燃煤電廠煙氣余熱回收技術(shù)工程應(yīng)用研究

引言

我國2020年的社會能源消費結(jié)構(gòu)中,煤炭能源消費占比56.8%,消費總量達(dá)到49.8億t。雖然近幾年我國風(fēng)電、太陽能等清潔能源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,但以社會主要能源消費形式的電能為例,2021年以燃煤為主的火電廠發(fā)電量仍然占據(jù)全社會發(fā)電總量的70%以上。當(dāng)前,我國明確提出了碳達(dá)峰、碳中和的雙控戰(zhàn)略目標(biāo),給廣大能源企業(yè)節(jié)能減排也提出了更高的要求,在短期內(nèi)無法改變以煤電為主的電力能源消費結(jié)構(gòu)的情況下,發(fā)電企業(yè)通過降低排煙溫度,充分利用鍋爐煙氣中的余熱,是實現(xiàn)節(jié)能降耗、減少二氧化碳排放最有效的方法之一,這對于鍋爐效率的提高乃至整個電廠經(jīng)濟(jì)效益的提升也十分重要。

1余熱利用技術(shù)

燃煤電廠鍋爐熱損失是影響火電機組鍋爐效率的重要因素,其中排煙熱損失是鍋爐熱損失中最大的一項,占鍋爐熱損失的70%~80%。國內(nèi)火電廠空預(yù)器出口排煙溫度一般在110~150℃,部分老舊機組甚至超過了160℃。常規(guī)火電站鍋爐煙氣從空預(yù)器出來后,通過電除塵、脫硫系統(tǒng)除去煙塵和硫化物后,直接從煙囪排放到大氣中,煙氣中的大量余熱未得到充分利用,極大地浪費了能源。通過余熱回收利用可降低發(fā)電煤耗,減少碳排放并提高經(jīng)濟(jì)效益,很多發(fā)電企業(yè)都通過各種技術(shù)改造實現(xiàn)對這部分低溫?zé)煔庵袩崃康睦谩?

電廠對煙氣余熱回收利用的目的和考慮側(cè)重點不同,采用的煙氣余熱回收技術(shù)和回收裝置的布點位置也各有不同。燃煤電廠煙氣余熱回收技術(shù)一般有煙氣余熱褐煤干燥技術(shù)、低溫省煤器回收煙氣余熱技術(shù)、熱泵回收煙氣余熱技術(shù)等。布置方式上,余熱回收目前主要有以下幾種形式(圖1):①布置在空預(yù)器后、靜電除塵器前:②布置在引風(fēng)機與脫硫塔之間:③如排煙溫度較高,亦可采用兩級串聯(lián)布置:第一級(高溫段)布置在空氣預(yù)熱器與靜電除塵器之間,第二級(低溫段)布置在引風(fēng)機與脫硫塔之間:④布置在脫硫塔和煙囪之間。上述幾種余熱回收技術(shù)和布置方式在現(xiàn)場都有工程應(yīng)用實例。本文主要介紹一種火電廠尾部煙道階梯式余熱回收裝置的工程應(yīng)用實例及試運效果,該裝置分兩級換熱器吸收置換低溫?zé)煔庵械臒崃?減少尾部排煙的熱量攜帶,并提高除鹽水補水溫度和鍋爐凝結(jié)水溫度。

2工程應(yīng)用

2.1改造前概況

某電廠2號機組為330Mw自然循環(huán)亞臨界燃煤供熱發(fā)電機組,同步配套設(shè)計建設(shè)石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置、濕煙囪,無脫硫增壓風(fēng)機和煙氣換熱器等設(shè)備,吸收塔出口煙氣排放溫度約50℃。該機組于2017年進(jìn)行了煙氣超低排放改造,改造期間在尾部煙道中增設(shè)管式煙氣換熱器(管式GGH),煙氣冷卻器布置在靜電除塵器之前,煙氣加熱器布置在吸收塔出口濕式靜電除塵器和煙囪之間(圖2),通過熱媒水循環(huán)泵的水循環(huán)實現(xiàn)冷卻器和加熱器的熱量交換,將凈煙氣的排放溫度抬升到78℃左右,消除白煙現(xiàn)象。

按照浙江省發(fā)布的《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB33/2147一2018):采用煙氣冷凝再熱技術(shù)且能達(dá)到消除石膏雨和白色煙羽同等效果的,正常工況下排放煙溫必須持續(xù)穩(wěn)定達(dá)到54℃以上,冬季和重污染預(yù)警啟動時排放煙溫應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定達(dá)到56℃以上。加裝煙氣冷凝器后,煙氣排放溫度達(dá)到56℃以上即可滿足環(huán)保要求。2號機組通過余熱回收技術(shù)改造,回收利用管式GGH系統(tǒng)的部分富余熱量來加熱凝結(jié)水,降低凈煙氣排放溫度,提高鍋爐熱效率。

2.2改造范圍

2.2.1煙氣冷凝器

2號機組煙氣冷凝器布置在濕式靜電除塵器本體與水平煙道除霧器之間的煙道上(圖2中①),煙氣冷凝器的殼體選用2205雙相不銹鋼材質(zhì),壁厚6mm:煙氣冷凝器換熱材質(zhì)為鈦管,換熱管采用規(guī)格為小25×1的光管,煙氣冷凝器設(shè)置6路沖洗水管路,可定期對煙氣冷凝器進(jìn)行沖洗。除鹽水從原除鹽水母管引旁路進(jìn)入煙氣冷凝器內(nèi)與煙氣進(jìn)行間壁式換熱再進(jìn)入機組凝儲水箱,除鹽水母管上設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥(圖2中4),通過PID調(diào)節(jié)實現(xiàn)凝儲水箱水位自動控制,煙氣冷凝器除鹽水旁路閥(圖2中5)用于冷凝器故障檢修時切除煙道冷凝器以保障機組正常運行。煙氣冷凝器運行中低溫?zé)煔忉尫诺臒崃勘怀}水吸收,除鹽水被加熱升溫,從而降低排煙溫度回收熱量。脫硫后飽和凈煙氣經(jīng)換熱冷凝后,會產(chǎn)生大量的煙氣冷凝水(約21.37t/h),冷凝水自流至煙氣冷凝水箱(圖2中③),冷凝水呈弱酸性(pH值4.0~6.0),通過加藥裝置在水箱中加適量的堿,將pH值控制在7.0~9.0,經(jīng)煙氣冷凝水泵外排至脫硫工藝水箱,實現(xiàn)冷凝水回收利用。

2.2.2熱媒水一凝結(jié)水換熱器

管式GGH煙氣冷卻器將空預(yù)器出口煙氣溫度由120℃左右降至85℃以下,額定工況下可回收熱量約16.24Mw,將熱媒循環(huán)水(總流量500t/h)溫度由70℃加熱至約98℃,加熱后的熱水原本全部用于GGH煙氣加熱器提升出口凈煙氣溫度。為進(jìn)一步利用管式GGH換熱器的富余熱量,提高機組凝結(jié)水的溫度,本次2號機組余熱回收改造在現(xiàn)有管式GGH熱媒循環(huán)水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,新增一臺熱媒水一凝結(jié)水換熱器(管殼式換熱器)及相應(yīng)管道與管式GGH煙氣加熱器并聯(lián)運行。熱媒水一凝結(jié)水換熱器管程和殼程的所有部件材質(zhì)均選用304不銹鋼,換熱管為無縫鋼管。通過熱媒水一凝結(jié)水換熱器進(jìn)口調(diào)節(jié)閥(圖2中1),從管式GGH煙氣冷卻器后的熱媒水母管抽取一部分熱媒水進(jìn)入熱媒水一凝結(jié)水換熱器加熱凝結(jié)水,將凝結(jié)水溫度提升12℃,剩余部分熱媒水去管式GGH煙氣加熱器提升凈煙氣溫度。

3運行效果

2號機組余熱回收裝置改造完成后進(jìn)行試運行,鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定在90%左右,此時管式GGH煙氣冷卻器的熱媒循環(huán)水總流量為490.8t/h,通過熱媒水一凝結(jié)水換熱器進(jìn)口調(diào)節(jié)閥(圖2中1)抽取176.1t/h熱媒水通過熱媒水一凝結(jié)水換熱器(管殼式換熱器)加熱凝結(jié)水,其余314.7t/h熱媒水去管式GGH煙氣加熱器將冷凝器后的凈煙氣溫度升高至61.33℃后排放。余熱回收裝置主要試運行參數(shù)記錄如表1所示。

表1中余熱回收裝置試運行數(shù)據(jù)顯示,通過階梯式余熱回收利用系統(tǒng)的改造,鍋爐90%負(fù)荷穩(wěn)定運行時,經(jīng)過熱媒水—凝結(jié)水換熱器的凝結(jié)水溫度從37.52℃提高到47.13℃,溫升9.61℃。煙氣冷凝器投運后,脫硫出口凈煙氣溫度由49.2℃降至45.18℃,隨著煙氣溫度降低,這部分煙氣中的水蒸氣凝結(jié)可釋放出潛熱約15.55Mw,該部分熱量被除鹽水吸收,除鹽水補水溫度從23.52℃提高到47.46℃,除鹽水溫升23.94℃。經(jīng)管式GGH煙氣加熱器后的排煙溫度從投運前的76.65℃降低至61.33℃,凈煙氣排煙溫度下降15.32℃。根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn),火電廠鍋爐排煙溫度的高低是降低排煙損失的重要指標(biāo),一般情況下鍋爐的排煙溫度每降低10~15℃,鍋爐熱效率可提高約1%。從2號機組余熱回收裝置運行試驗數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出,余熱回收裝置投運后,脫硫出口凈煙氣排煙溫度下降了15.32℃,鍋爐熱效率提高1%左右,可有效降低鍋爐發(fā)電煤耗,提高鍋爐運行經(jīng)濟(jì)性。余熱回收系統(tǒng)運行時,煙氣冷凝器的冷凝水量回收量為19.83t/h,這部分冷凝水均可被回收至脫硫工藝水系統(tǒng)再次利用,以該電廠年機組利用小時數(shù)7000h計,一臺機組年可節(jié)約脫硫系統(tǒng)用水約14萬t。

4結(jié)語

利用換熱器階梯布置吸收熱量的煙氣余熱回收裝置,通過增加煙氣冷凝器、熱媒水—凝結(jié)水換熱器等設(shè)施,提高進(jìn)入鍋爐的除鹽水和凝結(jié)水溫度,降低排煙溫度,有效減少鍋爐熱損失,效果較為明顯:同時,脫硫凈煙氣的水汽通過煙氣冷凝器被回收,冷凝水經(jīng)初步加堿中和處理后即可進(jìn)入脫硫工藝水系統(tǒng)實現(xiàn)回收利用,可大幅降低脫硫系統(tǒng)的運行水耗,節(jié)約有限的水資源。

火電廠煙氣余熱回收和利用,對節(jié)能降耗、提高電廠經(jīng)濟(jì)性具有重要作用。從某電廠2號機組余熱回收改造結(jié)果綜合分析,達(dá)到了預(yù)期效果,但由于考慮低溫?zé)煔獾母g等問題,冷凝器材質(zhì)選用較為昂貴的2205雙相不銹鋼及鈦管,加上附屬各種換熱器、管道、泵、閥門等設(shè)施較多,設(shè)備和安裝成本較高,初期投資大,收回成本周期較長。因此,未來煙氣余熱回收利用仍需在新材料應(yīng)用、系統(tǒng)優(yōu)化、換熱器設(shè)備選型和熱泵技術(shù)等方面進(jìn)一步研究,在開發(fā)高效余熱利用方法的同時,考量綜合成本和設(shè)備安全,兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性。