基于余熱利用的低溫省煤器布置方案研究

楊玉環，侯致福,2

(1.山西普麗環境工程股份有限公司，晉中 030600；2.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

0 引 言

近年來受煤價及環保等因素影響，發電成本不斷上升，諸多發電企業均處于虧損狀態。為提高煤炭利用效率和發電企業的經濟效益，降低煤炭的用量，減緩CO2、NOX以及粉塵等污染物的排放量，低溫省煤器的應用受到了發電企業的重點關注。

排煙熱損失是鍋爐運行中最重要的一項損失，是鍋爐熱損失中最大的一項，它是因排煙所擁有的熱量隨煙氣排至大氣而未被利用所引起的[1]。排煙熱損失主要與排煙溫度的高低和排煙容積的大小有重要關系。通常排煙溫度每升高15～20℃，會使排煙熱損失q2增加1%，從而鍋爐效率也將降低1%[1-3]。因此為減少排煙熱損失，提高鍋爐效率和提高整個機組運行的經濟性，就要考慮在鍋爐尾部煙道上加裝低溫省煤器，達到降低鍋爐排煙溫度的目的[4-5]。

低溫省煤器是回收利用鍋爐尾部煙氣熱量的重要裝備之一。低溫省煤器一般是用來加熱凝結水，凝結水在低溫省煤器內將排煙熱量進行吸收，降低排煙溫度的同時自身被加熱，升溫后的凝結水返回至汽輪機凝結水系統，相當于起到低壓加熱器的作用；與此同時低溫省煤器可節省汽輪機的部分回熱抽汽，汽輪機進汽量不變情況下，節省的抽汽在汽輪機內可繼續膨脹做功，達到提高整個機組經濟性的目的。因此，低溫省煤器的應用對節約機組能耗和提高整個電廠經濟效益有重要意義。

1 低溫省煤器的應用

1.1 國內應用情況

在我國，很多電廠在低溫省煤器的安裝和改造方面都進行了相關的工作和研究[6]。

山東某電廠兩臺容量100 MW的發電機組所用燃煤鍋爐，因燃用煤種含硫量較大，同時加上鍋爐尾部受熱面漏風、積灰及腐蝕問題，鍋爐排煙溫度高達170 ℃。因此為降低鍋爐排煙溫度，提高機組整體運行的經濟性，采用在鍋爐尾部加裝低溫省煤器的方法來降低鍋爐排煙溫度。

北京某300 MW熱電廠，采用低溫省煤器加熱供熱回水，一方面減少了機組的抽汽量，另一方面提高了整個機組的運行效率。

上海外高橋電廠三期工程，兩臺1 000 MW機組均進行了低溫省煤器改造，將低溫省煤器布置在引風機出口與脫硫吸收塔入口間煙道上，通過性能測試報告可知該低溫省煤器的改造產生的節能效果相當可觀。

1.2 國外應用情況

在國外，低溫省煤器的應用較早。為降低排煙溫度、減少排煙熱損失，蘇聯對鍋爐改造時，在鍋爐對流豎井煙道下部裝設低溫省煤器來加熱熱網水；德國某電廠2×800 MW褐煤發電機組在靜電除塵器和煙氣脫硫吸收塔間加裝煙氣冷卻器，用煙氣加熱鍋爐凝結水；另外德國某1 000 MW褐煤發電機組采用分隔煙道系統來充分降低鍋爐尾部排煙溫度，把低溫省煤器裝在空預器旁通煙道中，在煙氣熱量足夠前提下引入部分煙氣到旁通煙道內去加熱鍋爐給水；日本東京電力某發電廠采用水媒方式的管式煙氣-煙氣換熱器(GGH)，煙氣放熱段的GGH布置在電氣除塵器上游，煙氣被循環水冷卻后進入低溫除塵器(煙溫在90～100 ℃)，煙氣加熱段的GGH布置在煙囪入口，由循環水對煙氣進行加熱[6]。

綜合上述國內、外低溫省煤器的應用和改造情況可知：低溫省煤器在降低鍋爐排煙溫度、節約機組能耗和提高電廠經濟性等方面可取得顯著效果。

2 低溫省煤器布置及選型中的注意事項

2.1 積灰問題

低溫省煤器的換熱管可為光管、螺旋肋片管和翹片管。相比一般光管，螺旋肋片管和翹片管由于肋片和翅片的存在，其傳熱性能較好，同時管間布置間距較小，這種特殊的換熱管不僅可減少低溫省煤器的外形尺寸及管排數，節省材料；同時可降低煙氣流動阻力，整個系統壓降較低。

同樣因為螺旋肋片管和翹片管上肋片和翅片的存在，其結構復雜，使管子表面極易造成積灰。其表面積灰問題與煙氣流速及煤灰特性關系密切，煙氣流速越小越易造成積灰現象。在設計過程中，為降低積灰風險，應適當提高煙氣流速，合理布置管排。

2.2 磨損問題

低溫省煤器在高灰塵區域工作時煙氣中飛灰易對管子壁面造成磨損，為降低飛灰對管子的磨損問題，從材料選擇方面需要選擇耐磨損的材料作為受熱面；煙氣流速越大磨損越嚴重，則從設計方面需要合理選擇煙氣流速來降低對受熱面的磨損，同時也要兼顧煙氣流速對積灰的影響。

2.3 酸腐蝕問題

由于煙氣中或多或少都有SO3的存在，水蒸氣與SO3反應會生成硫酸蒸汽，而硫酸蒸汽露點溫度被稱為酸露點或煙氣露點。當低溫濕煙氣流經設備時，隨煙溫降低，水蒸汽會凝結為液滴，會與煙氣中SO3反應形成硫酸液膜，這樣就會對設備產生酸腐蝕。

因此低溫省煤器在實際運行過程中，需要結合煙氣中SO3的濃度，通過合理選擇SCR脫硝催化劑、煤種、優化燃燒方式等，盡量降低酸腐蝕對設備的影響。

2.4 低溫腐蝕問題

低溫腐蝕是指鍋爐尾部受熱面的金屬壁溫低于煙氣露點溫度時，煙氣中生成的硫酸蒸汽在換熱器受熱面上凝結而發生腐蝕的現象。隨這類腐蝕的發展，它與受熱面上的積灰可形成酸性粘結灰，因酸性粘結灰具有較強粘結性，一旦形成，通過吹灰方式較難吹掉。

在換熱器腐蝕過程中，首先低溫段覆蓋粘結灰的受熱面會變粗糙，則有利于硫酸凝結和腐蝕，隨腐蝕加劇，腐蝕會進一步向中溫段蔓延，最終造成換熱器堵灰腐蝕，導致換熱面傳熱性能大幅度降低[6-8]。因此在低溫省煤器實際運行中，要合理設計煙溫及換熱器換熱溫度，盡可能減輕低溫腐蝕的蔓延程度和不利影響。

基于以上幾方面注意問題可知：低溫省煤器在布置及選型過程中，首先需要選取傳熱性能好以及耐磨損材料作為換熱面；其次要合理選取煙氣流速達到降低磨損、減少積灰的目的；同時還要綜合考慮酸腐蝕和低溫腐蝕的問題，合理選擇SCR脫硝催化劑、煤種、優化燃燒方式，合理設計煙溫及換熱器換熱溫度；合理布置低溫省煤器在鍋爐尾部的位置，以延長低溫省煤器及相關設備使用壽命、降低維修和投資成本。

3 低溫省煤器布置方案及特點

由于排煙溫度較低，低溫省煤器所擁有的傳熱溫差較小，使低溫省煤器本身的換熱面積和占地空間均會較大，因此在低溫省煤器加裝過程中需要合理地選擇其布置位置。

根據鍋爐尾部空預器后安裝設備的不同以及尾部脫硫方式的不同，低溫省煤器的布置位置主要有以下四種布置方案。其中前三種為采用濕法脫硫方式下的布置方案，第四種為采用半干法脫硫方式下的布置方案。

3.1 空預器出口與除塵器入口間煙道

(1)布置方案連接示意圖

低溫省煤器布置于空預器出口與除塵器入口間煙道上。其連接示意圖如圖1所示。

圖1 低溫省煤器布置于空預器出口與除塵器入口間煙道上

(2)布置方案特點

a優點：

流經除塵器入口的煙氣先經過了低溫省煤器，這個過程中低溫省煤器的作用為：一方面使煙溫降低了，使煙氣體積流量也相應減少了，因而可降低除塵器的除塵面積、除塵器的占地面積和相關材料的用量。另一方面由于進入后續除塵器、引風機、脫硫吸收塔、煙道的煙氣體積流量均相應的減少了，可使整個機組的廠用電降低。

b缺點：

首先由于系統中加裝了低溫省煤器，導致整個煙氣系統的阻力增加了；其次由于經過低溫省煤器降溫后的煙溫很低，接近煙氣酸露點溫度，將會對后續系統中除塵器、引風機、脫硫吸收塔等設備存在低溫腐蝕的風險；另外鍋爐排煙未經除塵處理、粉塵濃度含量較大，對于低溫省煤器來說存在堵塞、磨損的風險較大。

3.2 除塵器出口與引風機入口間煙道

(1)布置方案連接示意圖

低溫省煤器布置于除塵器出口與引風機入口間煙道上。其連接示意圖如圖2所示。

圖2 低溫省煤器布置于除塵器出口與引風機入口間煙道上

(2)布置方案特點

a優點：

一方面煙氣經過低溫省煤器后，才進入后續引風機、脫硫吸收塔等設備，經低溫省煤器后煙溫降低了，則流經引風機、脫硫吸收塔等的煙氣體積流量也相應的減少了，整個機組的廠用電會有所降低；另一方面由于鍋爐尾部煙氣經過除塵器的除塵處理后才進入低溫省煤器的，含灰量大大減少，則低溫省煤器不存在磨損和堵塞的風險問題；同時經除塵器處理后進入后續設備及煙道中煙氣的堿性顆粒較少，對設備的腐蝕問題可降低。

b缺點：

首先因系統中增加了低溫省煤器，整個煙氣系統阻力增大了；其次由于鍋爐尾部煙氣經過低溫省煤器后的煙溫降低很多，很接近煙氣酸露點溫度，對其尾部煙道上的后續設備引風機、脫硫吸收塔等存在低溫腐蝕風險；另外煙氣經除塵器除塵后進入低溫省煤器，無法利用低溫省煤器降低煙氣溫度及煙氣流量來增加除塵效率。

3.3 引風機出口與脫硫吸收塔入口間煙道

(1)布置方案連接示意圖

低溫省煤器布置于引風機出口與脫硫吸收塔入口間煙道上。其連接示意圖如圖3所示。

圖3 低溫省煤器布置于引風機出口與脫硫吸收塔入口間煙道上

(2)布置方案特點

a優點：

首先低溫省煤器在這里起到了管式GGH加熱器中煙氣的冷卻作用，可使進入脫硫吸收塔的煙溫較低，滿足較佳的脫硫溫度要求；其次煙氣經過除塵處理后含塵較低后才進入低溫省煤器，飛灰對低溫省煤器管壁的磨損和堵塞風險均大大降低了；同時經除塵器處理后進入后續設備引風機、低溫省煤器、脫硫吸收塔及煙道的煙氣中堿性顆粒較少，對設備的腐蝕問題可大大降低。

b缺點：

首先由于煙氣經除塵器除塵后才進入低溫省煤器，則無法實現利用低溫省煤器降低煙氣溫度及降低相應的煙氣流量來提高除塵器的除塵效率；其次低溫省煤器布置于離主機較遠的地方，導致進行換熱的凝結水管道較長，所需克服的管道阻力和電耗均較大。

3.4 半干法脫硫方式下布置方案

(1)布置方案連接示意圖

當煙氣脫硫采用半干法脫硫方式時，低溫省煤器的布置方案與采用濕法脫硫方式下的第一種布置方案相同，即低溫省煤器布置于空預器出口與除塵器入口間煙道上。其連接示意圖如圖4所示。

圖4 半干法脫硫時：低溫省煤器布置于空預器出口與除塵器入口間煙道上

(2)布置方案特點

a優點：

除塵器入口的煙氣先是經過了低溫省煤器，此過程中低溫省煤器作用：一方面使煙溫降低，煙氣體積流量也相應減少，可降低除塵器的除塵面積、占地面積和相關材料的用量。同時由于進入后續除塵器、引風機、脫硫吸收塔、煙道煙氣體積流量均相應減少了，整個機組的廠用電降低。

b缺點：

由于系統中加裝了低溫省煤器，導致整個煙氣系統阻力增加了；其次由于經低溫省煤器降溫后煙溫很低，接近煙氣酸露點溫度，會對后續設備除塵器、引風機、脫硫吸收塔等存在低溫腐蝕的風險；另外鍋爐排煙未經除塵處理、粉塵濃度含量較大，對于低溫省煤器來說存在堵塞、磨損的風險較大。

通過對低溫省煤器不同布置方案特點的比較及分析可知：當鍋爐尾部脫硫采用濕法脫硫方式時，建議將低溫省煤器布置于引風機出口與脫硫吸收塔入口間煙道上；當鍋爐尾部脫硫采用半干法脫硫方式時，建議將低溫省煤器布置于鍋爐尾部受熱面空預器出口與除塵器入口間煙道上。

4 結束語

a.低溫省煤器的布置及選型過程中需要注意換熱面的積灰、磨損問題，合理選擇煙氣流速；同時還需要特別注意換熱面及其后續設備的酸腐蝕和低溫腐蝕問題，合理選擇SCR脫硝催化劑、煤種、優化燃燒方式、合理設計換熱器，對低溫省煤器的布置及選型具有一定的指導作用。

b.在鍋爐尾部煙道設置低溫省煤器，能夠很大程度上降低煙氣進入脫硫吸收塔的溫度，提高脫硫效率，節約脫硫耗水量；同時可回收大量煙氣余熱，并降低鍋爐排煙溫度和提高整個電廠運行的經濟性。

c.通過比較低溫省煤器的不同布置方案可知：采用濕法脫硫時，宜將低溫省煤器布置于引風機出口與脫硫吸收塔入口間煙道上；采用半干法脫硫時，宜將低溫省煤器布置于尾部受熱面空預器出口與除塵器間煙道上。不同脫硫方式下最佳低溫省煤器布置位置可為余熱利用的低溫省煤器的布置及選型提供依據。