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(fā)電企業(yè)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(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(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及應用效果。

 

  1 鍋爐低溫余熱利用技術

 

  1.1 鍋爐汽水系統(tǒng)的余熱利用技術

 

  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。

 

  利用熱水的熱能驅動發(fā)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(fā)電機發(fā)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(fā)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(fā)電機發(fā)電。螺桿膨脹發(fā)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(fā)電設備， 可以很好地適應鍋爐連排水不穩(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

 

  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(fā)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?；厥者@部分余熱主要依靠在排煙系統(tǒng)中安裝煙氣冷卻器， 通過水及空氣等導熱介質將熱能傳導至鍋爐的給水系統(tǒng)和進氣系統(tǒng)用于加熱助燃空氣、凝結水或生產、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(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(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(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 相關技術的應用實例

 

  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， 生產熱水供給電廠附近的市區(qū)及其周邊用戶使用，實現污水零排放，有利于環(huán)境保護和能源資源的高效利用， 符合循環(huán)經濟的發(fā)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(huán)固態(tài)排渣鍋爐，額定蒸發(fā)量為670 t/h，2 臺鍋爐的設計連續(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(fā)電機發(fā)電。初期試驗采用1臺鍋爐， 通過調節(jié)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(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， 沒有出現影響汽輪發(fā)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(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(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(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(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)電設備年利用小時數為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年節(jié)約標準煤5 400 t，年節(jié)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(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， 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(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)經濟， 提高資源產出效率”。編制和實施全國循環(huán)經濟發(fā)展規(guī)劃和重點領域專項規(guī)劃，深化循環(huán)經濟典型示范試點，推廣循環(huán)經濟典型示范和典型模式， 組織實施循環(huán)經濟“十百千”示范工程（循環(huán)經濟十大工程、百家示范城鎮(zhèn)、千家示范企業(yè)），實現循環(huán)經濟發(fā)展由試點到示范推廣的轉變。相信這些節(jié)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(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用新技術， 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)應盡的社會責任的需要。余熱利用這項節(jié)能技術是科技創(chuàng)新在火電廠節(jié)能減排、增加企業(yè)效益的具體體現，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.