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(xiàn)有條件下，在能源利用設(shè)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(yè)設(shè)備中。從其來源分可分為高溫煙氣余熱、冷卻介質(zhì)余熱、廢汽廢水余熱、高溫產(chǎn)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(zhì)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(yè)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(yè)，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(yè)余熱利用率約為30%～50%，其他行業(yè)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(jīng)濟運行的主要原因。國家質(zhì)檢總局頒布的《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》也明確規(guī)定，“鍋爐排煙溫度設(shè)計應當綜合考慮鍋爐的安全性和經(jīng)濟性，并且符合以下要求：（一）額定蒸發(fā)量小于1t/h的蒸汽鍋爐，不高于230℃；（二）額定蒸發(fā)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(shè)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(shè)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(fā)電鍋爐，鍋爐效率已高達90%～94%，哪怕鍋爐效率提高1%，其經(jīng)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(yè)的經(jīng)濟效益。如果能有效利用這些余熱，則可節(jié)約大量能源，減少大氣污染，且降低企業(yè)生產(chǎn)成本，因此余熱利用對我國實現(xiàn)節(jié)能減排及環(huán)保戰(zhàn)略具有重要的現(xiàn)實意義。

 

  1.2 燃煤電廠的發(fā)展

 

  目前， 我國煤炭產(chǎn)量約一半用于發(fā)電， 約73.4%的裝機是火電機組，發(fā)電量的81%來自火電。

 

  一次能源結(jié)構(gòu)決定了我國在相當一段時間內(nèi)以化石燃料為主要能源。火電裝機仍然在發(fā)電裝機中占有決定性地位。發(fā)電企業(yè)燃料成本占全部成本的70%以上。

 

  電力生產(chǎn)是工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的原動機和國民生活的基本保障。從2007～2011各年度數(shù)據(jù)看，火力發(fā)電量成穩(wěn)定增長態(tài)勢，火力發(fā)電量占全口徑發(fā)電量的比重穩(wěn)定波動，2011年比重呈現(xiàn)波峰增長態(tài)勢。

 

  2011年我國電源建設(shè)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(chǎn)量約一半用于發(fā)電。年我國火力發(fā)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(fā)電總裝機容量的72.50%，火電發(fā)電量占全口徑發(fā)電總量的82.45%。

 

  圖1 2007~2011全口徑發(fā)電量與火電發(fā)電量情況及2011電力生產(chǎn)構(gòu)成雖然近幾年民眾和政府環(huán)保意識不斷加強，政府對節(jié)能減排工作力度不斷加大，火電裝機容量占總發(fā)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(fā)電裝機總?cè)萘考盎痣娧b機容量來看，均處于平穩(wěn)增長趨勢。火力發(fā)電裝機容量增長維持在8%以上，每年新增發(fā)電裝機容量中，火力發(fā)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(fā)展任重道遠。火力發(fā)電裝機容量及火力發(fā)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(guī)劃煤電開工規(guī)模3億千瓦，投產(chǎn)規(guī)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(fā)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(fā)展趨勢

 

  節(jié)能、減排是電力行業(yè)“十二五”發(fā)展的重要方向，是火電廠必須完成的硬指標。《節(jié)能減排“十二五”規(guī)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(jīng)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(fā)達國家更加嚴格的指標。這就要求發(fā)電企業(yè)必須采用效率更高的除塵、脫硫和脫硝設(shè)備，必須采用生成氮氧化物超低的新一代低NOx燃燒技術(shù)，這將大大地增加企業(yè)的環(huán)保成本。

 

  因此，發(fā)電企業(yè)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(shù)、提高效率、節(jié)水、節(jié)油、節(jié)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(shè)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(xiàn)代火力發(fā)電廠的主要設(shè)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(fā)電煤耗增加2克/千瓦時左右。

 

  我國“十二五”煤電發(fā)展的目標是從機組運行經(jīng)濟性分析、設(shè)備質(zhì)量以及燃料管理等多個方面入手，在燃煤發(fā)電生產(chǎn)過程中減少煤源消耗、降低供電煤耗，實現(xiàn)2015年比2010年通過火電煤耗下降而節(jié)約標煤3523萬噸。推動煤電繼續(xù)向大容量、高參數(shù)、環(huán)保型方向發(fā)展，優(yōu)化機組運行方式。實現(xiàn)電力生產(chǎn)的綠色發(fā)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(xiàn)電力生產(chǎn)綠色發(fā)展的有效鍋爐輔助設(shè)備，目前在我國還處于起步階段。

 

  2012年國家發(fā)改委、國家能源局、財政部以[2012]1662號文下發(fā)了《關(guān)于開展燃煤電廠綜合升級改造工作的通知》，要求各發(fā)電企業(yè)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(jié)能量包括發(fā)電降耗和供熱改造提效兩部分，并給予一系列優(yōu)惠政策的支持。其中鍋爐系統(tǒng)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(shù)，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(tǒng)耗水量減少70%”。目前鍋爐煙氣余熱回收已是一項成熟技術(shù)，適用于排煙溫度比設(shè)計高20℃的機組運用。國家發(fā)改委等三部委文件的下發(fā)，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(shù)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(shù)，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(shè)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(shè)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(tǒng)投資高，但具有更好地節(jié)能效果，該項技術(shù)已于2002年在德國百萬千瓦超超臨界機組上使用，增加設(shè)置了高效煙氣余熱回收系統(tǒng)后，發(fā)電標煤耗降低7克/千瓦時。煙氣余熱回收循環(huán)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(tǒng)，僅僅在600MW褐煤超臨界機組系統(tǒng)設(shè)計中開始考慮采用該方案。初步預測常規(guī)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(jīng)濟社會效益更加顯著。

 

  2 煙氣余熱利用換熱器產(chǎn)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(jié)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(yè)新產(chǎn)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(shù)，進行煙氣余熱利用換熱器的研究。進入21世紀，針對行業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)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(shù)所涉及的酸腐蝕和積灰問題進行重點突破。隨著國內(nèi)材料技術(shù)、外擴展受熱面技術(shù)及火電行業(yè)整體技術(shù)水平的提高，鍋爐輔助設(shè)備行業(yè)技術(shù)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(guān)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(shù)創(chuàng)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(yè)最大的成本支出為煤等化石燃料，發(fā)電煤耗指標的高低決定著火電行業(yè)的盈虧。同時在節(jié)能環(huán)保意識不斷增強、國家對火電廠節(jié)能減排工作要求不斷提升的情況下，實現(xiàn)節(jié)能降耗、減排環(huán)保對發(fā)電企業(yè)變得日益重要。降低排煙溫度成為火電行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗、減排環(huán)保的重要途徑之一。目前煙氣余熱利用換熱器在國內(nèi)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(nèi)通水，煙氣流經(jīng)翅片管外壁，因水溫低于煙氣溫度，水經(jīng)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(tǒng)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(jié)能降耗、減排環(huán)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(jié)能降耗

 

  2.1.1 加熱凝結(jié)水。從某級低加取水（部分或者全部），經(jīng)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(lián)也可串聯(lián)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(fā)電能力，達到改善機組整體循環(huán)效率的目的。

 

  2.1.2 加熱熱網(wǎng)水用于供熱，也可作為冷暖空調(diào)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(zhì)形成一個閉式循環(huán)系統(tǒng)。煙氣余熱利用換熱器加熱工質(zhì)，工質(zhì)在煙氣加熱器側(cè)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(huán)境）的現(xiàn)象。與GGH相比，換熱器無轉(zhuǎn)動部件，具有不漏風（原煙氣側(cè)與凈煙氣側(cè)實現(xiàn)完全隔離）、不易堵塞、換熱面易于清理的優(yōu)點。

 

  2.1.4 作為暖風器的熱源，加熱鍋爐進風。

 

  2.2 節(jié)水

 

  除以上用途可實現(xiàn)節(jié)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(tǒng)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(jié)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(yè)發(fā)展推動因素及需求情況3.1 火電行業(yè)的大發(fā)展帶來的市場新增需求

 

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

 

  根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，我國火力發(fā)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(fā)展。

 

  國家“節(jié)能減排”政策推動新型省煤器的發(fā)展節(jié)能減排是我國未來社會發(fā)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(jié)約能源，提高煤利用效率，利于煤炭深加工利用的實現(xiàn)，將有效推動煤電機組滿足《節(jié)能減排“十二五”》中對火電行業(yè)單位機組每千瓦時的發(fā)電耗煤量減少8克的節(jié)能要求。

 

  根據(jù)我國電力發(fā)展規(guī)劃，估算出我國在役火電機組增配煙氣余熱利用換熱器產(chǎn)品的市場容量。預計2012年市場規(guī)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(lǐng)域主要企業(yè)有青島達能環(huán)保設(shè)備股份有限公司、濟南達能動力技術(shù)有限責任公司、上海格林熱能設(shè)備有限公司、北京沃德信實德環(huán)保科技有限公司、福建龍凈環(huán)保股份有限公司及江蘇海德節(jié)能科技有限公司。

 

  目前從事煙氣余熱利用換熱器產(chǎn)品設(shè)計和制造的企業(yè)數(shù)量較少，部分廠家原為除塵器生產(chǎn)廠家，其在煙氣余熱利用換熱器產(chǎn)品方面的技術(shù)儲備較少，專業(yè)性較弱，以上海成套、青島達能以及傳統(tǒng)省煤器生產(chǎn)廠家為代表的企業(yè)，其具有一定的技術(shù)儲備，研發(fā)實力較強，具有一定競爭優(yōu)勢。目前該領(lǐng)域投標也主要由上述幾個廠家最終入圍并參與，占據(jù)了絕大部分市場份額，其中青島達能環(huán)保設(shè)備股份有限公司在行業(yè)中占據(jù)優(yōu)勢位置。

 

  5 行業(yè)發(fā)展存在的主要問題及對策建議

 

  節(jié)能減排是我國當前推動工業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的國策。隨著《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》的實施，我國火電行業(yè)在培養(yǎng)大型化、規(guī)模化的大中型電站的同時，向低能耗、低排放的方向發(fā)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(chǔ)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(nèi)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(shù)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(chǎn)品標準不統(tǒng)一、技術(shù)交流欠缺等問題。

 

  針對上述問題，相關(guān)協(xié)會及政府部門應首先充分發(fā)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(yè)并提高其自主創(chuàng)新能力，健全行業(yè)的市場管理機制，規(guī)范監(jiān)督管理；其次還應進一步加強國際交流與合作，加強國內(nèi)新型省煤器生產(chǎn)企業(yè)與國外同行業(yè)先進企業(yè)的溝通交流，推動技術(shù)引進與吸收，不斷提高行業(yè)的整體水平。