燃用高硫煤鍋爐排煙余熱回收及減排綜合應(yīng)用研究

吳東梅，邱 艷，唐海旺

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司，成都 610021)

1 前 言

電站鍋爐排煙損失是鍋爐運行中最重要的一項熱損失，占鍋爐熱損失的60%～70%。目前，為了降低排煙溫度，減少排煙熱損失，提高電廠的經(jīng)濟(jì)性，低溫省煤器這一提高煙氣余熱利用效率的手段已得到了火電行業(yè)的廣泛關(guān)注。但是針對高硫煤電廠，目前由于煙氣腐蝕問題尚未解決，鮮有工程采用煙氣余熱回收利用。

2 燃用高硫煤機(jī)組設(shè)置低溫省煤器的技術(shù)可行性

燃用高硫煤電廠普遍存在排煙溫度高、空預(yù)器冷端腐蝕、積灰嚴(yán)重等問題，煙氣余熱利用的關(guān)鍵技術(shù)問題是防止發(fā)生煙氣低溫腐蝕。

重慶某200MW機(jī)組燃用西南高硫煤(平均含硫率達(dá)4.17%)，脫硫裝置配帶SGH系統(tǒng)，自2005年1月投運以來，泄漏腐蝕嚴(yán)重，2008年5月16日采用三維內(nèi)肋箱式GGH(不同于水-煙氣換熱低溫省煤器，為煙氣-煙氣換熱器)完成對SGH的改造投運，GGH原煙氣出口溫度為90～100℃，凈煙氣出口溫度為70～75℃；僅GGH換熱管的下部內(nèi)壁做防腐處理，該項目目前運行良好，沒有出現(xiàn)煙氣低溫腐蝕[1]。

貴州某電廠進(jìn)行了煙氣露點溫度測試和低溫腐蝕現(xiàn)場試驗,實驗期間燃煤含硫量在5%左右。實驗主要結(jié)論如下：

(1)腐蝕程度隨著管壁溫度的降低，呈現(xiàn)明顯加重。

(2)腐蝕程度與管壁溫度密切相關(guān)，與材料的材質(zhì)關(guān)系不大。

(3)只要低溫省煤器設(shè)計進(jìn)水溫度(相當(dāng)于傳熱管最低金屬壁溫)高于某一數(shù)值(煙氣露點溫度)，就不會發(fā)生煙氣低溫腐蝕，從而避免可能會發(fā)生煙氣低溫腐蝕工況的出現(xiàn)，保證安全運行。

根據(jù)重慶某電廠三維內(nèi)肋箱式GGH運行業(yè)績和貴州某電廠高硫煤煙氣露點溫度測試和低溫腐蝕現(xiàn)場試驗結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)燃用高硫煤采用低溫省煤器是可行的；

(2)貴州某電廠高硫煤的煙氣露點溫度為75～80℃，只要控制傳熱管金屬壁溫高于80℃，就不會發(fā)生嚴(yán)重的煙氣結(jié)露現(xiàn)象。

(3)針對貴州某電廠高硫煤，傳熱管進(jìn)水溫度高于75℃時，不會出現(xiàn)肉眼可見的宏觀煙氣低溫腐蝕現(xiàn)象。

3 高硫煤鍋爐排煙余熱回收及減排綜合應(yīng)用系統(tǒng)研究

為了能最大限度的利用鍋爐排煙余熱，達(dá)到節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保多重收益，不應(yīng)僅僅著眼于回收部分煙氣余熱，基于此點，本文針對高硫煤提出了一套耦合集成兩級低溫省煤器、暖風(fēng)器三位一體的“高硫煤鍋爐排煙余熱回收及減排綜合應(yīng)用系統(tǒng)”，可更高效的節(jié)約能耗，降低煙塵、SO2等污染物排放，解決燃用高硫煤空預(yù)器堵塞問題、取代傳統(tǒng)的蒸汽暖風(fēng)器，實現(xiàn)煙氣余熱的梯級利用。

該方案設(shè)置兩級低溫省煤器，第I級布置在除塵器入口煙道上，用于加熱汽機(jī)側(cè)凝結(jié)水，降低汽機(jī)熱耗；第Ⅱ低溫省煤器布置在引風(fēng)機(jī)出口用于加熱熱媒水，熱媒水將熱量送入一、二次暖風(fēng)器，用于加熱一、二次冷風(fēng)。排煙余熱回收及減排綜合應(yīng)用系統(tǒng)簡圖見圖1。

圖1 排煙余熱回收及減排綜合應(yīng)用系統(tǒng)簡圖Fig.1 Integrated application system of waste heat recovery and emission reduction

該系統(tǒng)主要優(yōu)點如下：

(1)取代了傳統(tǒng)高硫煤電廠蒸汽暖風(fēng)器，通過水媒采用煙氣余熱作為暖風(fēng)器的熱源，使進(jìn)入空氣預(yù)熱器的空氣溫度升高，排煙溫度相應(yīng)升高，空氣預(yù)熱器壁溫升高，控制合適的溫度即可有效防止空預(yù)器堵灰及低溫腐蝕；對于燃用高硫煤電廠，建議冷端綜合溫度(排煙溫度與入口風(fēng)溫之和)參考圖2控制(具體工程可依據(jù)電廠實際情況，并參考設(shè)備廠家提供的參數(shù)，再進(jìn)一步優(yōu)化曲線)[2]。

圖2 冷端綜合溫度的選取Fig.2 Selection of cold end comprehensive temperature

(2)減少了空預(yù)器的換熱端差，降低了換熱火用損失，有利于提高鍋爐綜合效率。

(3)可進(jìn)一步利用煙氣余熱加熱凝結(jié)水，即同時利用煙氣余熱加熱暖風(fēng)器及凝結(jié)水，該方式增大了除塵器前段低溫省煤器的煙氣溫度。在熱能的轉(zhuǎn)換利用過程中，不僅有數(shù)量問題，還有熱能的品位問題。高溫高壓熱源比低溫低壓熱源轉(zhuǎn)換潛力大，說明溫度高或壓力高的熱能品位高[3]。該系統(tǒng)實際上是將較低品位的煙氣熱量移至高品位區(qū)域，在相同的低溫省煤器吸熱量條件下用于換熱的凝結(jié)水溫度可更高，即凝結(jié)水引出點在汽機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)中可往高段移動，增加了排擠的抽汽在汽機(jī)中做功能力，機(jī)組熱效率更高。

(4)降低了脫硫塔入口煙溫，降低脫硫水耗。

缺點是由于低溫省煤器兩級布置，并設(shè)有水媒暖風(fēng)器等，系統(tǒng)連接復(fù)雜；管路阻力及煙氣阻力也將有一定的增加，風(fēng)機(jī)電耗增加；第Ⅱ級低溫省煤器處于酸腐蝕環(huán)境，需要考慮材料防腐問題；初投資相對較高。

該方案主要考慮以下4方面因素：

(1)盡量擴(kuò)大煙氣溫降可利用的幅度，增大熱量回收比例。

擴(kuò)大煙氣溫降是在許可的范圍內(nèi)盡量降低進(jìn)入脫硫的煙氣溫度。這一方面受到酸露點、低溫省煤器抗腐蝕和堵灰、低溫省煤器換熱端差等因素的制約，另一方面受到脫硫吸收塔水平衡計算需求的入口煙溫的限制。

(2)選擇好回?zé)嵛盏南到y(tǒng)、介質(zhì)和吸入點，使回收的熱量盡量在高品位利用。

選擇回?zé)嵛盏南到y(tǒng)、介質(zhì)和吸入點對低溫省煤器吸收熱量的有效利用、低溫省煤器換熱面積和承壓能力影響很大，這些最終會影響到低溫省煤器等相關(guān)換熱設(shè)備的造價，以及方案的總體技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。用于吸收熱量的介質(zhì)主要有凝結(jié)水和進(jìn)入鍋爐空預(yù)器的冷風(fēng)。由于冷風(fēng)溫度比凝結(jié)水溫更低，利用低溫段回收熱量加熱冷一、二次風(fēng)是一個較好的選擇。這種方案有以下好處：1)比采用凝結(jié)水增大了該段低溫省煤器的換熱端差，減少換熱面積、降低設(shè)備造價。2)采用熱媒水換熱，比凝結(jié)水壓力更低，有條件采用承壓能力低但抗腐蝕性能好的換熱管材。

(3)防止高硫煤的腐蝕，控制好煙溫及水溫。

對于高硫煤，由于酸露點溫度較高，低溫省煤器易發(fā)生腐蝕，根據(jù)金屬腐蝕理論，需保證低溫受熱面金屬壁溫度高出煙氣露點溫度 10℃左右，因此針對第I級低溫省煤器，出口排煙溫度控制在酸露點溫度+10℃左右，低溫省煤器I的進(jìn)水溫度應(yīng)控制在煙氣水露點溫度25℃以上。

(4)低溫省煤器材料和型式選擇，提高設(shè)備可用率。

對于防止低溫省煤器的腐蝕、堵灰而言，換熱管材和型式的選擇是關(guān)鍵。針對第I級低溫省煤器，因煙氣的溫度在酸露點以上，常規(guī)換熱管材料只需要考慮高塵防磨問題就能滿足此要求。第Ⅱ級低溫省煤器需要考慮材料防腐問題。

4 低溫省煤器選型

低溫省煤器工作在煙氣環(huán)境中，煙氣中含有SO3、HCL、HF、灰塵和水分等，SO3、HCL、HF和水組合產(chǎn)生了酸的混合物，在低溫省煤器換熱表面發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生腐蝕；另一方面，灰塵和水分容易粘結(jié)積垢。因此，低溫省煤器應(yīng)選擇耐腐蝕、不易積灰的換熱管材。其換熱管材的選擇原則如下：

(1)能夠承受低溫腐蝕，在50～150℃溫度范圍內(nèi)，能承受硫酸、鹽酸和氫氟酸的腐蝕，不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞；

(2)能夠承受長期煙塵沖刷，并不影響防腐性能；

(3)換熱管表面不易積灰，積灰容易清洗；

(4)管內(nèi)不易結(jié)垢；

(5)合理的設(shè)備體積，便于現(xiàn)場布置；

(6)合理材料價格。

4.1 低溫省煤器材料

目前用于酸腐蝕環(huán)境低溫省煤器材料主要有ND鋼等耐腐蝕鋼、不銹鋼317L、氟塑料管、外襯氟塑料鋼管和外襯搪瓷(或玻璃鋼)等，耐腐蝕鋼管換熱系數(shù)大，可減少換熱面積，減小外形尺寸，方便布置，但耐腐蝕和防積灰性較差；氟塑料管耐腐蝕和防積灰性能好，但耐壓較低，不能直接用于直接加熱凝結(jié)水，需設(shè)置熱媒水系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜，另外，同等條件下?lián)Q熱端差小，換熱系數(shù)低，導(dǎo)致體積大，布置困難；而采用鋼管外襯防腐蝕材料，耐腐蝕和防積灰性能好，但換熱系數(shù)較小，使得體積大，布置較困難。

低溫省煤器I由于控制其出口排煙溫度高于煙氣酸露點溫度10℃以上，金屬壁溫控制在水露點溫度25℃以上。因此第I級低溫省煤器材料的選擇主要考慮高塵區(qū)的防磨問題。因此，第I級低溫省煤器材料可選用20G碳素鋼或ND鋼。

第Ⅱ級低溫省煤器材料選擇應(yīng)充分考慮到煙氣低溫腐蝕問題，防腐材料可采用不銹鋼317L或者氟塑料、外襯氟塑料鋼管等。

4.2 低溫省煤器型式的選擇

氟塑料管、外襯氟塑料鋼管和外襯搪瓷(或玻璃鋼)等換熱管均為光管。采用耐腐蝕鋼管的低溫省煤器型式主要有光管管式換熱器、螺旋鰭片管式換熱器、H型鰭片管式換熱器。

光管管式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，容易清理堵灰，但傳熱性差，換熱面積大，低溫省煤器外形尺寸較大。

與普通光管相比，螺旋翅片管傳熱性好，即使翅片間距較大時，其換熱面積也比同種管徑光管要大，因此可減小低溫省煤器的外形尺寸和管排數(shù)，減少煙氣流動阻力，同時可以減少換熱器材料用量，但在電廠實際運行過程中，發(fā)現(xiàn)螺旋翅片管換熱器容易積灰，近年來一種新的翅片型式的換熱器-H型鰭片管換熱器得到廣泛研究。該型式換熱管具有較高的強(qiáng)化傳熱能力和優(yōu)良的不積灰性能，防磨性能較好，由于換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小便于布置，因此其應(yīng)用日趨增多。

4.3 低溫省煤器防磨、防堵和防泄漏的措施

4.3.1 防堵措施

采用便于沖洗的管材型式、加強(qiáng)管壁溫度的監(jiān)測和運行調(diào)整。換熱管采用H型翅片管，有利于吹灰，減少積灰。合理選型煙氣流速參數(shù)，使煙氣流對換熱面保持適度的沖刷，可實現(xiàn)一定的自清潔作用。

在每層換熱層都設(shè)置足夠數(shù)量的蒸汽或聲波吹灰器，用來防止換熱層因粉塵堆積而產(chǎn)生堵灰現(xiàn)象。配置臨時水沖洗裝置，停機(jī)檢修時可輔以水沖洗，實現(xiàn)徹底清潔。

4.3.2 防磨損措施

選擇合適的煙氣流速，并進(jìn)行流場分析，并保證煙氣進(jìn)、出口端和受熱面煙氣流場均勻。

換熱面采用H型翅片管管組排設(shè)計，煙氣流經(jīng)換熱管排時可有效減小煙氣紊流，減小因煙氣流紊流導(dǎo)致的磨損。

在所有換熱管排迎風(fēng)面的前端逐排布置專用防磨與穩(wěn)流裝置，并在換熱管所有彎頭位置加設(shè)防磨瓦。

通過采取上述措施，可有效減小受熱面的磨損，加長低溫省煤器的使用壽命。

4.3.3 防泄漏措施

做好換熱管的防磨損、防腐蝕是預(yù)防換熱管泄漏的主要措施。另外可考慮換熱器進(jìn)行分組設(shè)計，當(dāng)出現(xiàn)泄漏時能夠有效的進(jìn)行隔離。當(dāng)其中1個分區(qū)出現(xiàn)泄漏，能退出該區(qū)低溫省煤器運行，不影響其它分區(qū)低溫省煤器的正常運行。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

以某660MW機(jī)組為例，采用該方案相關(guān)部分特征參數(shù)見圖3所示。

圖3 系統(tǒng)特征參數(shù)圖Fig.3 System characteristic parameter diagram

表 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析(單臺機(jī)組)Tab. Technical and economic analysis(single unit)

注：工程標(biāo)煤價格：610元/t，單臺機(jī)組功率按660MW，年利用小時數(shù)5 500h。

經(jīng)與主機(jī)廠配合，該方案排擠汽機(jī)5號低加抽汽，降低汽機(jī)熱耗約49kJ/kwh，節(jié)約發(fā)電標(biāo)煤耗約1.85g/kW·h；當(dāng)空預(yù)器入口風(fēng)溫從20℃提升到78℃，鍋爐排煙從121℃提升到147℃，鍋爐效率提升約0.4%(理論計算值)，節(jié)約發(fā)電標(biāo)煤耗約1.2g/kW·h。主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較見表。

從表可以看出：采用該排煙余熱回收及減排綜合應(yīng)用系統(tǒng)方案單臺機(jī)組增加初投資2 000萬元，降低發(fā)電標(biāo)煤耗3.05g/kW·h，年節(jié)約運行費用592萬元，不到四年即可收回成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

6 結(jié) 論

本文針對高硫煤提出了一套耦合集成兩級低溫省煤器、暖風(fēng)器三位一體的“高硫煤鍋爐排煙余熱回收及減排綜合應(yīng)用系統(tǒng)”，實現(xiàn)了煙氣余熱的梯級利用，取代傳統(tǒng)的蒸汽暖風(fēng)器，可更高效的節(jié)約能耗，同時解決燃用高硫煤空預(yù)器堵塞問題、積灰問題，大幅度提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，在燃用高硫煤鍋爐機(jī)組中具有廣泛的應(yīng)用前景。