1 煙氣余熱利用的前景

 

  1.1 我國余熱資源情況

 

  余熱資源是指在現有條件下，在能源利用設備中沒有被利用的多余或廢棄的能源，是有可能回收而尚未回收的能量，廣泛存在電站鍋爐及工業設備中。從其來源分可分為高溫煙氣余熱、冷卻介質余熱、廢汽廢水余熱、高溫產品和爐渣余熱、化學反應余熱、可燃廢氣廢液和廢料余熱等六類，其中，高溫煙氣余熱總量約占余熱總資源的50%，冷卻介質余熱占余熱總資源的20%，廢汽廢水余熱占11%。

 

  余熱屬于二次能源，我國余熱資源豐富，各種工業爐窯的能量支出中，廢氣余熱約占15%～35%，鍋爐煙氣熱損失是各項熱損失中最大的一項，一般在5%～8%之間。特別是在鋼鐵、電力、有色、化工、水泥、建材、石油與石化、輕工、煤炭等行業，余熱資源約占其燃料總消耗量的17%～67%，其中可回收率達60%。目前，我國余熱資源利用比例低，大型鋼鐵企業余熱利用率約為30%～50%，其他行業則更低，余熱利用提升潛力大。

 

  高溫煙氣的排煙溫度高一直是影響鍋爐經濟運行的主要原因。國家質檢總局頒布的《鍋爐節能技術監督管理規程》也明確規定，“鍋爐排煙溫度設計應當綜合考慮鍋爐的安全性和經濟性，并且符合以下要求：（一）額定蒸發量小于1t/h的蒸汽鍋爐，不高于230℃；（二）額定蒸發量小于0.7MW的蒸汽鍋爐，不高于180℃。”為減輕低溫腐蝕，一般排煙溫度設計在130℃～150℃，但由于尾部受熱面積灰、腐蝕、漏風和燃燒工況的影響，實際運行排煙溫度大都高于設計值20℃以上，燃用高硫煤的鍋爐排煙溫度甚至高達200℃。排煙溫度每升高10℃，鍋爐熱效率約下降1%。對大型發電鍋爐，鍋爐效率已高達90%～94%，哪怕鍋爐效率提高1%，其經濟效益和社會效益也是巨大的，因此鍋爐的運行效率直接影響企業的經濟效益。如果能有效利用這些余熱，則可節約大量能源，減少大氣污染，且降低企業生產成本，因此余熱利用對我國實現節能減排及環保戰略具有重要的現實意義。

 

  1.2 燃煤電廠的發展

 

  目前， 我國煤炭產量約一半用于發電， 約73.4%的裝機是火電機組，發電量的81%來自火電。

 

  一次能源結構決定了我國在相當一段時間內以化石燃料為主要能源。火電裝機仍然在發電裝機中占有決定性地位。發電企業燃料成本占全部成本的70%以上。

 

  電力生產是工業經濟發展的原動機和國民生活的基本保障。從2007～2011各年度數據看，火力發電量成穩定增長態勢，火力發電量占全口徑發電量的比重穩定波動，2011年比重呈現波峰增長態勢。

 

  2011年我國電源建設火電投資為1054億元，其中煤電投資為903億元，占火電投資的85.67%。中國煤炭消費34.25億噸，占一次能源消費總量近7成，煤炭產量約一半用于發電。年我國火力發電裝機容量為76546萬千瓦，其中煤電70667萬千瓦，比例高達92.32%，2010年這一比例為92.00%。2011年火電裝機容量占發電總裝機容量的72.50%，火電發電量占全口徑發電總量的82.45%。

 

  圖1 2007~2011全口徑發電量與火電發電量情況及2011電力生產構成雖然近幾年民眾和政府環保意識不斷加強，政府對節能減排工作力度不斷加大，火電裝機容量占總發電裝機容量的比重及同比增長情況有所下降，但是二者下降均非常有限。從截至2007-2011各年底發電裝機總容量及火電裝機容量來看，均處于平穩增長趨勢。火力發電裝機容量增長維持在8%以上，每年新增發電裝機容量中，火力發電仍然是重中之重。天然氣、水電、風能以及太陽能等清潔能源比重偏低，其發展任重道遠。火力發電裝機容量及火力發電量占絕對比重的情況將在我國長期存在。“十二五”期間，全國規劃煤電開工規模3億千瓦，投產規模2.9億千瓦。

 

  1.3 煤電機組大氣污染情況

 

  2011年全國火電裝機容量和發電量分別比上一年增長8.17%和14.16%，2009年全國電力煙塵年排放量為235萬噸，2011年就降到155萬噸；2009年全國二氧化硫排放總量為2214.4萬噸，電力行業二氧化硫排放量約占全國排放總量的46.4%，為1027.5萬噸。2011年全國電力二氧化硫排放降到913萬噸，電力行業二氧化硫排放量約占全國排放總量的比重降到41.2%；2009年全國氮氧化物排放總量為1692.7萬噸，電力行業氮氧化物排放量約占全國排放總量的49%，截止2011底，全國已投運脫銷機組1.4億千瓦，具有年脫除氮氧化物140萬噸的能力。

 

  說明近幾年來，電力行業污染物排放大幅度下降，在全國所占的比例也同時降低。

 

  1.4 “十二五”煤電發展趨勢

 

  節能、減排是電力行業“十二五”發展的重要方向，是火電廠必須完成的硬指標。《節能減排“十二五”規劃》中明確提出了“十二五”期間火電廠供電煤耗、二氧化硫排放量、氮氧化物排放量等指標要求，如表1所示：

 

  國家最新出臺的《火電廠大氣污染排放標準（2011）》已經對火電廠的煙塵、二氧化硫及氮氧化物等重要污染物的排放均提出了比發達國家更加嚴格的指標。這就要求發電企業必須采用效率更高的除塵、脫硫和脫硝設備，必須采用生成氮氧化物超低的新一代低NOx燃燒技術，這將大大地增加企業的環保成本。

 

  因此，發電企業面臨污染物排放的總量控制和指標控制的雙重壓力，不得不在提高機組參數、提高效率、節水、節油、節電以及余熱回收方面下功夫，這增加了電廠投資和運行成本。對鍋爐輔助設備制造廠來說帶來了新的市場，對煙氣余熱回收這種新項目的推廣帶來了不可多得的機遇。

 

  1.5 煤電鍋爐余熱利用情況

 

  電站鍋爐是現代火力發電廠的主要設備之一，鍋爐排煙熱損失是電站鍋爐各項熱損失中最大的一項，一般在5%～8%之間，占鍋爐總熱損失的80%或更高。一般來說，排煙溫度每升高10℃，鍋爐熱效率大約降低1.0%，發電煤耗增加2克/千瓦時左右。

 

  我國“十二五”煤電發展的目標是從機組運行經濟性分析、設備質量以及燃料管理等多個方面入手，在燃煤發電生產過程中減少煤源消耗、降低供電煤耗，實現2015年比2010年通過火電煤耗下降而節約標煤3523萬噸。推動煤電繼續向大容量、高參數、環保型方向發展，優化機組運行方式。實現電力生產的綠色發展，化石燃料的高效清潔利用，燃煤電廠煙氣余熱深度回收利用，火電廠煙塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物的達標排放成為重要課題。

 

  煙氣余熱利用換熱器是有助于實現電力生產綠色發展的有效鍋爐輔助設備，目前在我國還處于起步階段。

 

  2012年國家發改委、國家能源局、財政部以[2012]1662號文下發了《關于開展燃煤電廠綜合升級改造工作的通知》，要求各發電企業針對單機容量大于10萬千瓦、小于100萬千瓦的燃煤機組實施綜合升級改造，項目的年節能量包括發電降耗和供熱改造提效兩部分，并給予一系列優惠政策的支持。其中鍋爐系統改造項目列為首項的是“鍋爐排煙余熱回收利用”，升級提效的效果是“采用煙氣余熱利用換熱器技術，若排煙溫度降低30℃，機組供電煤耗可降低1.8克/千瓦時，脫硫系統耗水量減少70%”。目前鍋爐煙氣余熱回收已是一項成熟技術，適用于排煙溫度比設計高20℃的機組運用。國家發改委等三部委文件的下發，對煙氣余熱回收利用起到了助推的作用。

 

  煙氣余熱回收技術不止是只有加裝一級煙氣余熱利用換熱器的簡單方案，對于燃用高水分褐煤的電站鍋爐，煙氣體積含水量達15%左右，與燃用煙煤鍋爐相比排煙攜帶更大熱量，排煙溫度可能高達150℃～160℃。因此，燃用褐煤鍋爐的排煙余熱回收技術，還需要采用高效的梯級煙氣余熱利用方案，即煙氣余熱分兩級利用，高溫段與空氣預熱器并列設置旁路省煤器（換熱器），其中一部分用來加熱給水泵后的高壓給水，另一部分加熱低壓給水；低溫段是在除塵器后設置煙氣-水-空氣換熱器，用煙氣回收的熱量加熱冷空氣，作為空氣預熱器冷風進口的暖風器。兩級回收系統投資高，但具有更好地節能效果，該項技術已于2002年在德國百萬千瓦超超臨界機組上使用，增加設置了高效煙氣余熱回收系統后，發電標煤耗降低7克/千瓦時。煙氣余熱回收循環流程如下圖3所示：

 

  目前我國褐煤機組上還沒有使用過這樣的余熱回收系統，僅僅在600MW褐煤超臨界機組系統設計中開始考慮采用該方案。初步預測常規煙氣余熱利用方案與無煙氣余熱利用方案相比，降低供電煤耗1.5克/千瓦時，而高效兩級煙氣余熱利用方案可降低供電煤耗5克/千瓦時以上。由此可見，對于褐煤機組煙氣余熱回收的經濟社會效益更加顯著。

 

  2 煙氣余熱利用換熱器產品介紹

 

  省煤器是鍋爐重要部件之一，是在鍋爐尾部煙道中加熱鍋爐給水的受熱面，起到節省燃料和降低排煙溫度的作用。而煙氣余熱利用換熱器為近年來的行業新產品，其既可以通過改造方式加裝在原有鍋爐上，也可以安裝在新建鍋爐上。從1985年開始，我國開始引進國外“煙氣深度冷卻余熱利用”技術，進行煙氣余熱利用換熱器的研究。進入21世紀，針對行業中的關鍵技術，國內制造商加大了研究力度和投入，針對煙氣深度冷卻余熱利用技術所涉及的酸腐蝕和積灰問題進行重點突破。隨著國內材料技術、外擴展受熱面技術及火電行業整體技術水平的提高，鍋爐輔助設備行業技術也取得了重大進展，“煙氣深度冷卻余熱利用”中的酸腐蝕和積灰等關鍵性難題得到突破。我國煙氣余熱利用換熱器制造開始進入技術創新和突破的新時期。

 

  近幾年，煙氣余熱利用換熱器原材料成本逐步走低，電煤價格卻步步攀升，火電行業最大的成本支出為煤等化石燃料，發電煤耗指標的高低決定著火電行業的盈虧。同時在節能環保意識不斷增強、國家對火電廠節能減排工作要求不斷提升的情況下，實現節能降耗、減排環保對發電企業變得日益重要。降低排煙溫度成為火電行業實現節能降耗、減排環保的重要途徑之一。目前煙氣余熱利用換熱器在國內電廠的應用處于起步階段。

 

  煙氣余熱利用換熱器

 

  煙氣余熱利用換熱器采用翅片管作為傳熱元件，翅片管內通水，煙氣流經翅片管外壁，因水溫低于煙氣溫度，水經翅片管吸收煙氣的熱量，水溫升高的同時使煙氣溫度降低。煙氣溫度通過傳統省煤器的吸熱從400℃降至130℃，再通過煙氣余熱利用換熱器降到85℃左右，并將這部分煙氣余熱進行利用，達到節能降耗、減排環保的目的。煙氣余熱利用換熱器通過降低鍋爐排煙溫度達到回收的煙氣余熱。

 

  2.1 節能降耗

 

  2.1.1 加熱凝結水。從某級低加取水（部分或者全部），經煙氣余熱利用換熱器加熱后，回水至溫度更高一級的低加，可與某級低加并聯也可串聯于兩臺低加之間。通過減少低壓加熱器從汽輪機的抽氣量，提高汽輪機發電能力，達到改善機組整體循環效率的目的。

 

  2.1.2 加熱熱網水用于供熱，也可作為冷暖空調的熱源。

 

  2.1.3 用于加熱脫硫后的低溫煙氣（相當于GGH的功能）。布置在脫硫塔之前的煙氣冷卻器與脫硫塔之后的煙氣加熱器的工質形成一個閉式循環系統。煙氣余熱利用換熱器加熱工質，工質在煙氣加熱器側放熱，加熱低溫煙氣，其具有降低煙囪的低溫腐蝕作用；同時有利于消除煙囪的“煙羽”（影像視覺效果）、“石膏雨”（污染環境）的現象。與GGH相比，換熱器無轉動部件，具有不漏風（原煙氣側與凈煙氣側實現完全隔離）、不易堵塞、換熱面易于清理的優點。

 

  2.1.4 作為暖風器的熱源，加熱鍋爐進風。

 

  2.2 節水

 

  除以上用途可實現節能降耗之外，將煙氣余熱利用換熱器安裝于脫硫塔之前，有利于降低脫硫系統為使煙塵溫度降至脫硫最佳工藝溫度的強制冷卻耗水量，具有“節水”的功效。

 

  2.3 減排

 

  在電除塵器之前加裝煙氣余熱利用換熱器，降低進入電除塵器的煙氣溫度，可以降低煙氣體積流量，降低煙氣流速，同時降低飛灰比電阻，從而大大提高電除塵器的除塵效率。對電袋復合式除塵器或布袋除塵器而言，降低煙氣溫度，可提高除塵器濾袋的使用壽命，延長濾袋的更換周期，減少電廠的維護費用。

 

  3 煙氣余熱利用換熱器行業發展推動因素及需求情況3.1 火電行業的大發展帶來的市場新增需求

 

  隨著我國經濟的持續高速增長和對電力的需求擴大，2011年火力發電量達到3.90萬億千瓦時，電站鍋爐產量達到53.88萬蒸發量噸。持續增長的電力需求為煙氣余熱利用換熱器創造了市場空間。

 

  根據相關規劃，我國火力發電裝機量2015年將達9.28億千瓦，2020年裝機量將達11.7億千瓦，比2011年的7.07億千瓦有大幅提升。

 

  目前，全國火電裝機容量達7.7億千瓦，增長38.8%。全國30萬千瓦及以上大型火電機組占火電機組比重由62.5%提高到76%，其中，60萬千瓦及以上清潔機組占火電機組比重已達39%。新建機組將以60萬千瓦機組為主，30萬千瓦機組居其次，100萬千瓦機組將得到大力發展。

 

  國家“節能減排”政策推動新型省煤器的發展節能減排是我國未來社會發展的重要工作。煙氣余熱利用換熱器通過對煙氣余熱的二次吸收，有效節約能源，提高煤利用效率，利于煤炭深加工利用的實現，將有效推動煤電機組滿足《節能減排“十二五”》中對火電行業單位機組每千瓦時的發電耗煤量減少8克的節能要求。

 

  根據我國電力發展規劃，估算出我國在役火電機組增配煙氣余熱利用換熱器產品的市場容量。預計2012年市場規模約3.9億元，2013年為16億元，至2016年將達到24億元左右。具體如下圖7所示：

 

  4 我國煙氣余熱利用換熱器市場競爭情況

 

  目前我國煙氣余熱利用換熱器領域主要企業有青島達能環保設備股份有限公司、濟南達能動力技術有限責任公司、上海格林熱能設備有限公司、北京沃德信實德環保科技有限公司、福建龍凈環保股份有限公司及江蘇海德節能科技有限公司。

 

  目前從事煙氣余熱利用換熱器產品設計和制造的企業數量較少，部分廠家原為除塵器生產廠家，其在煙氣余熱利用換熱器產品方面的技術儲備較少，專業性較弱，以上海成套、青島達能以及傳統省煤器生產廠家為代表的企業，其具有一定的技術儲備，研發實力較強，具有一定競爭優勢。目前該領域投標也主要由上述幾個廠家最終入圍并參與，占據了絕大部分市場份額，其中青島達能環保設備股份有限公司在行業中占據優勢位置。

 

  5 行業發展存在的主要問題及對策建議

 

  節能減排是我國當前推動工業可持續性發展的國策。隨著《節能減排“十二五”規劃》的實施，我國火電行業在培養大型化、規模化的大中型電站的同時，向低能耗、低排放的方向發展，而煙氣余熱利用換熱器能夠在降低大型火電鍋爐能耗的基礎上進一步提升除塵器的除塵效果，在政策和市場需求的雙重推動下，煙氣余熱利用換熱器未來將迎來廣泛的市場空間。雖然國內開展燃煤電廠余熱深度利用研究已有較長時間，但煙氣余熱利用換熱器技術的成熟及應用始于近兩年，仍存在推廣及應用速度緩慢及市場機制不健全、產品標準不統一、技術交流欠缺等問題。

 

  針對上述問題，相關協會及政府部門應首先充分發揮政策的導向作用，積極扶持煙氣余熱利用換熱器骨干企業并提高其自主創新能力，健全行業的市場管理機制，規范監督管理；其次還應進一步加強國際交流與合作，加強國內新型省煤器生產企業與國外同行業先進企業的溝通交流，推動技術引進與吸收，不斷提高行業的整體水平。