燃煤电站加装低温省煤器的节能环保分析

燃煤电站加装低温省煤器的节能环保分析

魏书洲1，刘喆1，邵建林1,白凌1,程伟良2

(1.三河发电有限责任公司，河北三河065201；2.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206)

摘要：排烟损失是电站锅炉损失中所占份额最大的一项，目前已有多种围绕烟气余热利用的技术，低温省煤器是其中应用较多的一种。通过回收烟气余热，用以加热凝结水或热网水，不仅节能效果显著，对后续环保设备的运行也有较大作用。针对本350 MW燃煤发电机组采用低温省煤器技术后，加热低压回热加热器来的凝结水，节煤效果比较明显，而且随运行负荷增加，节煤效果也在增加；同时烟气温度和体积流量也在减少，降低了粉尘比电阻，提升了除尘效率。因此，在当前环保要求愈为苛刻的情况下，大力推广电除尘器前设置低温省煤器的技术很有意义。

关键词：低温省煤器；节能；环保；粉尘比电阻

中图分类号：TM621.2

文献标识码：A

文章编号：1002-6339 (2015) 05-0432-04

Abstract：The loss of exhaust flue gas is the biggest of the loss of power station boiler. There are many kinds of technology of the waste heat utilization, such as the low economizer technology. By recovering the waste heat of the flue gas to obtain the heating for condensation water or hot-water network, not only the effect on energy-saving is remarkable, but also is beneficial to the operation of environmental protection equipment. Using the technology of low temperature economizer for the 350 MW coal-fired generating units and heating the condensation of water, the effect on coal saving is obvious. Moreover,as it increased, effect on coal saving also increased with the increase of load operation. The flue gas temperature and volumetric flow rate reduce, resulting in the decrease of dust specific resistance, and finally improve the efficiency of dust removal. Therefore, the emission standards are more stringent in the current environmental protection condition, it is very meaningful to promote the technology of low temperature economizer before electric dust collector.

收稿日期2015-07-05修订稿日期2015-08-25

基金项目：北京市自然科学基金资助项目(3132017);国家自然科学基金资助项目(51476056)

作者简介：魏书洲(1981~)，男，大学本科，工程师，从事火电厂节能环保技术研究及相关项目管理。

Analysis of Energy Saving and Environmental Protection with Low Temperature Economizer in Coal Power Station

WEI Shu-zhou1, LIU Zhe1, SHAO Jian-lin1，BAI Ling1,CHENG Wei-liang2

(1．Sanhe Power Generation Co., Ltd., Sanhe 065201,China;2.School of Energy Power

and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206,China)

Key words：low-temperature economizer;energy saving;environmental protection；dust specific resistance

0引言

电站锅炉是现代火力发电厂的主要设备之一，锅炉排烟热损失是电站锅炉各项热损失中最大的一项，一般在5%~8%之间，占锅炉总热损失的80%或更高。一般认为，排烟温度每升高12~15℃，锅炉排烟热损失约增加1.0%。

目前，我国煤电发展的目标是从机组运行经济性分析、设备质量以及燃料管理等多个方面入手，在燃煤发电生产过程中减少煤炭消耗、降低供电煤耗，实现电力生产的绿色发展。化石燃料的高效清洁利用、燃煤电厂烟气余热深度回收利用，当前已成为热门的重要议题。随着环保问题的日益凸显，发电企业已将节能环保列为头等大事，任何技术改造及革新项目必须兼顾国家的节能和环保要求。研究表明，烟气余热利用技术不仅能回收烟气余热，提高机组热效率，还能与后续污染物处理设备协同作用，起到良好的环保效果。

燃煤锅炉排烟温度一般在110~170℃左右，考虑投资收益和后续设备的低温腐蚀问题，一般在排烟温度超过130℃时，才考虑烟气的余热回收，目前烟气余热回收利用的技术主要有：加热凝结水以排挤部分抽汽、预热冷风、预热并干燥燃料、用于区域供冷供热等。

褐煤作为一种低热值煤炭，水分含量高达60%以上。利用烟气余热干燥，褐煤经脱水提质加工后，可以显著降低水分，大幅度提高发热量。据目前国内外褐煤干燥的设计运行报告，经过烟气干燥处理后，褐煤水分可以减少至15%。将该技术应用于国内300 MW褐煤锅炉机组中，可减少燃煤量34%，锅炉效率提高约1.16%，风机电耗下降约29.9%，同时制粉系统的功耗也有明显降低。

在冬季需要供暖的地区，利用烟气余热实现热网水的加热以替代部分低压抽汽，这一措施类似于利用余热加热凝结水的过程。但由于热网补水的温度往往更低，放热后的烟气温度易于达到露点，因此对换热器的防腐特性要求更高。

利用烟气-凝结水换热器，亦即通常所提及的低温省煤器，回收烟气余热来加热引自回热系统低压管道的凝结水，可排挤部分低压汽机抽汽，从而增加机组出力。此种烟气余热回收技术，是当前应用较多的一种。根据换热器出口烟温，可分为低温和低低温两种，一般认为，出口烟温高于烟气酸露点10℃左右的，称为低温省煤器；出口烟温在酸露点左右或低于酸露点的，称为低低温省煤器。可建立低温省煤器的分布参数数学模型进行仿真试验，有助于正确评价低温省煤器系统的安全性和可靠性[1]。某1 000 MW超临界机组锅炉烟气，经过空气预热器出口，进入低温省煤器，烟气温度降为130℃，放热给低压加热器的凝结水后，可节省7#或8#抽汽，降低煤耗1.642 g/(kW·h)[2]。通过烟气余热回收技术使排烟温度从124℃降至88.4℃，回收余热量为40.91 MW。凝结水(质量流量为573 kg/s)从低压加热器出来，送至低温省煤器，温度从60.7℃升高至80.6℃，即可完全替代相应加热器，排挤其抽汽质量流量为17.46 kg/s，获得功率增量为5 MW[3]。660 MW的燃煤电厂锅炉静电除尘器入口配有低温省煤器收集烟气余热， 表明低温省煤器能显著降低电除尘器出口的颗粒物数量。加装低温省煤器后，静电除尘器对颗粒物的收集效率显著提高，从而PM2.5和PM1.0的收集效率分别可以达到99.7%和99.2%[4]

利用烟气-空气换热器代替传统的低压抽汽蒸汽暖风器来预热空气，可以减少甚至取消暖风器中的辅助蒸汽用量，该部分节省的辅助蒸汽返回汽轮机继续做功，增加机组发电量；另一方面，由于冷风的预热，直接提高了进入空气预热器的冷一、二次风温度，最终提高进入炉膛的热风温度，有利于锅炉效率的提升[5-7]。

目前，为达到电厂的二氧化硫、氮氧化物及灰尘的超低排放，国内许多电厂开始进行机组为实现超低排放的技术改造，大部分是将进入污染物处理过程的烟气温度降低，因此增加了低温省煤器的这个技术工艺环节，以便更好地实现污染物的脱除。

1低温省煤器节能环保方法分析

大型燃煤电站锅炉流经空气预热器出口的烟气温度一般在110~150℃之间，该烟温水平下的余热回收，只能用于加热流经低压加热器的凝结水。低温省煤器与回热系统侧的低压加热器联结，构成了集成低温省煤器的烟气余热利用系统，所分析的系统如图1所示。机组的回热系统由八级回热加热器构成，从锅炉出来的烟气经过尾部烟道脱硝后，进入空气预热器放热，加热进入空气预热器的冷风。然后，进入低温省煤器，来加热从7#加热器流出的部分凝结水，最后经除尘器及脱硫环节等进入烟囱排向大气环境。

而从7#加热器来的凝结水在低温省煤器吸热后，流出来再回到6#回热加热器的出口处。通过低温省煤器的热交换过程，把烟气的余热回收进入回热系统，减少了部分汽轮机抽汽的放热，可增加在汽轮机中做功的蒸汽量，降低了烟气的进入后续污染物脱除设备的温度，为超低排放打下基础[8-10]。

图1　集成低温省煤器的烟气余热利用示意图

根据多依奇(Deutsch)电除尘器除尘效率公式

η=1-e-Aω/Q

(1)

式中η——除尘效率/[%]；

A——总集尘面积/m2；

Q——处理烟气量/m3·h-1；

ω——有效驱进速度/m·s-1。

由于在电除尘器本体电场基本尺寸一定的情况下，总集尘面积A为定值，有效驱进速度ω只与电气参数有关，可看出，烟气体积流量降低，电除尘器除尘效率升高。在电厂增加低温省煤器后，烟气温度从150℃降低到105℃，烟气体积流量降低10.6%。

粉尘比电阻是影响电除尘器除尘效率的一个重要因素。如粉尘的比电阻过低，烟气中的粉尘容易荷电并收集在集尘极板上，但是由于比电阻低，收集在收尘极板上的粉尘又很容易和收尘极板导通而失去电荷，失去电荷的粉尘又会飘落到烟气中，再次被荷电收集，如此在收尘极板上的跳跃现象，最后气流中粉尘可能被气流带出电除尘器，影响降尘的效果。而如粉尘比电阻过高，粉尘荷电并被收尘极板捕集后，在收尘极板上形成一层粉尘层，由于粉尘层的比电阻高，粉尘不容易放电，粉尘层厚度会逐渐增加，其电压降会变得很大，当电压降达到一定数值后，粉尘层局部被击穿，产生与电晕极极性相反的正离子，并向电晕极运动，中和电晕极带负电的粒子，既通常所说的反电晕现象。反电晕表现为电流增大，电压降低，粉尘二次飞扬严重，使得收尘性能显著恶化。一般认为，适宜电除尘器脱除的最佳粉尘比电阻为109~2×1010W·cm。

研究表明，烟气温度对粉尘比电阻有较大的影响，正常燃煤机组排烟温度基本在110~170℃，在此区间，粉尘比电阻和烟温呈正比关系，随着烟气温度的升高，粉尘比电阻升高，且针对不同煤种，粉尘比电阻不同，低水低硫煤粉尘比电阻尤其偏高。低温省煤器将烟温降低至100℃左右，粉尘比电阻降至较容易除尘的比电阻范围[11]。

由于低温省煤器将烟温降低至烟气酸露点附近，烟气中的SO3易与H2O反应，凝结成H2SO4，附着在灰粒表面，从而在电除尘器中随粉尘一并去除部分SO3。

2低温省煤器技术经济分析

某燃煤电厂中1#机组为350 MW亚临界锅炉，空气预热器出口烟温年平均在135℃左右，最高温度150℃，电除尘器采用双室五电场静电除尘器，比集尘面积75.47 m2/[m3/s]。进行的超低排放技术改造项目在电除尘器前加装了低温省煤器，使设计烟温从150℃降低至105℃，回收热量用来加热低压加热器的凝结水，水侧入口温度为70℃，出口温度为115℃。经烟气加热后回到6#低压加热器出口处。

表1采用的低温省煤器相关热力参数

名称结果烟气酸露点/℃95.05烟气水露点/℃43.78管束最低壁温/℃72.95进口烟气温度/℃150出口烟气温度/℃956#低加出水温度/℃107低温省煤器出口水温/℃115烟气平均流速/m·s-18.68水平均流速/m·s-11.01烟气侧计算阻力/Pa282.09本体水侧阻力/MPa0.0678

通过对本机组的技术改造，在投入低温省煤器运行后，锅炉排烟温度平均降低了25~55℃，锅炉排烟被冷却后体积减小；引风机出力降低，使引风机电耗减小约55~265 kW；厂用电率下降0.03%~0.076%。

为测试低温省煤器投入运行后的经济性，分别进行350 MW(100%BMCR)、260 MW(75%BMCR)和175 MW(50%BMCR)三种负荷下的节煤效果，计算了在低温省煤器投运后，这三个工况分别节省标煤2.14 g/kW·h、1.52 g/kW·h和0.70 g/kW·h(如图2所示)。从图可看出，随机组运行负荷的增加，投入低温省煤器的经济性也在逐渐增加，所以，从经济性的角度来看，尽量保持机组运行在高负荷范围内为最理想工况。

图2　低温省煤器节能效果示意图

在加装低温省煤器达到降低烟气温度的目标同时，进入脱硫吸收塔的烟气温度随之降低，通过热量蒸发而从吸收塔带走的水分也相应减少。经计算，吸收塔入口烟温从160℃降低至110℃(考虑引风机温升)时，脱硫系统水耗减少32 t/h，水耗降低38%。

烟气温度由150℃降低至105℃，烟气体积流量降低12%，而烟气流速由1.09 m/s降低至0.96 m/s，可降低风机电耗。

根据粉尘比电阻测试结果(见表2)，在烟温从150℃降低至105℃时，粉尘比电阻降低了一个数量级的程度，此时刚好处于最佳比电阻范围内，使得除尘效率可一直处在理想的效率范围。

表2除尘器比电阻测试结果

温度/℃比电阻/Ω·cm902.35×1091005.0×1091101.33×10101206.06×10101301.10×10111401.55×10111502.90×10111603.92×10111704.44×10111804.08×1011

综上所述，在机组加装低温省煤器后，达到了烟气体积流量和粉尘比电阻同时降低的情况，试验测试100%负荷时低温省煤器停运和投运两个工况，电除尘器出口粉尘浓度分别为17.92 mg/Nm3和11.68 mg/Nm3。电除尘器除尘效率由99.87%提高到99.91%。当机组处于75%负荷时，对于低温省煤器停运和投运两个工况，电除尘器出口粉尘浓度分别为16.18 mg/Nm3和12.43 mg/Nm3，电除尘器除尘效率由99.86%提高到99.89%。测试低温省煤器进出口灰样中SO3含量，分别为0.17%和0.63%，说明烟气中的飞灰附着SO3的含量增加，这样便于除去SO3。

3结论

针对本350 MW燃煤发电机组，在加装低温省煤器后，通过低压加热器来的凝结水回收了烟气的余热，提高机组的发电效率，在机组设计工况情况下，可实现节煤2.14 g/kW·h，节能效果显著，对排烟温度偏高的燃煤机组，该低温省煤器技术具有很强的工程应用价值；

经过低温省煤器降温和减少体积流量后的烟气，在经过电除尘器时，粉尘比电阻降低了一个数量级的程度，此时刚好处于最佳比电阻103~2×1010Ω·cm范围内，除尘效率大大提升，在当前环保要求较为严格的情况下，尤其需要大力推广在电除尘器前设置低温省煤器的技术。

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