0 引言

 

  我國(guó)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(dāng)今“市場(chǎng)煤、計(jì)劃電”的大背景下，隨著煤價(jià)高企，發(fā)電企業(yè)虧損日益嚴(yán)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(jià)值來(lái)彌補(bǔ)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(guò)各種技術(shù)進(jìn)行充分利用，以提高全廠的熱效率。在可以獲得較好經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(xì)介紹和分析目前技術(shù)較為成熟、性能較為可靠、針對(duì)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 鍋爐低溫余熱利用技術(shù)

 

  1.1 鍋爐汽水系統(tǒng)的余熱利用技術(shù)

 

  對(duì)火電廠鍋爐汽水系統(tǒng)的余熱利用主要集中在2 個(gè)方面： 一是利用鍋爐連排水所含的高品位熱能做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)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(dòng)發(fā)電做功的原理已有相關(guān)文獻(xiàn)介紹，本文主要介紹利用鍋爐連排水依靠螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)，通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的裝置，其做功的機(jī)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(jìn)入熱水站加熱水， 向社會(huì)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(dòng)力機(jī)發(fā)電的機(jī)理是： 首先用于做功的高溫熱污水進(jìn)入機(jī)內(nèi)螺桿齒槽A， 繼而推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，伴隨螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，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(yáng)螺桿輸出，也可以通過(guò)同步齒輪由陰螺桿輸出， 從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。螺桿膨脹發(fā)電機(jī)是目前可以適應(yīng)過(guò)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(fù)荷、變轉(zhuǎn)速甚至較惡劣的工況下運(yùn)行，可做到無(wú)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(xiàng)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(huì)相應(yīng)增加0.6%～1.0%， 發(fā)電煤耗增加2g/（kW·h）左右。我國(guó)現(xiàn)役火電機(jī)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(gè)普遍存在的現(xiàn)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(tǒng)中安裝煙氣冷卻器， 通過(guò)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(jìn)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(dá)到節(jié)能的目的。由于煙氣冷卻后可能會(huì)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(shí)際應(yīng)用過(guò)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(shí)踐， 節(jié)能效果明顯。

 

  當(dāng)溫度較高的煙氣通過(guò)冷卻器時(shí)， 與冷卻器內(nèi)翅片管束中的水進(jìn)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(jì)時(shí)，要根據(jù)需要，如鍋爐排煙的溫度、所燃用煤種的酸露點(diǎn)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(lái)確定冷卻器的布置形式和安放位置。由于實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)排煙溫度可能存在較大的差距， 新建工程在設(shè)計(jì)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(kāi)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(diǎn)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(qiáng)除塵效果，并能降低除塵器的能耗，對(duì)于布袋除塵器來(lái)說(shuō)還可以延長(zhǎng)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(jìn)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(jìn)氣溫度在130～150℃或更高，煙氣溫度過(guò)高對(duì)除塵效率、布袋使用壽命造成影響的新建工程。（2）除塵器進(jìn)氣溫度在130~150℃或更高， 且增壓風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(lái)選擇，這樣方能達(dá)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(shí)例

 

  2.1 汽水系統(tǒng)的余熱利用實(shí)例

 

  某2×200MW 機(jī)組采用了螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)利用鍋爐連排水熱能驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)污水零排放，有利于環(huán)境保護(hù)和能源資源的高效利用， 符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展理念。

 

  該廠所用鍋爐是東方汽輪機(jī)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(tái)鍋爐的設(shè)計(jì)連續(xù)排污流量約為12 t/h， 實(shí)際運(yùn)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(kuò)容器，擴(kuò)容后的蒸汽進(jìn)入除氧器回收，連排擴(kuò)容器內(nèi)的疏水經(jīng)過(guò)定排擴(kuò)容器排入地溝。改造后，通過(guò)加裝螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。初期試驗(yàn)采用1臺(tái)鍋爐， 通過(guò)調(diào)節(jié)鍋爐頂部汽包排污閥門開(kāi)度到達(dá)設(shè)計(jì)流量時(shí)， 螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率可達(dá)200 kW。運(yùn)行實(shí)踐表明，機(jī)組運(yùn)行安全可靠， 沒(méi)有出現(xiàn)影響汽輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的重大問(wèn)題，且實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，基本無(wú)需維護(hù)。后又對(duì)另外1 臺(tái)機(jī)組的鍋爐進(jìn)行了加裝螺桿膨脹動(dòng)力發(fā)電機(jī)的改造。在2 臺(tái)鍋爐正常的排污流量情況下，螺桿膨脹動(dòng)力發(fā)電裝置可以達(dá)到300 kW 的滿負(fù)荷額定容量運(yùn)行，且運(yùn)行正常。

 

  節(jié)能減排效益測(cè)算條件： 按螺桿膨脹動(dòng)力發(fā)電機(jī)組2 臺(tái)鍋爐正常運(yùn)行情況下，連排水可發(fā)電300 kW計(jì)算，螺桿動(dòng)力機(jī)自身消耗1.1kW，鍋爐年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為6 500 h，上網(wǎng)電價(jià)按0.35 元/（kW·h）計(jì)算。2 臺(tái)200 MW 機(jī)組采用螺桿動(dòng)力發(fā)電機(jī)對(duì)鍋爐連排水進(jìn)行回收利用，全年可增加發(fā)電量（300-1.1）×6 500 =194.285 萬(wàn)kW·h，可獲得發(fā)電收入68.0 萬(wàn)元，并且還可向社會(huì)提供熱水，又進(jìn)一步增加了節(jié)能效益。按機(jī)組的發(fā)電煤耗率為320 g/（kW·h）計(jì)算，年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤621.71 t。若按每噸煤燃燒要排放CO2 1.98 t計(jì)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(jìn)一步減少了污染物的排放，環(huán)境效益進(jìn)一步擴(kuò)展，成效會(huì)更加明顯。

 

  2.2 排煙系統(tǒng)的余熱利用實(shí)例

 

  某電廠300MW 機(jī)組采用煙氣深度冷卻器進(jìn)行了技術(shù)改造： 在增壓風(fēng)機(jī)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(hào)低壓加熱器前通過(guò)管道引入煙氣冷卻裝置， 加熱后再回到5 號(hào)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(wàn)元，改造用時(shí)約45 d［9］。

 

  節(jié)能減排及經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算的條件為：（1）按實(shí)施改造后的機(jī)組使排煙溫度降低44℃時(shí)，可使機(jī)組的發(fā)電煤耗降低約4 g/（kW·h）；（2）300 MW 機(jī)組發(fā)電設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)為4500h；（3）標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)為800 元/t。

 

  增加排煙系統(tǒng)的煙氣深度冷卻器可實(shí)現(xiàn)年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5 400 t，年節(jié)約燃料購(gòu)置費(fèi)432 萬(wàn)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(jì)算，年可減少CO2排放10 692 t。經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益明顯。

 

  3 前景展望

 

  我國(guó)2010 年全年火力發(fā)電量33 301.3億kW·h［10］，粗略估計(jì)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(shí)際應(yīng)用時(shí)降低溫度20℃可減少發(fā)電煤耗約4g/（kW·h）， 全國(guó)全年燃煤可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1 200 萬(wàn)t； 若按每噸煤燃燒要排放CO2 1.98 t 計(jì)算，全國(guó)全年可減少CO2排放2 376 萬(wàn)t；按標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)為800 元/t 計(jì)算， 全國(guó)全年可節(jié)省資金190 億元，經(jīng)濟(jì)和減排效益極為可觀。如果同時(shí)還采取其他節(jié)能措施，經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，但目前還少有發(fā)電企業(yè)大規(guī)模使用這項(xiàng)技術(shù)， 一方面受場(chǎng)地、資金、設(shè)備技術(shù)條件的制約，機(jī)組改造有難度；另一方面新建機(jī)組效率較原有機(jī)組有所提高，在收回成本之前發(fā)電企業(yè)無(wú)意再投資加裝余熱深度利用裝置， 并且有些燃煤機(jī)組所用燃料不適于過(guò)低降低排煙溫度，否則會(huì)造成煙道尾部設(shè)備的腐蝕，影響機(jī)組的正常運(yùn)行。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)提出“十二五”期間要采取十大措施促進(jìn)節(jié)能減排工作，其中第五點(diǎn)提到“大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)， 提高資源產(chǎn)出效率”。編制和實(shí)施全國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃和重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)ｍ?xiàng)規(guī)劃，深化循環(huán)經(jīng)濟(jì)典型示范試點(diǎn)，推廣循環(huán)經(jīng)濟(jì)典型示范和典型模式， 組織實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)“十百千”示范工程（循環(huán)經(jīng)濟(jì)十大工程、百家示范城鎮(zhèn)、千家示范企業(yè)），實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展由試點(diǎn)到示范推廣的轉(zhuǎn)變。相信這些節(jié)能減排及經(jīng)濟(jì)效果明顯的技術(shù)會(huì)大范圍推廣。

 

  4 結(jié)語(yǔ)

 

  通過(guò)對(duì)鍋爐低溫余熱技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用案例的分析看出， 對(duì)鍋爐余熱進(jìn)行利用可以產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。近年來(lái)，我國(guó)面臨的節(jié)能減排壓力越來(lái)越大， 作為耗能大戶的各發(fā)電集團(tuán)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(shí)履行企業(yè)應(yīng)盡的社會(huì)責(zé)任的需要。余熱利用這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)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(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.