新型高效直通道低溫省煤器在高溫高壓鍋爐中的應(yīng)用

劉 祿，楊繼銳

（河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼集團(tuán)公司邯寶能源中心，河北邯鄲 056015）

前言

排煙損失是工業(yè)鍋爐生產(chǎn)中最重要的一項(xiàng)熱損失，一般占到了損失熱量的5%～12%，甚至占到鍋爐總熱損失的80%或者更高。煤氣鍋爐排煙溫度大多在150℃左右，減少排煙損失，降低排煙溫度，可以有效節(jié)約能源、提高鍋爐設(shè)備的熱效率，其帶來的環(huán)保效益、社會效益以及經(jīng)濟(jì)效益都是相當(dāng)客觀的。

1 降低鍋爐排煙溫度的技術(shù)方案

1.1 提高空氣預(yù)熱器性能，增強(qiáng)空氣與煙氣換熱，提高空氣出口溫度，降低煙氣排煙溫度

(1)增加空氣預(yù)熱器面積

空氣——煙氣換熱增加傳熱性能導(dǎo)致設(shè)備體積增大和投資增加，現(xiàn)場改造不具備條件；另外，排煙溫度降低腐蝕加劇，導(dǎo)致整臺設(shè)備腐蝕等級提高，投資進(jìn)一步增大，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的需要，新建或改造均實(shí)施困難。

(2)設(shè)置熱媒水式空氣-煙氣換熱器

利用空氣預(yù)器出口的煙氣加熱熱媒水，再利用熱媒水對空氣進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后空氣再進(jìn)入空預(yù)器。結(jié)合工廠生產(chǎn)實(shí)際，該方案系統(tǒng)復(fù)雜，投資大，運(yùn)行維護(hù)成本高。

1.2 增設(shè)低溫省煤器

利用煙氣加熱凝結(jié)水降低排煙溫度，凝結(jié)水被加熱、升高溫度后再返回汽輪機(jī)低壓加熱器系統(tǒng)，代替部分低壓加熱器的作用，是汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。

低溫省煤器將節(jié)省部分汽輪機(jī)的回?zé)岢槠谄啓C(jī)進(jìn)汽量不變的情況下，節(jié)省的抽汽在汽輪機(jī)內(nèi)部繼續(xù)膨脹做功。在鍋爐燃料消耗量不變的情況下，提高機(jī)組的熱效率，降低機(jī)組發(fā)電單耗，進(jìn)而提高發(fā)電量。經(jīng)過現(xiàn)場勘察，反復(fù)論證，認(rèn)為該方案實(shí)施較為簡單，投資適中，節(jié)能效益高。

1.3 兩個(gè)技術(shù)方案的優(yōu)、缺點(diǎn)分析

經(jīng)過對兩個(gè)技術(shù)方案進(jìn)行論證分析，增設(shè)低溫省煤器降低排煙溫度在國內(nèi)外發(fā)電廠得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過多年的運(yùn)行實(shí)踐，國內(nèi)傳統(tǒng)的低溫省煤器主要存在腐蝕、積灰、維護(hù)量大、使用壽命短等問題。邯鋼260 t/h高溫高壓鍋爐煙氣余熱回收項(xiàng)目采用了新型高效直通道的低溫省煤器，具有耐腐蝕、抗積灰、壽命長等特點(diǎn)，可以有效的解決傳統(tǒng)低溫省煤器出現(xiàn)的問題。

2 傳統(tǒng)低溫省煤器和新型高效直通道低溫省煤器的特點(diǎn)

2.1 傳統(tǒng)低溫省煤器存在的問題

邯鋼西區(qū)自備電廠有3臺杭州鍋爐有限公司制造的260 t/h高溫高壓鍋爐，低溫省煤器的換熱元件主要采用螺旋鰭片管，材料選用20GB3087-99鋼。經(jīng)過幾年的運(yùn)行，主要存在以下幾方面的問題：

腐蝕：煙溫降至90℃，低于酸露點(diǎn)；

積灰：酸結(jié)露后吸附灰塵，堵塞嚴(yán)重；

吹灰：無法徹底吹掃干凈；

壓降：風(fēng)機(jī)能力有限，阻力影響運(yùn)行；

安裝空間：體積龐大，實(shí)施困難；

維護(hù)費(fèi)用高：換熱器每1～3年就需要更換一次換熱元件，定期需要除塵除垢，工程量大，維護(hù)費(fèi)用高。

螺旋鰭片管式省煤器運(yùn)行半年后會出現(xiàn)積灰堵塞、低溫腐蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象，運(yùn)行幾年后，影響鍋爐引風(fēng)機(jī)的出力，導(dǎo)致爐膛負(fù)壓降低，使鍋爐不能高負(fù)荷運(yùn)行，影響鍋爐的熱效率和經(jīng)濟(jì)性。為了解決影響鍋爐出力這一難題，對2#鍋爐低壓省煤器的換熱管束進(jìn)行拆除，有效解決了2#鍋爐不能高負(fù)荷運(yùn)行的難題。（圖1是邯鋼西區(qū)自備電廠2#鍋爐拆除腐蝕堵塞的低壓省煤器換熱管）。

圖1 邯鋼260 t/h鍋爐低壓省煤器積灰堵塞

2.2 新型高效直通道低溫省煤器的特點(diǎn)

邯鋼西區(qū)自備電廠2#高溫高壓煤氣發(fā)電鍋爐，在引風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙道安裝新型高效的直通道低溫省煤器，省煤器采用“直通道、無觸點(diǎn)”的板式結(jié)構(gòu)和“雙相不銹鋼2205”優(yōu)質(zhì)材料，見圖2，相比傳統(tǒng)的低溫省煤器有更多的優(yōu)點(diǎn)：

圖2 新型高效直通道煙氣換熱器三維圖

（1）傳熱效率高。直通道板式傳熱元件，與管式相比總傳熱系數(shù)提高1倍以上。

（2）重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊。換熱器重量僅為螺旋鰭片管結(jié)構(gòu)的1/3，體積小并作為煙道的一部分進(jìn)行安裝，實(shí)施簡單。

（3）抗腐蝕性能良好.選用高級耐蝕材料雙相鋼2205，具有良好的耐腐蝕性能，無論燃煤、焦?fàn)t煙氣、高爐煤氣，煙溫均降至90℃。

（4）優(yōu)良的抗積灰性能。光滑直通道板型，沒有背風(fēng)面和遮擋面；較高的煙氣流速，煙氣的湍流程度高，均勻的流動場，無滯流區(qū)；

（5）吹灰方便、徹底.煙氣的通道為直通道板型，無死區(qū)，無遮擋，且煙氣的行程在600～800 mm，相比管式結(jié)構(gòu)的煙氣行程3～6 m，吹灰更方便、徹底。

（6）優(yōu)良的抗磨損性能.傳熱元件硬度較碳鋼提高近一倍；光滑直通道板型抗磨損性良好。材質(zhì)硬度見表1。

表1 材質(zhì)硬度表

（7）阻力降低

光滑直通道板型，短行程的特點(diǎn)使煙氣阻力降可長周期保持500～800 Pa。

3 煙氣余熱回收系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)工藝流程

邯鋼西區(qū)能源中心2#鍋爐出力在230 t/h左右，其中鍋爐燃燒系統(tǒng)煙氣在700℃左右，經(jīng)過上省煤器、下省煤器、空氣預(yù)熱器、低壓省煤器后溫度降至140℃左右排放至大氣。采用SD新型高效直通道煙氣余熱回收技術(shù)將排煙溫度由140℃降低至90℃，回收煙氣的熱量將2#汽機(jī)低壓加熱器出口凝結(jié)水由65～90℃加熱至90～115℃。低溫省煤器水系統(tǒng)串聯(lián)在汽機(jī)2#、3#低加之間，60 MW汽輪機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，2#低加出口的純凝水經(jīng)低溫省煤器加熱后進(jìn)入3#低加入口，經(jīng)3#低加再次加熱以后，最終進(jìn)入除氧器，使系統(tǒng)熱量利用更充分。減少了汽機(jī)進(jìn)入低壓加熱器的蒸汽量，使更多的蒸汽用來膨脹做功，提高機(jī)組的熱效率，降低汽機(jī)單耗，提高機(jī)組發(fā)電量。同時(shí)，進(jìn)入除氧器的水溫度升高，減少了除氧加熱蒸汽的消耗，使熱力系統(tǒng)的熱能循環(huán)利用率提高。（余熱回收系統(tǒng)的工藝流程如圖3）

根據(jù)運(yùn)行工況，鍋爐低溫省煤器與汽機(jī)低壓加熱器即可串聯(lián)運(yùn)行又可并聯(lián)運(yùn)行，隨時(shí)調(diào)整運(yùn)行方式，可以防止省煤器的低溫腐蝕，保證運(yùn)行的安全性及可靠性。

為防止煙氣溫度過低會腐蝕低溫省煤器及引風(fēng)機(jī)葉輪，在省煤器凝結(jié)水側(cè)設(shè)置自動調(diào)節(jié)旁路，調(diào)節(jié)凝結(jié)水量控制排煙溫度，使鍋爐排煙溫度在合適的范圍內(nèi)運(yùn)行。

圖3 系統(tǒng)工藝流程圖

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2#鍋爐最大運(yùn)行負(fù)荷工況下煙氣量：350000 m3/h，排煙溫度：140℃，系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

煙氣量：350000 m3/h，

煙氣進(jìn)口溫度：140℃，

煙氣出口溫度：95℃，

配置系統(tǒng)熱量：6.24 MW,

凝結(jié)水:

進(jìn)換熱器溫度:69.0℃，

出換熱器溫度:94.71℃，

流量:180 t/h。

3.3 低溫省煤器布置

鍋爐配套兩臺引風(fēng)機(jī)，有兩個(gè)排煙煙道，將新型高效的低壓省煤器布置在兩臺引風(fēng)機(jī)入口水平煙道上，并作為煙道的一部分安裝。

4 新型高效低溫省煤器經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

2#發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益按照平均每小時(shí)發(fā)電35000 kWh，年運(yùn)行7500 h計(jì)算，節(jié)能效益計(jì)算如下：

4.1 煙氣回收熱量

2#發(fā)電機(jī)組在上述工況下運(yùn)行，鍋爐煙氣的體積流量為219000 m3/h,設(shè)計(jì)煙氣溫度由130℃降至92℃，回收煙氣熱量P=3.29 MW。

回收熱量計(jì)算公式如下：Q=C·M·(T1-T2)

式中：Q為熱量，單位J；

C 為比熱容，水的比熱容為 4.2×103J/(kg﹒℃)；M為凝結(jié)水質(zhì)量，單位kg;T1為凝結(jié)水出口溫度，℃；T2為凝結(jié)水進(jìn)口溫度，℃。

4.2 增加發(fā)電量

根據(jù)汽機(jī)廠THA工況下熱平衡圖，3#低加抽汽參數(shù)和汽輪機(jī)出口蒸汽參數(shù)如表2。

表2 3#低加抽汽參數(shù)和汽輪機(jī)出口蒸汽參數(shù)

每小時(shí)可減少3#低加抽汽量=P×3600/（H3-H2）=3.29×3600/（2800-502）=5.16 t/h；按汽機(jī)的發(fā)電效率為90%計(jì)算每噸蒸汽的發(fā)電量：少抽每噸蒸汽的發(fā) 電 量 =（H2-H1）×1000 ×0.9/3600=（2800-2332）×1000×0.9/3600=117.00 kW·h/t；減少 5.16 t抽汽的發(fā)電量=117.00×5.16=603.72 kW·h。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

安裝低溫省煤器增加了煙氣系統(tǒng)的阻力約500 Pa，增加了鍋爐兩臺風(fēng)機(jī)的功率；同時(shí)，煙氣經(jīng)換熱裝置后溫度降低，體積流量減小約30%，由此會減小風(fēng)機(jī)的功率。根據(jù)風(fēng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算論證，低溫省煤器運(yùn)行時(shí)基本不增加風(fēng)機(jī)的功率。

2#發(fā)電機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷平均每小時(shí)為35000 kWh，減少進(jìn)入3#低加抽汽可使機(jī)組發(fā)電量提高約1.7%；機(jī)組每年增加的發(fā)電量=7500×5.16×117.0=4527900 kW·h；年節(jié)約標(biāo)煤 0.1808萬t；年減少溫室氣體CO2排放量0.45064萬t、SO2排放量0.01356萬t、NOX排放量0.00678萬t；發(fā)電電價(jià)按0.48元/kW·h計(jì)，每年機(jī)組增加的發(fā)電量可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益為217.33萬元。由此可見，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，為企業(yè)綠色發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]朱全利．鍋爐設(shè)備系統(tǒng)及運(yùn)行[M]．北京:中國電力出版社，2016.（12）.

[2]李學(xué)忠．鍋爐運(yùn)行[M]．北京:中國電力出版社，2014．（5）.