鍋爐排煙余熱發電裝置中換熱器的初步設計研究

靳 菲

(北方民族大學 化學與化學工程學院，寧夏 銀川 750021)

鍋爐排煙余熱發電裝置中換熱器的初步設計研究

靳 菲

(北方民族大學 化學與化學工程學院，寧夏 銀川 750021)

對某電廠鍋爐排煙余熱發電裝置的煙氣-水換熱器進行了初步設計計算。設計的換熱器可以將煙氣的余熱分段傳遞給循環水，滿足基于朗肯循環的低溫余熱發電裝置對熱源的需求。在此基礎上，進一步對換熱器的安裝尺寸、煙氣流速、熱容量等問題進行了討論，為鍋爐排煙余熱發電的進一步設計和應用提供了重要的理論依據。

鍋爐排煙；余熱發電；換熱器；設計計算

近年來，隨著我國工業水平的不斷發展，能源的消耗量也在逐年增長。為了實現我國可持續發展戰略目標，我們一方面要開發新能源的利用，另一方面要提高現有工業過程的能源利用效率，雙管齊下，實現能源的合理、充分利用。

火力發電一直是我國煤炭消耗的主要行業，其鍋爐排煙溫度一般都在120℃以上。由于鍋爐產生的煙氣量巨大，這部分熱量具有極大的應用前景。目前，鍋爐排煙余熱利用主要有兩種方式[1]：一是將煙氣余熱直接進行利用，例如：用煙氣余熱對褐煤等水分較高的煤種進行干燥；二是將煙氣余熱通過換熱裝置進行熱量的傳遞，例如：為基于有機工質朗肯循環的低溫余熱發電裝置(ORC余熱發電裝置)提供穩定的熱源，將煙氣余熱轉化為電能，更加高效地進行利用。本文將以某電廠鍋爐煙氣ORC余熱發電裝置為例，對其煙氣-水換熱器進行初步設計和研究。

1 設計任務

某300MW燃煤發電廠鍋爐排煙溫度為141℃，煙氣量為1749504m3/h，現計劃利用全部煙氣余熱來供應ORC低溫余熱發電裝置進行發電。每臺ORC余熱發電裝置發電功率固定為280kW，熱力過程為有機朗肯循環，發電工質為R245fa，外部熱源要求是一定溫度的熱水，具體參數見表1。

由于ORC余熱發電裝置的工作要求，不能直接對煙氣熱量進行利用。因此，需要設計煙氣-水換熱器將鍋爐排煙的熱量傳遞給循環水，滿足ORC余熱發電裝置的工作要求，且換熱后的煙氣要經過脫硫塔進行處理后才能排入大氣，脫硫塔最低工作溫度為80℃。

表1 ORC余熱發電裝置工作參數

考慮到在除塵器之前，如果將煙氣溫度直接從140℃降低到80℃，會導致煙氣中的酸凝結，腐蝕受熱面，影響除塵器和引風機的正常工作[2]，因此設置兩個煙氣-水換熱器(換熱器A和換熱器B)分段對煙氣進行換熱，工作流程圖如圖1所示。

圖1 鍋爐排煙余熱發電原理圖

2 煙氣-水換熱器的設計

考慮到鍋爐現在整體布置的限制，如果將煙氣從煙道中引出進行換熱，不但工作量巨大，且換熱器將沒有場地安裝，可行的方案是將現有煙道進行擴展，換熱器直接安裝在擴展后的煙道內，適當提高引風機的出力即可實現煙氣和水的換熱過程。根據以上分析，參考現有低壓省煤器的設計思路，確定使用蛇形管式間壁式換熱器進行煙氣和水的熱量交換，煙氣在管外流動，水在管內流動。

通過熱平衡計算可知，如果使用全部煙氣余熱對水進行加熱，最多可以滿足6臺ORC余熱發電裝置工作所需的熱水量，發電功率達到1680kW，如果年運行小時數為4500h，發電煤耗為360g/(kWoh)，那么每年可以節約標煤2700t[3]。為了對排煙余熱實現最大化利用，在換熱器A,B的設計計算中，使用盡可能多的煙氣進行換熱，保證6臺ORC余熱發電裝置的正常工作，換熱器加熱水量為780 t/h，實際煙氣量根據熱平衡計算結果而定。

由于除塵器之前的煙道采用雙煙道布置，因此換熱器A實際上是分別安裝在兩個煙道內的相同的換熱器，其中一個煙道內的換熱器熱力計算結果和結構計算結果分別見表2和表3。

表2 換熱器A熱力計算結果

表3 換熱器A結構計算結果

引風機到脫硫裝置之間的煙道采用單煙道布置，因此換熱器B僅有一個，熱力計算結果和結構計算結果如表4和表5所示。

表4 換熱器B熱力計算結果

表5 換熱器B結構計算結果

由于此時煙氣溫度已經達到酸露點，因此換熱器B的材料應選擇耐腐蝕的優質鋼材，保證換熱器能夠穩定工作。

3 分析與討論

(1) 目前，針對排煙余熱發電裝置的選擇較為可行的方法是直接從國外采購成套的ORC余熱發電裝置，這些裝置的功率一般是恒定不變的。此時，提高熱源溫度只影響循環水量，例如：90℃熱水需要130t/h，如果是80℃的熱水則需要200t/h，如果想提高單個發電機組的功率，需要選擇不同廠家的產品，結合本廠煙氣余熱的總量，確定最佳單機發電功率。

(2)有一種構想是使用煙氣直接加熱發電工質，這樣可以節省換熱器設備投資，并減少能量的損失。但目前還沒有成熟的設備可以直接使用煙氣加熱發電工質，工業上投入使用的都要求熱源為一定溫度的熱水，因此，對煙氣-水換熱器進行設計和研究是具有實際意義和價值的。

(3)從設計計算結果可知，換熱器A和B的煙氣流速都很高，接近省煤器煙氣流速上限(13m/s)，換熱器內管排的布置已經相當緊密了。如果煙道不允許擴展，換熱器的流通截面將比現在更加狹小，煙氣流速將超過設計規定。因此，如果鍋爐排煙煙道面積不能擴展，或者將該項節能技術應用在煙氣量更大的鍋爐上，則只能根據實際煙道尺寸，回收部分排煙余熱，保證余熱發電系統的正常運行。

(4)換熱器B傳熱溫差較小，導致換熱面積大，蛇形管管程數多，使用的管子重量達到150噸，如果實際使用過程中不具備制造和安裝條件，應根據實際情況，將換熱器B拆分為兩個換熱器，或者減少煙氣和循環水量，從而減少換熱器傳熱面。

4 結論

ORC余熱發電裝置可以將鍋爐排煙余熱轉換為電能，但過程的實現首先需要通過煙氣-水換熱器將煙氣余熱傳遞給循環水，再由循環水為ORC余熱發電裝置提供穩定熱源。因此，設計煙氣-水換熱器具有重要的意義和價值。本文所研究的鍋爐排煙可以為6個280 kW的ORC余熱發電裝置提供熱源，總發電功率為1680kW，年節約標煤約2700噸，為了減小煙氣中酸凝結對設備的腐蝕，煙氣-水換熱器采用分段設計，保證余熱發電裝置和鍋爐各設備安全、穩定的運行，具有重要的節能效益。

[1] 谷凱娜. 350MW機組余熱利用方案的研究[D].北京：華北電力大學，2014.

[2] 趙國威，趙忠琳，王峰. 鍋爐煙道腐蝕的影響因素及防范措施[J]. 河北電力技術，2010，29(2)： 43-45.

[3] 楊勇平，楊志平，徐鋼，等. 中國火力發電能耗狀況及展望[J].中國電機工程學報，2013,33(23)：1-11.

[4] 馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌. 鍋爐原理及計算[M]．3版．北京:科學出版社，2003．

(本文文獻格式：靳 菲.鍋爐排煙余熱發電裝置中換熱器的初步設計研究[J].山東化工，2016，45(24)：111-112，116.)

Design and Study on the Heat Exchanger in the Waste Heat Power Generation Device Using Boiler Flue Gas

Jin Fei

(Institute of Chemical Engineering，North University of Nationalities，Yinchuan 750021，China)

In this paper, a preliminary design of flue gas-water heat exchanger in a waste heat power generation device which use boiler flue gas is designed. The designed heat exchanger can transfer the waste heat of flue gas to the circulating water, which can meet the requirement of the heat source of the ORC waste heat power generation device. On this basis, the paper further discusses problems of installation size, flue gas flow rate, thermal capacity of the heat exchanger, which provides an important theoretical basis for further design and application of the waste heat power generation device.

boiler flue gas; waste heat power generation; heat exchanger; design calculation

2016-11-01

靳 菲(1988—)，寧夏銀川人，助教，2014年畢業于華北電力大學熱能工程專業，主要從事節能技術方向的教學與研究。

TK11+5

A

1008-021X(2016)24-0111-02