垃圾發電廠煙氣余熱回收技術研究與應用

朱瑞

摘要：隨著社會經濟的飛速發展，人們生活水平不斷提高，城市產生的生活垃圾也越來越多，這不僅對城市環境造成了嚴重的污染，也影響著人們的正常生活。提高城市生活垃圾的處理與利用技術，漸漸成為當今發展的重要內容。鑒于此本文對垃圾發電廠煙氣余熱回收技術進行探究與應用分析，通過對換熱管類型、煙氣流速等因素進行試驗，并按照某生活垃圾發電廠運行參數進行分析計算了余熱回收技術對焚燒爐熱效率的影響。

關鍵詞： 生活垃圾;垃圾發電廠;余熱回收;應用分析

引言：余熱一直被稱作二次能源，我國雖是能源大國，但對能源的利用率卻極低，有大量的余熱因技術等種種原因未被利用而浪費了。因而，若是能將未被開發的余熱能源利用起來對于緩解日益緊張的能源局勢有著重大意義。對于層狀燃燒鍋爐，排煙熱損失是鍋爐熱損失中最多的一項，通常能夠占到60%以上，為提高鍋爐熱效率及經濟性，可以在尾部煙道設計安裝余熱回收設備，而煙氣酸腐蝕和強化傳熱能力是鍋爐排煙余熱利用有待解決的兩個核心技術問題。在煙氣酸腐蝕方面，溫度越低，煙氣中酸性物質越容易凝結，特別是在低于酸露點溫度時，會加快設備的腐蝕，對此低溫煙氣區域的設備可以使用耐腐蝕性能較好的ND鋼材質;在強化傳熱能力方面，低溫煙氣區域的傳熱溫差較小，換熱管束可以采取翅片管，增加換熱面積、降低傳熱熱阻。為減少余熱利用設備的體積和制造成本，需改善換熱器的結構和布置，提高傳熱系數，同時確保設備運行的安全可靠。

一、傳熱試驗原理

（一）試驗原理

傳熱計算公式： ，其中Cp是介質比熱容，單位J/（kg·K），m是介質質量，單位kg，Δt是介質進出口溫差K;K是傳熱系數W/㎡·K，，S是換熱面積m2，ΔT是冷熱體對數平均溫差K。

因垃圾發電廠燃燒運行控制特性，其煙氣溫度雖受諸多因素影響，如換熱表面特性、傳熱系數和管內外工質流速，但其排煙溫度在一天中的最高和最低溫度差別不大。根據上述傳熱公式，在試驗中，需要對不同條件下的受熱面狀況開展模擬且測出相關數據（Cp，Δt，S，ΔT），從而計算各種工況下的總傳熱系數，供設計余熱回收設備提供參考，傳熱試驗工作流程如圖1所示。

（二）傳熱系數計算

總傳熱系數K計算公式：K=1/（1/Aw+δ/λ+1/An） ，W/（㎡·℃）。其中，An，Aw是內、外表面熱交換系數，W/（㎡·℃）;δ是管壁厚度，m;λ是管壁導熱系數，W/（m·℃）。

根據公式，對光管與翅片管在不同煙氣流速中的傳熱系數的計算分析，在實際計算中，需考慮把工質側熱阻、煙氣側熱阻和管壁熱阻分別與光管和翅片管進行試驗，同時進行比較。通過查閱文獻、資料對比分析可以發現無論是管壁熱阻還是工質側熱阻，都不如煙氣側熱阻影響大，這表明傳熱狀況受傳熱面積的影響不是很大，但是與煙氣側傳熱情況有直接關聯。同時在其他條件完全相同的情況下，翅片管相比光管傳熱系數更高，翅片管不僅擴大了傳熱面積，也降低了熱阻，極大地強化了換熱能力。

二、余熱回收工程應用

（一）煙氣物性修正

生活垃圾中有一半都是水，煙氣中的水蒸氣含量相比很高，而煙氣的物理性質主要取決于煙氣溫度和水蒸氣含量，因而可以對其物性進行修正來減少誤差。經檢驗得，垃圾焚燒廠入爐垃圾含水率是20.31%，鍋爐出口處過量空氣系數為1.875%，燃燒中的水蒸氣容積份額為0.2250[1]。

（二）煙氣余熱回收運用

一臺額定垃圾處理量為400t/d的生活垃圾焚燒爐，在投入生產使用了十年后，由于各受熱面積灰結焦的原因，鍋爐的換熱效率大幅度降低;另一方面由于近年來入爐垃圾的熱值不斷提高，爐膛輸入的熱量增加，導致排煙溫度遠遠超過設計值，最高能夠到達270℃[2]。對此，可以采取煙氣余熱回收技術，在省煤器后設計加裝一組換熱器，利用排煙的熱量加熱一次風，降低排煙溫度，同時也可以降低鍋爐和汽輪機的空預器抽汽量，提高鍋爐熱效率和經濟性。需要考慮的問題是煙氣中含有大量灰塵顆粒，必須采取防止積灰措施，同時煙氣側管束在鍋爐低負荷時會出現低溫酸腐蝕，因此，換熱器可按照兩級設計布置，考慮到成本經濟性，煙氣側高溫區采用碳鋼、低溫區采用ND鋼，空氣側則可都使用碳鋼[3]。

（三）工藝流程

目前的生活垃圾焚燒爐主要是從垃圾坑抽取一次風（可以維持垃圾坑負壓），再通過空預器用鍋爐和汽輪機抽取的高溫蒸汽加熱后，經風管送到爐膛中干燥及助燃。如果設計上述余熱回收利用設備，能夠直接將排煙熱量回收用于初步加熱一次風，提高進入空預器的一次風溫度，此系統投入使用后可以降低鍋爐和汽輪機的空預器蒸汽消耗，在一定程度上增加發電量，提高鍋爐的熱效率和機組經濟性。同時，在保障管束安全使用前提下適當降低鍋爐給水溫度，也可以提高排煙余熱利用率，并且除氧器是利用亨利定理和道爾頓氣體分壓定理原理通過蒸汽加熱汽化除氧，這樣也可以減少汽輪機二抽蒸汽耗量，增加機組發電量。為了控制和避免管束的低溫腐蝕，調整給水溫度須保證受熱面壁溫維持在煙氣酸露點的溫度以上。

（四）改造效益分析

通常來說，煙氣流速對于傳熱效果影響很大，在煙氣流速較高時，傳熱效果不好，并且流速過快，不但會磨損受熱面，也會增加流動阻力。根據相關資料表明：在煙氣流速為9m/s時，余熱回收系統所增加的阻力大約在400Pa，這對于鍋爐主體來說不會產生太大影響，使用鍋爐排煙余熱加熱一次風，進而可降低一次風空預器鍋爐和汽機的抽汽量。通過粗略計算，在投用余熱回收利用設備后，排煙溫度降低，鍋爐熱效率提升了4.3%，同時也降低了部分蒸汽耗損，增加發電量。從能量平衡角度分析，去估算結果，余熱回收設備若每年投運6000小時，能夠增加發電收益61萬，設備投資為65萬，投資回收期為13個月[4]。

三、結束語：

垃圾發電廠煙氣余熱利用是節能減排的一項重要內容，同時也能提高經濟效益，余熱回收設備成熟可靠，對于主系統的干擾少。本文從實驗原理和傳熱系數兩方面著手，綜合分析了傳熱問題，同時探究了余熱回收利用，從工藝流程和改造效益方面指明了煙氣余熱回收的價值。

參考文獻：

[1]滕葉. 垃圾發電廠煙氣余熱回收技術研究與應用[J]. 機電信息， 2017（36）：108-110.

[2]張國柱. 火電廠煙氣余熱回收利用技術優化與應用分析[J]. 能源與節能， 2013（12）：170-172.

[3]唐東林. 生物質能發電廠煙氣余熱回收技術應用與效益[J]. 企業技術開發， 2012（31）：48-50.

[4]李會濤. 煙氣余熱回收技術在電廠中的應用[J]. 科技資訊， 2013（7）：131-131.