱的措施之一。前置式熱管空氣預(yù)熱器加裝在原有空氣預(yù)熱器之后，冷空氣經(jīng)熱管空氣預(yù)熱器加熱后再進(jìn)入原有空氣預(yù)熱器，從而有效減輕了原有空氣預(yù)熱器的低溫腐蝕。鍋爐煙氣余熱用于加熱冷空氣，將使鍋爐受熱面的換熱分布重新分配，并使多處的煙氣溫度都有所改變。因此，不能將其當(dāng)作獨(dú)立的換熱器來(lái)設(shè)計(jì)，而要將其作為鍋爐尾部煙道的換熱器之一整體考慮。換熱器回收的熱量全部帶入爐內(nèi)，使鍋爐受熱面的傳熱分布改變，這對(duì)鍋爐運(yùn)行是很不利的。尤其是小型鍋爐會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行技術(shù)性能指標(biāo)逐步變差的現(xiàn)象。

2.3 通過(guò)噴霧增濕在電除塵處降低排煙溫度

靜電除塵器是尾部收集煙塵的主要手段之一，其效率取決于煙氣流速、含硫量、含塵量及灰塵粒徑等多種因素影響，過(guò)高的煙氣溫度會(huì)使除塵器的效率降低。例如：煙氣溫度130℃時(shí)除塵效率99.35%而140℃時(shí)的效率僅為98.9%[2]。所以很多電站采用在除塵器前通過(guò)噴水減溫使入口煙溫降低，提高除塵效率。但是此方法卻無(wú)法回收煙氣中的熱量，無(wú)法提高鍋爐效率，同時(shí)噴入的大量水霧不但會(huì)浪費(fèi)大量的水資源，還會(huì)使積集灰塵的含水量增大造成集塵板的腐蝕。

2.4 在脫硫設(shè)備的改造

現(xiàn)電站尾部脫硫系統(tǒng)大多采用石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)，但是濕法脫硫后的出口煙溫通常只有50℃，雖然經(jīng)過(guò)了脫硫作用除去了部分硫份，但是硫酸蒸汽的露點(diǎn)溫度依然很高，在煙囪內(nèi)壁上依然會(huì)凝結(jié)造成腐蝕；并且較低的排煙溫度會(huì)大大影響‘煙羽的擴(kuò)散作用，在環(huán)境空氣中的水分接近飽和、氣象擴(kuò)散條件不好時(shí)，煙氣離開(kāi)煙囪出口時(shí)會(huì)形成冷凝水滴，形成所謂“煙囪雨”；同時(shí)由于煙溫較高，會(huì)在脫硫系統(tǒng)中消耗過(guò)多的水資源。有鑒于此，有一部分電廠投入了GGH系統(tǒng)，此方法是使用氣氣換熱器回收脫硫前的熱量把脫硫后的煙氣加熱到80℃左右。但是GGH系統(tǒng)的換熱器卻因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境的問(wèn)題而成為整個(gè)FGD系統(tǒng)的故障點(diǎn)，上世紀(jì)80～90年代由于對(duì)FGD的性能還沒(méi)有完全認(rèn)識(shí)、掌握，認(rèn)為脫硫后的凈煙氣通過(guò)GGH加熱之后，煙溫升高至80℃，可以降低脫硫后煙氣對(duì)下游設(shè)備的腐蝕傾向。但實(shí)踐證明，煙氣經(jīng)過(guò)GGH加熱后，煙溫仍低于其酸露點(diǎn)，仍然會(huì)在尾部煙道和煙囪中產(chǎn)生新的酸凝結(jié)。

2.5 加裝余熱回收裝置

低壓省煤器是一種安裝在尾部煙道的熱量回收裝置[3]，其通過(guò)加熱鍋爐給水直接把熱量回收到整個(gè)系統(tǒng)中，提高鍋爐效率而又不影響其他原有受熱面的工作，是一種成熟的回收排煙余熱的方法。但受煙氣露點(diǎn)溫度的影響，排煙溫度仍然低于原有設(shè)計(jì)值。此方法可以有效的利用鍋爐余熱提高效率同時(shí)又保證了設(shè)備的安全運(yùn)行。但是適用范圍恰又受安全考慮的影響，限制了排煙溫度的深度降低，所以要達(dá)到深度節(jié)能的目的需對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造。

近幾年出現(xiàn)的熱管式低壓省煤器技術(shù)，其主要特點(diǎn)是煙氣側(cè)金屬壁溫可通過(guò)水側(cè)流量在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其高于煙氣酸露點(diǎn)，防止低溫腐蝕和堵灰。但由于熱管式低壓省煤器利用熱管內(nèi)的中間介質(zhì)（水或蒸汽）進(jìn)行了兩次傳熱過(guò)程，熱管內(nèi)蒸汽的飽和溫度雖然在煙氣側(cè)換熱面保證了金屬壁溫，但在水側(cè)換熱面，卻壓制了加熱后的出口凝結(jié)水水溫，使得熱管式低壓省煤器獲得的收益較低。這也是利用熱管式低壓省煤器加熱凝結(jié)水的致命弱點(diǎn)。

3 低溫腐蝕原理分析

排煙溫度降低會(huì)導(dǎo)致尾部受熱面低溫腐蝕現(xiàn)象加劇，而露點(diǎn)則是低溫腐蝕的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行分析有助于找到克服低溫腐蝕、實(shí)現(xiàn)降低排煙溫度的新舉措。

3.1 低溫腐蝕原理

燃料中含有的硫份在燃燒中生成大量的SO2，其一小部分進(jìn)一步與自由氧原子[O]反應(yīng)生成SO3，另外在經(jīng)過(guò)高溫受熱面時(shí)，積灰也會(huì)通過(guò)其催化作用使一部分SO2被氧化生成SO3，SO3在低溫部位與煙氣的水蒸汽作用生成硫酸蒸汽，并在壁溫低于硫酸蒸汽露點(diǎn)時(shí)凝結(jié)，使受熱面發(fā)生嚴(yán)重的低溫腐蝕。

3.2 煙氣露點(diǎn)溫度

煙氣露點(diǎn)溫度是指考慮了硫酸蒸汽存在的露點(diǎn)溫度，是煙氣中酸凝結(jié)速率與酸蒸發(fā)速率相等時(shí)的煙氣溫度，即氣液兩相體系處于平衡狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的煙氣溫度。在氣液兩相體系中，露點(diǎn)溫度與混合體系各組分濃度的關(guān)系屬于相平衡的范疇，因而可以利用相平衡的理論多相混合煙氣體系的露點(diǎn)溫度進(jìn)行分析。

煙氣由多種組分組成，一般來(lái)說(shuō)煙氣中水的含量10%，當(dāng)煙氣中硫酸的含量為0時(shí)，煙氣的露點(diǎn)溫度僅為45℃左右，但只要有極少量的硫酸蒸汽存在，露點(diǎn)就會(huì)提高到100℃以上[4]，例如煙氣中硫酸蒸汽的含量為0.005%時(shí)，露點(diǎn)可達(dá)到130℃～150℃[5]。煙氣露點(diǎn)受到燃料種類、燃料含硫量及燃燒方式、過(guò)量空氣系數(shù)、煙氣中水蒸氣含量及灰含量等多種因素控制，難以用一個(gè)計(jì)算公式來(lái)表達(dá)各種情況。很多學(xué)者也通過(guò)理論研究數(shù)值模擬等多種方法得出了一些經(jīng)驗(yàn)公式。其中最為常用的為Muller公式[6]，使用熱力學(xué)關(guān)系式計(jì)算硫酸蒸汽含量非常低的煙氣酸露點(diǎn)而得到，并且被許多研究者的試驗(yàn)所證實(shí)，如圖1所示；

此外前蘇聯(lián)的熱工研究所（BTN）通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了露點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)估算公式（1），該公式考慮了燃料中硫分與灰分含量對(duì)于露點(diǎn)的影響，我國(guó)電力行業(yè)大多采用該公式計(jì)算酸露點(diǎn)，但鍋爐中的燃燒受到多種因素的影響，時(shí)刻都會(huì)發(fā)生變化，因此理論計(jì)算的結(jié)果和實(shí)際的燃燒情況有一定的差別，尤其是SO2轉(zhuǎn)化成SO3的比率難于確定，所以煙氣露點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)際值會(huì)存在一定的差距[7]。

式中，tld為煙氣酸露點(diǎn)溫度；tsl為當(dāng)前水蒸氣分壓力下的水露點(diǎn)溫度；Sar，zs、Aar，zs為對(duì)應(yīng)于1000大卡發(fā)熱量的收到基折算硫份和折算灰分；當(dāng)爐膛出口過(guò)量空氣系數(shù)α=1.2～1.25時(shí)，β=121；α=1.4～1.5時(shí)，β=129。

3.3 深度余熱利用可能性分析

根據(jù)理論推導(dǎo)得出的上述煙氣露點(diǎn)公式（1）在純硫酸工業(yè)應(yīng)用較好，但是在燃煤鍋爐灰分含量很大的環(huán)境中受到很大限制，因此前蘇聯(lián)研究學(xué)者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行得出腐蝕速度隨受熱面壁溫的變化規(guī)律如圖2所示，在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。由圖2可以看出，在酸露點(diǎn)C及水露點(diǎn)A之間存在一溫度區(qū)域，即排煙溫度保持在較低的水平，既提高鍋爐效率，又可以保護(hù)受熱面處于相對(duì)較低的腐蝕速率之下。因此，如何安全快速的使排煙溫度由E點(diǎn)過(guò)渡到C點(diǎn)，是解決問(wèn)題的有效手段。

使換熱設(shè)備在第一及第二安全區(qū)域即可保證熱力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，但在第一安全區(qū)域，排煙溫度過(guò)高，系統(tǒng)的效率較低，不適合節(jié)能減排的新思路，第二安全區(qū)域一般為大于水蒸氣飽和溫度20℃小于105℃，在此區(qū)域內(nèi)換熱器只發(fā)生有限的低溫腐蝕，可以采取必要的防腐手段進(jìn)行避免，同時(shí)煙氣排煙溫度大大降低，有利于尾部余熱回收，但是煙氣從第一區(qū)域向第二安全區(qū)域過(guò)度段為高腐蝕區(qū)域，如何快速而安全的使煙氣降溫并穩(wěn)定在第二腐蝕區(qū)域是防止低溫腐蝕的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

通過(guò)以上討論和分析可知，使鍋爐尾部受熱面處于第二安全腐蝕區(qū)域是解決低溫腐蝕及保證鍋爐效率的有效方法，而采用尾部加裝余熱回收設(shè)備降低排煙溫度，是實(shí)現(xiàn)上述方法的最有效途徑。排煙溫度的降低無(wú)法避免的會(huì)帶來(lái)低溫腐蝕的發(fā)生，因此盡量減輕低溫腐蝕是目前研究的重點(diǎn)，準(zhǔn)確計(jì)算露點(diǎn)溫度及人為干預(yù)露點(diǎn)變化是解決問(wèn)題的研究方向。

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