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【余熱利用】電廠燃氣鍋爐煙氣余熱回收利用技術

 昵稱jYn8f 2023-07-17 發(fā)布于廣西

燃氣鍋爐目前在各地集中供熱系統(tǒng)中應用廣泛。目前燃氣鍋爐的煙氣排放溫度較高,通過降低煙氣排放溫度回收煙氣余熱,有助于提高燃氣鍋爐的供熱效率,實現(xiàn)較明顯的節(jié)能效果。本文綜述了煙氣余熱回收方向的典型應用技術,包括利用換熱器回收煙氣余熱技術、利用熱泵回收煙氣余熱技術??偨Y了上述技術在集中供熱系統(tǒng)中的應用形式與特點。分析了目前煙氣余熱回收利用技術中存在的問題,指出了煙氣冷凝余熱回收過程中的煙氣排放、冷凝液處理、設備防腐蝕和煙氣凈化等關鍵技術問題及時技術解決思路,為煙氣余熱回收利用技術的研究與應用提供參考。
 
目前燃氣鍋爐在各地集中供熱系統(tǒng)中應用廣泛。蒸汽型燃氣鍋爐的排煙溫度約為200~250℃左右,熱水型燃氣鍋爐的排煙溫度約為150~180℃左右,高排煙溫度產(chǎn)生較大的熱量損失。常規(guī)省煤器或空預器只能回收部分顯熱,占天然氣熱值約10%的潛熱未能被回收利用,燃氣鍋爐的運行供熱效率僅達到80%90%左右。隨著燃氣鍋爐排煙溫度的降低,煙氣理論可回收熱量與鍋爐理論供熱效率將逐漸增大。當排煙溫度降低至煙氣露點溫度后,燃氣鍋爐的理論熱效率可顯著增加。如果將煙氣的排放溫度從180℃降至35~40℃,則燃氣鍋爐的供熱效率預計可提高15.0%13.9%。此外,在回收元氣余熱的同時回收煙氣的水份,對提高鍋爐供熱效率,改善燃氣鍋爐的煙氣污染物排放均具有重要的價值。
 
目前我國典型的煙氣余熱回收技術可分為兩類:利用換熱器回收煙氣余熱技術、利用熱泵回收煙氣余熱技術。本文綜述了目前典型的燃氣鍋爐煙氣余熱回收技術,總結了上述技術特點以及在集中供熱系統(tǒng)中的應用形式,指出現(xiàn)有煙氣冷凝余熱回收過程中仍然存在的關鍵技術問題和解決思路,為煙氣余熱回收利用技術與推廣應用提供參考。
 
一、利用換熱器回收煙氣余熱技術
 
換熱器是煙氣余熱回收技術中被經(jīng)常采用的應用形式。合理選擇換熱器是煙氣余熱回收系統(tǒng)設計中的關鍵環(huán)節(jié),根據(jù)換熱方式不同,利用換熱器回收煙氣余熱可分為間接接觸式換熱型和直接接觸式換熱型。
 
間接接觸式余熱回收換熱器在換熱時煙氣與水不接觸,換熱后水質(zhì)不受影響。其對煙溫、水溫的控制能力較好。煙氣冷凝過程中對煙氣中的氮氧化物有一定的凈化作用;煙氣冷凝水呈酸性,對設備有一定的腐蝕性,因此間接接觸式換熱設備的防腐要求較高。該形式換熱器存在管壁熱阻,傳熱系數(shù)相對較低;其結構相對復雜,換熱面積較大,易受安裝空間限制。
直接接觸式余熱回收換熱器的傳熱傳質(zhì)系數(shù)高,潛熱回收能力較大;冷凝過程中發(fā)生傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象,煙氣凈化效果較間壁式好;噴淋溶液稀釋了煙氣冷凝水,對設備有沖洗作用,設備的防腐要求較低;直接接觸式換熱的傳熱系數(shù)較大,該形式的換熱器結構緊湊,安裝空間受限小。
 
1、間接接觸式余熱回收換熱器
 
間接換熱是指冷熱介質(zhì)在被壁面分開的空間里獨立流動,冷熱介質(zhì)通過壁面進行換熱。用于煙氣余熱回收的間接接觸式換熱器有翅片管換熱器、熱管換熱器和板式換熱器,其結構簡圖見圖1

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1.1、翅片管式換熱器

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翅片管式換熱器是一種常見的間接接觸式換熱器,其翅片形狀和結構種類繁多。翅片管換熱器相對于一般換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、材質(zhì)可選、結垢少等優(yōu)點。翅片管換熱器中,H型翅片管換熱器因其特殊槽結構與耐磨防污的性能,近年來多用于鍋爐余熱回收。
 
1.2、熱管換熱器
 

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某熱電廠鍋爐煙氣余熱利用—空預器

熱管換熱器的工作原理是熱管通過管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝相變過程來傳遞熱量。具有結構簡單、體積小、重量輕、無運動部件、傳熱系數(shù)高等特點。

復合相變式換熱器

復合相變換熱器被譽為中低溫熱源的一次世界性突破的技術,這項技術主要用在鍋爐和換熱器上,它的應用范圍非常廣闊,包括中石油,中石化,煉鋼等幾乎凡有換熱器的地方都能用到這項技術。復合相變換熱器技術的亮點是在避免煙氣低溫腐蝕的前提下,降低排煙溫度,進行余熱回收和利用,達到提高鍋爐熱效率的目的。已經(jīng)在多家企業(yè)做了工程實例。以山東某熱電公司兩臺130t/h燃氣鍋爐為例,在沒有改造之前,排煙溫度高達將近210℃,改造完以后穩(wěn)定降到137℃左右,可將68噸22℃水加熱到95℃左右供鍋爐補水,大大提高了鍋爐的熱效率。

山東某熱電公司現(xiàn)場案例圖片:


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和一般熱管換熱器以及其他節(jié)能技術不同,復合相變換熱器技術首次提出將換熱器最低金屬壁面溫度定義為“第一設計要素”的理念,以及首次提出將對產(chǎn)生煙氣低溫結露和腐蝕具有關鍵性影響的最低壁面溫度置于“可控可調(diào)狀態(tài)”的創(chuàng)新概念。該技術的核心在于“復合”和“相變”,即通過“相變段”的設置,并利用不同“強化傳熱技術”與不同“控制技術”的合理配置,借助于優(yōu)化設計,改變包括熱管技術在內(nèi)的一般換熱器壁面溫度分布的“函數(shù)”特征,在始終保證金屬壁面溫度處于酸露點以上以避免出現(xiàn)低溫結露和腐蝕的同時,為大幅度回收煙氣低溫余熱提供了可能。

復合相變換熱器中的“相變段”是整個技術得以實施的核心部件之一。它將原熱管換熱器中相互獨立的部分,通過優(yōu)化設計構造成一個相互關聯(lián)的整體,充分利用“相變換熱”與“煙氣橫掠管束”相比其換熱能力具有“量級性(102 以上)提高”的傳熱學特性,實現(xiàn)“相變段”金屬壁面整體溫度分布均勻、與煙氣溫度保持“較小梯度溫降(溫差10-20℃)”以及原則上“獨立于被加熱工質(zhì)溫度”的特殊功能。與此同時,利用“相變段”的這一性能,預熱進入前一級換熱器(如末級空預器)工質(zhì)的入口溫度,保證整個設備同樣免受低溫腐蝕。此外,通過“相變段”或者其他增設部件換熱量的調(diào)節(jié),實現(xiàn)對整個設備可能出現(xiàn)的不同最低壁面溫度的閉環(huán)控制,保證壁面溫度恒定或可控可調(diào),以適應燃料種類以及工況的變化。這樣,在保證設備安全運行的前提下,達到大幅度回收煙氣余熱的節(jié)能目的。

總之,作為一種涉及“設計原理”變更,高效可靠的原創(chuàng)性節(jié)能技術,復合相變換熱技術的主要核心內(nèi)涵為:

1、能夠在鍋爐的設計和改造中,大幅度降低煙氣的排放溫度,使大量中低溫熱能被有效回收,產(chǎn)生十分可觀的經(jīng)濟效益;

2、在降低排煙溫度的同時,保持金屬受熱面壁面溫度處于較高的溫度水平,遠離酸露點的腐蝕區(qū)域,從根本上避免了結露腐蝕和由此發(fā)生的堵灰,大幅度降低設備的維護成本;

3、保證換熱器金屬受熱面最低壁面溫度處于可控可調(diào)狀態(tài),使復合相變換熱器具有相當幅度的調(diào)節(jié)能力,使排煙溫度和壁面溫度保持相對穩(wěn)定,并能適應鍋爐的燃料品種以及負荷的變化;

4、在保留熱管換熱器具有高效傳熱特性的同時,通過適時排放不凝氣體有效解決相變換熱器可能出現(xiàn)的老化問題,大大延長設備的使用壽命。

通過“相變段”水量的調(diào)節(jié),可以對受熱面最低壁溫面度實現(xiàn)閉環(huán)控制,實現(xiàn)了壁面溫度的恒定和調(diào)高調(diào)低。


1.3、板式換熱器
 

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板式煙氣余熱回收器的高溫煙氣與冷水流體分別在板間兩側(cè)流道流動,通過兩者之間的傳熱板片進行換熱。
 
2、直接接觸式余熱回收換熱器
 
直接接觸式換熱是兩種介質(zhì)通過直接接觸的方式進行傳熱傳質(zhì)的過程。根據(jù)接觸結構分為多孔板鼓泡型、折流盤型和填料型,其結構見圖2。
 

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由于我國供熱回水溫度較高,一定程度上限制了直接接觸式煙氣余熱回收器的應用。直接接觸換熱冷凝式燃氣鍋爐,見圖3。通過煙氣—水直接接觸換熱后的熱冷凝液加濕空氣,增大煙氣濕度,從而提高煙氣露點,使得煙氣可以在80℃的回水溫度下冷凝。
 

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二、利用熱泵回收煙氣余熱技術
 
天然氣燃燒產(chǎn)生的煙氣露點一般在55~65℃之間,若回收煙氣冷凝余熱,需要供熱回水溫度低于煙氣露點溫度范圍。如果供熱回水溫度高于煙氣露點溫度,可以利用熱泵回收煙氣冷凝余熱用于預熱供熱回水。煙氣余熱回收裝置與熱泵聯(lián)合利用的系統(tǒng)形式見圖4,其中熱泵形式可采用電壓縮式熱泵或吸收式熱泵。目前對于利用吸收式熱泵回收煙氣余熱的研究更為廣泛,因其所需驅(qū)動熱源可以用鍋爐提供的蒸汽或熱水提供。但吸收式熱泵投資成本較高且占用安裝空間較大。根據(jù)鍋爐容量的不同,適宜選取不同類型的熱泵,0.0110MW的鍋爐適用于選用電壓縮式熱泵形式。

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1、利用壓縮式熱泵回收煙氣余熱技術
 
利用電驅(qū)動壓縮式熱泵回收煙氣余熱技術是將電壓縮式熱泵與煙氣冷凝余熱回收裝置結合,以煙氣余熱回收裝置作為壓縮式熱泵的蒸發(fā)器;或以煙氣余熱回收裝置內(nèi)的循環(huán)水為壓縮式熱泵的低溫側(cè)熱源,壓縮式熱泵提取低溫側(cè)熱量后用于預熱熱網(wǎng)回水。系統(tǒng)流程見圖5、6、7、8。
    
 

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2、利用吸收式熱泵回收煙氣余熱技術
 
目前應用于煙氣余熱回收的吸收式熱泵可分為閉式吸收式熱泵和開式吸收式熱泵兩類。如圖9、10、11、12、13

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三、煙氣余熱回收技術在集中供熱系統(tǒng)中的應用
 
煙氣余熱回收用冷介質(zhì)通常為空氣或水??諝饧訜岷罂捎糜阱仩t的鼓風和原料及半成品烘干。水加熱后可用于鍋爐補水預熱、供熱、供生活熱水等,在煙氣量較大、溫度較高的情況下,可以將水加熱成水蒸汽。在集中供熱系統(tǒng)中煙氣余熱回收技術應用的典型方式按余熱回收級數(shù)分為單級余熱回收供熱型和雙級余熱回收供熱型,其中單級余熱回收供熱型可分為預熱熱網(wǎng)回水型與供生活熱水型。
 
1、單級余熱回收供熱型(預熱熱網(wǎng)回水)
 

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2、單級余熱回收供熱型(供生活用水)
 

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3、雙級余熱回收供熱型

該類型系統(tǒng)首先利用高溫煙氣加熱熱網(wǎng)回水達到供熱用戶需求的供水溫度;其次再利用熱泵機組回收利用低溫煙氣余熱,利用熱泵機組的高溫側(cè)加熱熱網(wǎng)回水達到供熱用戶需求的供水溫度。

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四、煙氣冷凝余熱回收過程中的關鍵技術問題
 
煙氣余熱回收利用中,除了需要考慮對于余熱的利用,還須重視伴隨余熱利用而產(chǎn)生的相關關鍵技術問題。主要包括煙氣降溫后的煙氣排放問題;由于煙氣冷凝產(chǎn)生的酸性冷凝液處理問題;為減弱酸性冷凝液對設備產(chǎn)生的腐蝕,需要關注的設備腐蝕問題;為降低對環(huán)境的污染,煙氣的凈化問題以及集中供熱系統(tǒng)中煙氣余熱回收技術應用的問題。
 
1、煙氣排放問題
 
將煙氣冷凝回收余熱后,煙氣被冷卻至較低溫度,并且排放煙氣接近飽和狀態(tài),通過煙囪排放時煙氣的抬升能力變?nèi)酢S捎谂欧诺攸c的位置與氣候條件因素的影響,有可能造成煙氣不能順利從煙囪直接排出現(xiàn)象。需要再熱方法就是將10%~20%的鍋爐出口高溫煙氣利用旁通支路與冷凝后的煙氣混合后再排出。
 
2、冷凝液處理問題
 
通過煙氣冷凝余熱回收利用技術,煙氣中的水蒸氣本冷凝,煙氣在冷凝過程中會吸收部分煙氣中的SO2、N0X等污染物,產(chǎn)生呈酸性的冷凝液體。冷凝液體的處理方法有稀釋法、土壤吸收法和藥劑處理法。通常稀釋或中和處理后的冷凝液體被直接排入市政污水管網(wǎng)中,并未進行處理和再利用,造成了水資源的浪費。
 

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3、設備防腐蝕問題
 
在煙氣冷凝余熱回收技術中,腐蝕現(xiàn)象直接影響了煙氣余熱回收裝置的運行壽命。目前解決防腐問題有兩種策略,一是提高設備的防腐能力,如采用高分子塑料換熱器代替常規(guī)碳鋼或不銹鋼換熱器,實現(xiàn)低溫防腐的目的?;虿捎梅栏兡ぜ夹g。二是在煙氣冷凝前進行凈化處理,減少煙氣中的S0XN0X等酸性氣體濃度,在并在余熱回收循環(huán)水中加入堿性藥劑以中和冷凝液中的酸性成分,減弱冷凝液體對設備的腐蝕。
 
4、煙氣凈化問題
 
煙氣中的NOX是大氣環(huán)境中PM2.5的二次轉(zhuǎn)化前提,面對當前日益嚴重的霧霾天氣,煙氣凈化迫在眉睫。
 
煙氣凈化主要集中在脫硫和脫硝兩個方面。對于燃氣鍋爐排煙,煙氣脫硝是主要的技術難點。現(xiàn)有煙氣脫硝技術包括選擇性催化還原法、非催化選擇性還原法、吸附法、電子束照射法、臭氧氧化吸收法、液體吸收法等。現(xiàn)有的煙氣脫硝技術各具特點,經(jīng)過大量研究,取得了一定的研究成果。但均存在成本高、原材料消耗大等共性問題。因此研制開發(fā)脫硝效率高、成本低廉的煙氣脫硝凈化技術是今后的發(fā)展方向。在應用煙氣凈化技術時,需要根據(jù)具體工程項目需求進行技術經(jīng)濟對比分析,確定適宜的煙氣凈化工藝。
 
5、系統(tǒng)集成與匹配優(yōu)化問題
 
為了深度回收利用煙氣中的潛熱,用于煙氣余熱回收的循環(huán)水進水溫度需要低于煙氣露點溫度,在利用煙氣余熱預熱供熱網(wǎng)回水時,需要控制供熱網(wǎng)回水溫度低于煙氣露點溫度。對于利用換熱器回收煙氣余熱的技術。若采用低溫熱水供熱系統(tǒng),有利于提高煙氣余熱的回收效果。對于中高溫熱水采暖系統(tǒng),更適宜采用利用熱泵回收煙氣余熱技術。
 
當前在集中供熱系統(tǒng)中應用煙氣余熱回收技術時,大多采用的方式為在鍋爐尾部直接串聯(lián)煙氣余熱回收裝置,直接串聯(lián)造成排煙阻力增加,并且直接串聯(lián)的方式對煙氣余熱回收設備的檢修造成影響,因此需要在排煙管道設置旁通,此外,由于氣候補償技術,煙氣余熱回收裝置的優(yōu)化設計、加裝煙氣余熱回收裝置的供熱系統(tǒng)在不同供熱期內(nèi)的運行策略以及與熱泵的優(yōu)化匹配均是煙氣余熱回收技術應用于集中供熱系統(tǒng)中需要關注的重要問題。
 
五、結論
 
本文分析了當前我國典型的煙氣余熱回收利用技術及其在應用中存在的問題。綜述了利用換熱器回收煙氣余熱技術、利用熱泵回收煙氣余熱技術的研究現(xiàn)狀。剖析了典型煙氣余熱回收利用技術在集中供熱系統(tǒng)中的應用形式及其特點,指出了煙氣冷凝余熱回收中的關鍵技術問題和解決思路。為煙氣余熱回收利用技術的研究與推廣應用提供參考。

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