余熱利用

燃煤鍋爐低溫余熱利用技術(shù)應(yīng)用分析

  0 引言
 
  我國有80%左右的電能靠煤電產(chǎn)生,而燃煤產(chǎn)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(fā)電企業(yè)虧損日益嚴重,如何充分利用煤炭燃燒產(chǎn)生的熱能,提高熱能的利用效率, 為發(fā)電企業(yè)創(chuàng)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(fā)電廠中, 鍋爐尾部煙氣及鍋爐連續(xù)排污水以及爐底排渣的熱量可以通過各種技術(shù)進行充分利用,以提高全廠的熱效率。在可以獲得較好經(jīng)濟效益和環(huán)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(yù)熱器、利用鍋爐的連續(xù)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(guī)的利用方式外, 還有利用鍋爐連排水進行直接發(fā)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(shù)較為成熟、性能較為可靠、針對汽水系統(tǒng)的廢熱和鍋爐排煙系統(tǒng)的低溫余熱回收利用的技術(shù)及應(yīng)用效果。
 
 
  1.1 鍋爐汽水系統(tǒng)的余熱利用技術(shù)
 
  對火電廠鍋爐汽水系統(tǒng)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(qū)動發(fā)電機發(fā)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(chǎn)出可供周圍企業(yè)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(guī)的熱能利用,效率較低。
 
  利用熱水的熱能驅(qū)動發(fā)電做功的原理已有相關(guān)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(lián)軸器帶動發(fā)電機發(fā)電的裝置,其做功的機理及基本構(gòu)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(nèi)水在爐膛內(nèi)所吸收的熱量,提高燃料的利用效率。
 
  螺桿膨脹動力機發(fā)電的機理是: 首先用于做功的高溫污水進入機內(nèi)螺桿齒槽A, 繼而推動螺桿轉(zhuǎn)動,伴隨螺桿轉(zhuǎn)動,齒槽A 逐漸旋轉(zhuǎn)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(qū)動發(fā)電機發(fā)電。螺桿膨脹發(fā)電機是目前可以適應(yīng)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(zhì)流體的發(fā)電設(shè)備, 可以很好地適應(yīng)鍋爐連排水不穩(wěn)定的壓力、溫度和不均衡的流量,并能在部分負荷、變轉(zhuǎn)速甚至較惡劣的工況下運行,可做到無人值守,節(jié)省人工成本。
 
  1.2 鍋爐排煙系統(tǒng)的余熱利用技術(shù)
 
  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(yīng)增加0.6%~1.0%, 發(fā)電煤耗增加2g/(kW·h)左右。我國現(xiàn)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(xiàn)象,也由此造成巨大的熱量損失?;厥者@部分余熱主要依靠在排煙系統(tǒng)中安裝煙氣冷卻器, 通過水及空氣等導(dǎo)熱介質(zhì)將熱能傳導(dǎo)至鍋爐的給水系統(tǒng)和進氣系統(tǒng)用于加熱助燃空氣、凝結(jié)水或生產(chǎn)、生活用熱水,以達到節(jié)能的目的。由于煙氣冷卻后可能會導(dǎo)致SO2等酸性腐蝕氣體結(jié)露腐蝕煙囪或其他管壁, 在實際應(yīng)用過程中需要格外注意。
 
  煙氣深度冷卻器源于歐美地區(qū), 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(jié)能效果明顯。
 
  當溫度較高的煙氣通過冷卻器時, 與冷卻器內(nèi)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(shè)計時,要根據(jù)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(tǒng)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(shè)計排煙溫度可能存在較大的差距, 新建工程在設(shè)計階段就應(yīng)預(yù)留下安裝冷卻器及相關(guān)系統(tǒng)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(cè)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(jié)約能源和成本。
 
  2 相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用實例
 
  2.1 汽水系統(tǒng)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(qū)動發(fā)電, 并且發(fā)電做功后余熱再次全部回收送入熱水收集水箱, 生產(chǎn)熱水供給電廠附近的市區(qū)及其周邊用戶使用,實現(xiàn)污水零排放,有利于環(huán)境保護和能源資源的高效利用, 符合循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展理念。
 
  該廠所用鍋爐是東方汽輪機廠生產(chǎn)的DG-670/13.7-8 型超高壓、中間再熱、單汽包自然循環(huán)固態(tài)排渣鍋爐,額定蒸發(fā)量為670 t/h,2 臺鍋爐的設(shè)計連續(xù)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(nèi)的疏水經(jīng)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(qū)動發(fā)電機發(fā)電。初期試驗采用1臺鍋爐, 通過調(diào)節(jié)鍋爐頂部汽包排污閥門開度到達設(shè)計流量時, 螺桿膨脹動力機驅(qū)動的發(fā)電機組發(fā)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(xiàn)影響汽輪發(fā)電機組安全運行的重大問題,且實現(xiàn)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(fā)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(fā)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(jié)能減排效益測算條件: 按螺桿膨脹動力發(fā)電機組2 臺鍋爐正常運行情況下,連排水可發(fā)電300 kW計算,螺桿動力機自身消耗1.1kW,鍋爐年運行小時數(shù)為6 500 h,上網(wǎng)電價按0.35 元/(kW·h)計算。2 臺200 MW 機組采用螺桿動力發(fā)電機對鍋爐連排水進行回收利用,全年可增加發(fā)電量(300-1.1)×6 500 =194.285 萬kW·h,可獲得發(fā)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(jié)能效益。按機組的發(fā)電煤耗率為320 g/(kW·h)計算,年可節(jié)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(fā)電后的鍋爐連排水還可以生產(chǎn)出大量生產(chǎn)、生活用熱水,使周邊成本高、污染重的小鍋爐逐步關(guān)停,進一步減少了污染物的排放,環(huán)境效益進一步擴展,成效會更加明顯。
 
  2.2 排煙系統(tǒng)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(shù)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(shè)備包括煙氣冷卻器等相關(guān)裝置、控制系統(tǒng)、閥門和管道,節(jié)能技改投資額約為640 萬元,改造用時約45 d[9]。
 
  節(jié)能減排及經(jīng)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(fā)電煤耗降低約4 g/(kW·h);(2)300 MW 機組發(fā)電設(shè)備年利用小時數(shù)為4500h;(3)標準煤價為800 元/t。
 
  增加排煙系統(tǒng)的煙氣深度冷卻器可實現(xiàn)年節(jié)約標準煤5 400 t,年節(jié)約燃料購置費432 萬元,設(shè)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(jīng)濟效益和環(huán)境效益明顯。
 
  3 前景展望
 
  我國2010 年全年火力發(fā)電量33 301.3億kW·h[10],粗略估計燃煤發(fā)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(fā)電煤耗2 g/(kW·h)左右,按實際應(yīng)用時降低溫度20℃可減少發(fā)電煤耗約4g/(kW·h), 全國全年燃煤可節(jié)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(jié)省資金190 億元,經(jīng)濟和減排效益極為可觀。如果同時還采取其他節(jié)能措施,經(jīng)濟和環(huán)保效果將更為明顯。
 
  雖然這類熱能回收再利用技術(shù)有諸多優(yōu)點,但目前還少有發(fā)電企業(yè)大規(guī)模使用這項技術(shù), 一方面受場地、資金、設(shè)備技術(shù)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(fā)電企業(yè)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(shè)備的腐蝕,影響機組的正常運行。國家發(fā)展和改革委員會提出“十二五”期間要采取十大措施促進節(jié)能減排工作,其中第五點提到“大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟, 提高資源產(chǎn)出效率”。編制和實施全國循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃和重點領(lǐng)域?qū)m?a href="http://kaichele.cn/t/規(guī)劃.html" >規(guī)劃,深化循環(huán)經(jīng)濟典型示范試點,推廣循環(huán)經(jīng)濟典型示范和典型模式, 組織實施循環(huán)經(jīng)濟“十百千”示范工程(循環(huán)經(jīng)濟十大工程、百家示范城鎮(zhèn)、千家示范企業(yè)),實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展由試點到示范推廣的轉(zhuǎn)變。相信這些節(jié)能減排及經(jīng)濟效果明顯的技術(shù)會大范圍推廣。
 
  4 結(jié)語
 
  通過對鍋爐低溫余熱技術(shù)和實際應(yīng)用案例的分析看出, 對鍋爐余熱進行利用可以產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。近年來,我國面臨的節(jié)能減排壓力越來越大, 作為耗能大戶的各發(fā)電集團公司及其所屬電廠如何積極推廣應(yīng)用新技術(shù), 提高電廠的綜合節(jié)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(yè)應(yīng)盡的社會責任的需要。余熱利用這項節(jié)能技術(shù)科技創(chuàng)新在火電廠節(jié)能減排、增加企業(yè)效益的具體體現(xiàn),為提高能源利用效率減輕發(fā)電企業(yè)虧損拓展出了一條的可靠途徑.