火力发电厂锅炉尾部烟气余热利用技术研究

赵冠雄

（国家能源集团华北电力有限公司廊坊热电厂，河北 廊坊 065000）

引言

在我国逐步进入“十三五”规划以来，对能源的需求缺口持续扩大，特别是火力发电仍属于电力来源的一大主要支柱，使高效用能已成为国内外行业研究的热点内容。同时，烟气预热利用技术是高效用能理念的集中表现，特别是梯级用能，是烟气利用技术遵循的核心原则之一，即以热力学原理为基础，全面分析能源品质，从而达到对烟气中不同品位能源充分利用的目标[1-2]。并且，即便烟气预热利用技术在近几年来取得了一定的发展成效，但是在具体应用期间，仍存在较多亟待解决的现实问题，会在很大程度上影响锅炉尾部烟气余热的利用效率，进一步影响火力发电厂锅炉运行效益。由此可见，从提升火力发电厂锅炉尾部烟气余热利用效率角度考虑，本文针对火力发电厂锅炉尾部烟气余热利用技术进行分析研究具有重要的价值意义。

1 火力发电厂锅炉尾部烟气余热利用技术的制约因素

1.1 设备制约因素

按能量品位的差异性，排烟温度可划分为低温、中温、高温三类，对于后两类而言，其能量品位较高，常规处理方法包括使用余热锅炉回收中温烟气、高温烟气中的能量，再利用汽轮机发电转化为电能。与此同时，该部分能量因处于较高能级，其处理方法相对简单。而对低位能级，采取的处理方法则相对有限，普遍以脱硫系统、省煤器为主[3-4]。

其中，省煤器主要布置在锅炉尾部竖井中烟气温度相对较低的区域，在火力发电厂锅炉方面，省煤器的应用优势作用明显。比如，省煤器可以吸收尾部竖井中的烟气热量，降低锅炉的排烟温度，提高锅炉的热作业效率，进一步满足节约燃料的要求。通常，给水进入水冷壁前需要与省煤器中进行加热处理，以此控制、减少水在水冷壁中预热所需的热量，并在一定程度上缩短热水段的长度，即使用价格低廉、管壁薄、管径小的省煤器，能够使受热面能替代部分造价高昂的水冷壁受热面，从而达到节约初期投资投入的目标。同时，省煤器的使用能明显提升进入汽包的水温，控制汽包壁与给水之间的温度差，使汽包热应力有效降低，进一步提高机组运行的安全性。此外，即便省煤器在低温烟气预热回收作业中的作用显著，但是对烟气流速的要求较为严格。由此可见，烟气流速对总体烟气换热的成效影响较大。综合考虑，需优化火力发电厂锅炉设备，避免受到设备制约，影响锅炉尾部烟气余热利用效率。

1.2 低温腐蚀因素

低温腐蚀普遍发生于烟道尾部，该部分烟气属于低温烟气。其中，燃料中硫元素燃烧后形成二氧化硫。特别是烟气中由炉膛逐步流向烟道过程中的二氧化硫，逐步氧化形成三氧化硫。三氧化硫与空气中的水蒸气相结合，易形成硫酸蒸汽，而烟气中的酸露点与三氧化硫的含量之间存在正相关关系，即露点温度随着三氧化硫的含量递增逐步上升。同时，酸露点明显高于水露点，可达到150 ℃左右，意味着硫酸蒸汽可能凝结于壁面，对金属壁面造成相对严重的腐蚀问题。此外，低温腐蚀问题的发生对余热利用的影响较大，比如空气预热器可能因腐蚀造成穿透，进一步导致空气与烟气相混合。

2 火力发电厂锅炉尾部烟气余热利用技术的应用要点

2.1 热管换热器的应用

热管换热器指由管体所构成的换热器设备，其中热管指作用高效的传热原件，被广泛应用在现代火电厂发电领域，其内部组成主要依靠工质循环进行热量传递。在具体使用期间，热管自身具备良好的导热性能及其相应的应用优势，且节能效果良好。与此同时，热管换热器的工作原理相对简单，即热源向吸热端提供能量过程中，处于管体内部的低沸点液体经吸热处理后完成汽化反应，该部分汽化后工质受压力作用影响，沿着管体内部流向放热段，工质释放的热量经冷凝后形成为液体，该流程中毛细液芯具有节流阀的作用，总体循环过程的本质是高品位能量向低品位能量流动的过程，这与热力学定律相符。

值得注意的是，热管换热器的设计优越性较为突出，具有工作性质良好、低温腐蚀损害少、作业原理简单、设备轻便易操作、传热方向可逆性等鲜明特点优势。其中，运用热管换热器能保证作业管体具备良好的导热性；受热管换热器能有效控制壁温的影响。因此，相关技术人员可通过增加壁面温度、规避酸露点等方法，有效解决低温腐蚀的问题。热管换热器则具有传热过程中传热方向可逆性的特点优势，该特点优势完全取决于两端的受热状况，特别是对有吸液芯的热管，经水平放置或处于零重力场下时，任何一段受热均可能演变成为蒸发段，另一端则演变成为凝结段。此外，在热管换热器在传热期间，其热流密度具有突出的可调性优势，热管能在很大范围内调整加热段、放热段的热流密度，特别是在具体作业期间，热管能轻易操控热流的走向。由此可见，在应用锅炉尾部烟气余热利用技术期间，需合理使用热管换热器，以此确保锅炉尾部烟气余热利用技术的应用效果得到有效提升，进一步使火力发电厂锅炉运行的综合效益得到有效提升。

2.2 相变换热器的应用

相变换热器是以热管换热器为基础演变发展所形成的一种全新技术，不同于热管换热器，相变换热器的突出特点优势在于相变，即持续细化、优化壁面温度的控制原理，以理论层面为基础，满足控制低温腐蚀的要求[5]。其中，相变模块指热管换热器的总体化设计，能保证温度梯度始终处于较小的范围，通过在集合相变期间采取调节水量参数的措施，以达到精准控制壁面温度的要求。从工作原理角度分析，相变换热器主要通过汽水分离装置两端连接上下管式换热器，确保蒸发段位于下端，吸收锅炉尾部烟气余热后使其内部介质始终处于相变态的阶段。

与此同时，所有蒸汽则沿着管内上升进入汽水分离装置，蒸汽进一步上升至上部冷凝段后，能使介质蒸汽由气态向液态转变，再沿着管壁流入汽水分离装置，进一步依次为循环进行吸热及放热处理。在相变换热器循环作业期间，循环介质量及介质所处于的工况被视为调节量，能满足更为精准控制壁温的要求。相变换热器的应用优势相对突出，其余热回收的适应性较强，特别是因自身构造特殊性的影响，能明显控制、降低排烟的温度，并在很大程度上提升余热回收的作业效率，节约能源消耗量，为火电发电厂赢得可观的经济效益。

并且，相变换热器能精准规避低温腐蚀问题，受水量控制参数的影响，使技术人员对壁面温度的控制模式趋向精确化，侧面说明运用相变换热器能明显消除低温腐蚀所产生的危害。当然，相变换热器通常将原热管换热器中相对独立的部分，经优化设计处理后，构造形成相互关联的整体，不仅能保证设计结构的整洁性，而且还能在很大程度上提升其一体化程度。

此外，相变换热器材料的耐用性较强，即相变换热器除继承热管换热器优越的技术特性外，还能有效处理不凝结气体等问题，使材料的耐用性得到有效提升。因此，综合考虑，有必要在火力发电厂锅炉尾部烟气余热利用技术应用期间，合理应用相变换热器，因此提升锅炉运行效率及质量。

3 结语

通过本文的分析探究，认识到烟气余热利用技术是近几年来我国能源领域重点发展的一种节能技术，其主体由热管换热器与相变换热器两种节能模式共同组成。但是，即便上述两种节能技术方案能够取得较好的节能效果，但是在具体工程应用期间，仍存在一系列问题，比如设备制约问题、低温腐蚀问题等。对此，火力发电厂需遵循“具体问题、具体分析”的基本工作原则，加大对锅炉尾部烟气余热利用技术应用的重视性，深入探究、分析技术应用效果，提高技术应用成效，进一步为火力发电厂锅炉高效、经济运行提供充分有效的技术支撑。