0 引言

 

  我國有80%左右的電能靠煤電產生，而燃煤產生的大量熱能并未得到充分地利用。在當今“市場煤、計劃電”的大背景下，隨著煤價高企，發電企業虧損日益嚴重，如何充分利用煤炭燃燒產生的熱能，提高熱能的利用效率， 為發電企業創造更多的價值來彌補部分利益上的損失顯得十分重要。

 

  在火力發電廠中， 鍋爐尾部煙氣及鍋爐連續排污水以及爐底排渣的熱量可以通過各種技術進行充分利用，以提高全廠的熱效率。在可以獲得較好經濟效益和環境效益的前提下利用這些熱量就顯得更為重要。鍋爐的余熱利用有很多種方式［1-4］，比如利用鍋爐尾部煙道的煙氣熱量加熱給水的省煤器、在尾部煙道中利用煙氣熱量加熱參與爐膛燃燒空氣的空氣預熱器、利用鍋爐的連續排污水的熱量加熱給水的給水加熱器， 利用爐膛底部爐渣的熱量加熱參與鍋爐燃燒的空氣和給水， 除了這些常規的利用方式外， 還有利用鍋爐連排水進行直接發電的裝置以及深度利用鍋爐尾部煙氣熱量的裝置等。本文將詳細介紹和分析目前技術較為成熟、性能較為可靠、針對汽水系統的廢熱和鍋爐排煙系統的低溫余熱回收利用的技術及應用效果。

 

  1 鍋爐低溫余熱利用技術

 

  1.1 鍋爐汽水系統的余熱利用技術

 

  對火電廠鍋爐汽水系統的余熱利用主要集中在2 個方面： 一是利用鍋爐連排水所含的高品位熱能做功，驅動發電機發電，剩余的水汽混合物則送至熱水站，全部回收再利用，并生產出可供周圍企業或居民使用的熱水； 二是連排水直接引入加熱器加熱給水，屬于常規的熱能利用，效率較低。

 

  利用熱水的熱能驅動發電做功的原理已有相關文獻介紹，本文主要介紹利用鍋爐連排水依靠螺桿膨脹動力機，通過聯軸器帶動發電機發電的裝置，其做功的機理及基本構造如圖1 所示。做功后排出的水汽混合物可全部進入熱水站加熱水， 向社會供熱水或供暖。并且可以利用排污余熱加熱鍋爐給水，減少爐內水在爐膛內所吸收的熱量，提高燃料的利用效率。

 

  螺桿膨脹動力機發電的機理是： 首先用于做功的高溫熱污水進入機內螺桿齒槽A， 繼而推動螺桿轉動，伴隨螺桿轉動，齒槽A 逐漸旋轉至B、C、D，且容積逐漸變大，熱水降壓、降溫膨脹做功，最后由齒槽E 排出。做功輸出的功率由主軸陽螺桿輸出，也可以通過同步齒輪由陰螺桿輸出， 從而驅動發電機發電。螺桿膨脹發電機是目前可以適應過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相混合物、熱液以及高鹽分低品質流體的發電設備， 可以很好地適應鍋爐連排水不穩定的壓力、溫度和不均衡的流量，并能在部分負荷、變轉速甚至較惡劣的工況下運行，可做到無人值守，節省人工成本。

 

  1.2 鍋爐排煙系統的余熱利用技術

 

  火電廠鍋爐各項熱損失中，排煙熱損失最大，一般占到了熱量的5%～12%， 甚至占到鍋爐總熱損失的80%或者更高。一般情況下，排煙溫度每升高10℃，排煙熱損失就會相應增加0.6%～1.0%， 發電煤耗增加2g/（kW·h）左右。我國現役火電機組中，鍋爐排煙溫度一般在125～150 ℃（燃燒褐煤的鍋爐在170 ℃左右）［7-8］。排煙溫度偏高是一個普遍存在的現象，也由此造成巨大的熱量損失。回收這部分余熱主要依靠在排煙系統中安裝煙氣冷卻器， 通過水及空氣等導熱介質將熱能傳導至鍋爐的給水系統和進氣系統用于加熱助燃空氣、凝結水或生產、生活用熱水，以達到節能的目的。由于煙氣冷卻后可能會導致SO2等酸性腐蝕氣體結露腐蝕煙囪或其他管壁， 在實際應用過程中需要格外注意。

 

  煙氣深度冷卻器源于歐美地區， 可以較大程度地降低煙氣溫度， 在丹麥成功完成了燃煤鍋爐排煙溫度由190℃降低到90℃的實踐， 節能效果明顯。

 

  當溫度較高的煙氣通過冷卻器時， 與冷卻器內翅片管束中的水進行熱量交換，水吸收余熱后溫度上升，從而降低煙氣的溫度。在具體設計時，要根據需要，如鍋爐排煙的溫度、所燃用煤種的酸露點溫度、煙氣的除塵方式、脫硫系統和煙道與煙囪的布置等因素，來確定冷卻器的布置形式和安放位置。由于實際運行工況與設計排煙溫度可能存在較大的差距， 新建工程在設計階段就應預留下安裝冷卻器及相關系統器件的位置。冷卻器分高低溫布置在除塵器前后的示意如圖2 所示［9］。

 

  圖2 所示的布置方式將冷卻器按高溫段和低溫段分開布置，高溫段布置于除塵器之前的煙道，低溫段布置于除塵器之后的煙道。采用此種布置方式的特點是， 可以先由除塵器之前的冷卻裝置將煙氣溫度降低到120℃左右， 這樣可以提高后側除塵器的工作效率，增強除塵效果，并能降低除塵器的能耗，對于布袋除塵器來說還可以延長布袋的使用壽命，防止其被高溫損壞；除塵器之后的冷卻裝置則將煙氣溫度進一步降低，充分利用其中的熱能。這種布置方式適合于：（1）除塵器進氣溫度在130～150℃或更高，煙氣溫度過高對除塵效率、布袋使用壽命造成影響的新建工程。（2）除塵器進氣溫度在130~150℃或更高， 且增壓風機有400 Pa 左右裕量的改造工程。（3）煙氣溫度在130℃左右，在除塵器后部加裝高低溫段整合為一的冷卻器空間不足，且增壓風機有400 Pa 左右裕量的改造工程。

 

  除上述布置方式以外， 還可以將冷卻裝置的高溫段和低溫段合一或分別布置在除塵器之后， 要視具體情況、具體需求來選擇，這樣方能達到最佳熱量回收效果，節約能源和成本。

 

  2 相關技術的應用實例

 

  2.1 汽水系統的余熱利用實例

 

  某2×200MW 機組采用了螺桿膨脹動力機利用鍋爐連排水熱能驅動發電， 并且發電做功后余熱再次全部回收送入熱水收集水箱， 生產熱水供給電廠附近的市區及其周邊用戶使用，實現污水零排放，有利于環境保護和能源資源的高效利用， 符合循環經濟的發展理念。

 

  該廠所用鍋爐是東方汽輪機廠生產的DG-670/13.7-8 型超高壓、中間再熱、單汽包自然循環固態排渣鍋爐，額定蒸發量為670 t/h，2 臺鍋爐的設計連續排污流量約為12 t/h， 實際運行流量為8～10 t/h。

 

  電廠最初的連排水利用方式是將連排水排入連排擴容器，擴容后的蒸汽進入除氧器回收，連排擴容器內的疏水經過定排擴容器排入地溝。改造后，通過加裝螺桿膨脹動力機驅動發電機發電。初期試驗采用1臺鍋爐， 通過調節鍋爐頂部汽包排污閥門開度到達設計流量時， 螺桿膨脹動力機驅動的發電機組發電功率可達200 kW。運行實踐表明，機組運行安全可靠， 沒有出現影響汽輪發電機組安全運行的重大問題，且實現了無人值守，基本無需維護。后又對另外1 臺機組的鍋爐進行了加裝螺桿膨脹動力發電機的改造。在2 臺鍋爐正常的排污流量情況下，螺桿膨脹動力發電裝置可以達到300 kW 的滿負荷額定容量運行，且運行正常。

 

  節能減排效益測算條件： 按螺桿膨脹動力發電機組2 臺鍋爐正常運行情況下，連排水可發電300 kW計算，螺桿動力機自身消耗1.1kW，鍋爐年運行小時數為6 500 h，上網電價按0.35 元/（kW·h）計算。2 臺200 MW 機組采用螺桿動力發電機對鍋爐連排水進行回收利用，全年可增加發電量（300-1.1）×6 500 =194.285 萬kW·h，可獲得發電收入68.0 萬元，并且還可向社會提供熱水，又進一步增加了節能效益。按機組的發電煤耗率為320 g/（kW·h）計算，年可節省標準煤621.71 t。若按每噸煤燃燒要排放CO2 1.98 t計算，年可減少CO2排放1 231 t。利用發電后的鍋爐連排水還可以生產出大量生產、生活用熱水，使周邊成本高、污染重的小鍋爐逐步關停，進一步減少了污染物的排放，環境效益進一步擴展，成效會更加明顯。

 

  2.2 排煙系統的余熱利用實例

 

  某電廠300MW 機組采用煙氣深度冷卻器進行了技術改造： 在增壓風機之后到脫硫塔之前的煙道增加煙氣冷卻裝置， 把給水從6 號低壓加熱器前通過管道引入煙氣冷卻裝置， 加熱后再回到5 號低壓加熱器，這樣可以使排煙溫度由152℃降低到108℃，低壓給水從83.8℃加熱到103.7℃。改造需加裝的主要設備包括煙氣冷卻器等相關裝置、控制系統、閥門和管道，節能技改投資額約為640 萬元，改造用時約45 d［9］。

 

  節能減排及經濟效益測算的條件為：（1）按實施改造后的機組使排煙溫度降低44℃時，可使機組的發電煤耗降低約4 g/（kW·h）；（2）300 MW 機組發電設備年利用小時數為4500h；（3）標準煤價為800 元/t。

 

  增加排煙系統的煙氣深度冷卻器可實現年節約標準煤5 400 t，年節約燃料購置費432 萬元，設備改造的投資不到2 a 可收回。若按每噸煤燃燒排放CO21.98 t 計算，年可減少CO2排放10 692 t。經濟效益和環境效益明顯。

 

  3 前景展望

 

  我國2010 年全年火力發電量33 301.3億kW·h［10］，粗略估計燃煤發電30 000 億kW·h。以加裝煙氣深度冷卻器為例，排煙溫度平均每降低10 ℃，可減少發電煤耗2 g/（kW·h）左右，按實際應用時降低溫度20℃可減少發電煤耗約4g/（kW·h）， 全國全年燃煤可節約標準煤1 200 萬t； 若按每噸煤燃燒要排放CO2 1.98 t 計算，全國全年可減少CO2排放2 376 萬t；按標準煤價為800 元/t 計算， 全國全年可節省資金190 億元，經濟和減排效益極為可觀。如果同時還采取其他節能措施，經濟和環保效果將更為明顯。

 

  雖然這類熱能回收再利用技術有諸多優點，但目前還少有發電企業大規模使用這項技術， 一方面受場地、資金、設備技術條件的制約，機組改造有難度；另一方面新建機組效率較原有機組有所提高，在收回成本之前發電企業無意再投資加裝余熱深度利用裝置， 并且有些燃煤機組所用燃料不適于過低降低排煙溫度，否則會造成煙道尾部設備的腐蝕，影響機組的正常運行。國家發展和改革委員會提出“十二五”期間要采取十大措施促進節能減排工作，其中第五點提到“大力發展循環經濟， 提高資源產出效率”。編制和實施全國循環經濟發展規劃和重點領域專項規劃，深化循環經濟典型示范試點，推廣循環經濟典型示范和典型模式， 組織實施循環經濟“十百千”示范工程（循環經濟十大工程、百家示范城鎮、千家示范企業），實現循環經濟發展由試點到示范推廣的轉變。相信這些節能減排及經濟效果明顯的技術會大范圍推廣。

 

  4 結語

 

  通過對鍋爐低溫余熱技術和實際應用案例的分析看出， 對鍋爐余熱進行利用可以產生可觀的經濟效益和環境效益。近年來，我國面臨的節能減排壓力越來越大， 作為耗能大戶的各發電集團公司及其所屬電廠如何積極推廣應用新技術， 提高電廠的綜合節能減排水平，既是電廠本身降低消耗、減少虧損、提高效益的自身追求， 又是切實履行企業應盡的社會責任的需要。余熱利用這項節能技術是科技創新在火電廠節能減排、增加企業效益的具體體現，為提高能源利用效率減輕發電企業虧損拓展出了一條的可靠途徑.