锅炉尾部烟气余热深度利用浅析_李志超

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作者简介:李志超(1981-),男,江苏常熟人,硕士,工程师, 主要从事锅炉等动力设备管理工作。
汽凝结成雾状并附着在飞灰颗粒上,随飞灰排除,是一种有效 的方案,但需要在新建或扩建项目为烟气换热系统预留空间。 且此处烟气含尘高、风速较小,结露的酸液易附着在管壁上污 染受热面。
2 国内余热回收技术
我国由于燃煤煤种复杂、煤质含硫量较高、入炉前脱硫应 用不多,导致尾部烟气中SO3含量较高,烟气的露点温度远高于 国外的平均水平,由此也限制了排烟温度的降低;另一方面国内 很多机组较为老旧尤其是一些小机组,经过多次的技改以后使 锅炉整体的工作状态大大偏离了设计工况。使回收尾部烟气余 热的省煤器、空气预热器等也由于材料材质、传热性能等的限 制并没有起到应有的效应,从而导致最后的排烟温度过高,有 些燃油锅炉的排烟温度甚至达到180℃。为了改变这种情况国内 一般采取以下措施: 2.1 调整燃烧和制粉系统
SO3的比率难于确定,所以烟气露点的计算值与实际值会存在一 定的差距[7]。
tld
E tsl
1/ 3
(S ) ar,zs 1.05(D fh Aar ,zs )
(1)
式中,tld为烟气酸露点温度;tsl为当前水蒸气分压力下的 水露点温度;Sar,zs、Aar,zs为对应于1000大卡发热量的收到基 折算硫份和折算灰分;当炉膛出口过量空气系数α=1.2~1.25 时,β=121;α=1.4~1.5时,β=129。 3.3 深度余热利用可能性分析
通过调整锅炉燃烧、制粉系统改造等方法使热量的吸收在 锅炉受热面中分配均衡,从而降低排烟温度。该种方法不须进 行设备改造,操作简单、经济成本低廉。但研究和实践表明,通 过燃烧调整改变排烟温度的范围有限,而且受燃料品种的影响 较大,使用这种方法降低排烟温度并不可靠。 2.2 改造空气预热器
空气预热器是锅炉最后一级换热器,加大其换热面积可以 直接降低排烟温度,故在原冷空气入口处加装前置式空预器是 有效降低排烟温度、回收尾部余热的措施之一。前置式热管空 气预热器加装在原有空气预热器之后,冷空气经热管空气预热 器加热后再进入原有空气预热器,从而有效减轻了原有空气预 热器的低温腐蚀。锅炉烟气余热用于加热冷空气,将使锅炉受 热面的换热分布重新分配,并使多处的烟气温度都有所改变。 因此,不能将其当作独立的换热器来设计,而要将其作为锅炉 尾部烟道的换热器之一整体考虑。换热器回收的热量全部带入 炉内,使锅炉受热面的传热分布改变,这对锅炉运行是很不利 的。尤其是小型锅炉会出现运行技术性能指标逐步变差的现 象。 2.3 通过喷雾增湿在电除尘处降低排烟温度
根据理论推导得出的上述烟气露点公式(1)在纯硫酸工 业应用较好,但是在燃煤锅炉灰分含量很大的环境中受到很大 限制,因此前苏联研究学者根据现场运行得出腐蚀速度随受热 面壁温的变化规律如图2所示,在国内得到了广泛的应用。由图 2可以看出,在酸露点C及水露点A之间存在一温度区域,即排烟
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1 国外低温腐蚀解决方案
国外很早就开始研究烟气的低温腐蚀问题,其燃煤在80年 代就已经全部通过洗选,保证了入炉煤的较低含硫量,使其各 种设备均具较低酸露点下的工作条件,并在尾部温度较低处采 用低硫合金钢,抗硫酸露点腐蚀钢等材料。对于脱硫后烟温较 低问题,欧美多采用在原烟囱内衬以玻璃鳞片树脂胶泥等防腐 材料,在气象条件不利时,对脱硫后烟气采用在烟囱底部加装 燃用清洁燃料器的做法提高烟气的扩散能力,解决“烟囱雨” 问题。另外还有一些电厂采用烟塔合一的方法,将脱硫后的烟 气送入循环水冷却塔中,与冷却空气和水蒸气一同排放,此法 既可省去烟囱建造费用又可提高烟气污染物的扩散能力。而在 日本燃煤电厂多采用管式气-气换热器即管式GGH系统,从电除 尘前吸收烟气热量回热给脱硫后的低温烟气,一方面使烟气温 度升高避免腐蚀烟囱,有利于污染物扩散,减低烟气进入电除 尘气温度,提高除尘效率,并能减少烟气硫含量和烟气量,使 风机效率,脱硫效率都有所提高。另一方面,可以使SO3与水蒸
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设计分析·
静电除尘器是尾部收集烟尘的主要手段之一,其效率取决 于烟气流速、含硫量、含尘量及灰尘粒径等多种因素影响,过高 的烟气温度会使除尘器的效率降低。例如:烟气温度130℃时除 尘效率99.35%而140℃时的效率仅为98.9%[2]。所以很多电站采 用在除尘器前通过喷水减温使入口烟温降低,提高除尘效率。 但是此方法却无法回收烟气中的热量,无法提高锅炉效率,同 时喷入的大量水雾不但会浪费大量的水资源,还会使积集灰尘 的含水量增大造成集尘板的腐蚀。 2.4 在脱硫设备的改造
Abstract:In order to analyze low temperature corrosion mechanism of the coal-fired boiler water tube surface,
search for feasible method of depth-utilization of the exhausted flue gas heat energy, low temperature corrosion mechanism, effects of sulfuric acid dew point and condensation on the corrosion formation were discussed. According to the actual situation in power plants, the advantages and disadvantages of waste heat recovery equipments are compared and evaluated based on the effective corrosion theory. The methodology to solve the low temperature corrosion and high effective heat recovery from flue gas is oriented.
在低温部位与烟气的水蒸汽作用生成硫酸蒸汽,并在壁温低于 硫酸蒸汽露点时凝结,使受热面发生严重的低温腐蚀。 3.2 烟气露点温度
烟气露点温度是指考虑了硫酸蒸汽存在的露点温度,是烟 气中酸凝结速率与酸蒸发速率相等时的烟气温度,即气液两 相体系处于平衡状态时对应的烟气温度。在气液两相体系中, 露点温度与混合体系各组分浓度的关系属于相平衡的范畴,因 而可以利用相平衡的理论多相混合烟气体系的露点温度进行分 析。
近几年出现的热管式低压省煤器技术,其主要特点是烟气 侧金属壁温可通过水侧流量在一定的范围内进行调节,使其高 于烟气酸露点,防止低温腐蚀和堵灰。但由于热管式低压省煤 器利用热管内的中间介质(水或蒸汽)进行了两次传热过程,热 管内蒸汽的饱和温度虽然在烟气侧换热面保证了金属壁温,但 在水侧换热面,却压制了加热后的出口凝结水水温,使得热管式 低压省煤器获得的收益较低。这也是利用热管式低压省煤器加 热凝结水的致命弱点。
烟气由多种组分组成,一般来说烟气中水的含量10%,当烟 气中硫酸的含量为0时,烟气的露点温度仅为45℃左右,但只要 有极少量的硫酸蒸汽存在,露点就会提高到100℃以上[ 4 ] ,例如烟 气中硫酸蒸汽的含量为0.005%时,露点可达到130℃~150℃[5]。 烟气露点受到燃料种类、燃料含硫量及燃烧方式、过量空气系 数、烟气中水蒸气含量及灰含量等多种因素控制,难以用一个 计算公式来表达各种情况。很多学者也通过理论研究数值模拟 等多种方法得出了一些经验公式。其中最为常用的为Muller公 式[6],使用热力学关系式计算硫酸蒸汽含量非常低的烟气酸露 点而得到,并且被许多研究者的试验所证实,如图1所示;
设计分析·
站的构想逐渐变为现实,电池可以充电5000次以上,即便每天 充电一次,也能够使用超过13年。这种电池主要是采用纳米科 技作为负极,使其能够快速的进行充电和放电,有效的突破了 锂电池的技术瓶颈,但是价格也比一般的电池贵了三倍以上。 ALTI公司认为钛酸锂电池可以快速使用且寿命比较长,并且这 款电池在英国的一家超级电动车场进行了测试。
·设计分析
锅炉尾部烟气余热深度利用浅析
李志超(常熟市第一人民医院,江苏 常熟 215500)
摘 要:为深入分析燃煤锅炉尾部受热面低温腐蚀的机理,找到尾部余热深度利用的可行之法,本文从低温腐蚀原理、硫酸露点及其凝结 形成机理出发,根据我国实际情况,分析比较了国内外使用的预防低温腐蚀、降低排烟温度、高效回收排烟余热的技术、设备及方法的优缺 点,结合有效腐蚀理论,指出锅炉尾部烟气余热深度利用的研究方向。 关键词:深度余热利用;低温腐蚀;露点;有效腐蚀
3 低温腐蚀原理分析
排烟温度降低会导致尾部受热面低温腐蚀现象加剧,而露 点则是低温腐蚀的一个关键指标,对其进行分析有助于找到克 服低温腐蚀、实现降低排烟温度的新举措。 3.1 低温腐蚀原理
燃料中含有的硫份在燃烧中生成大量的SO2,其一小部分 进一步与自由氧原子[O]反应生成SO3,另外在经过高温受热面 时,积灰也会通过其催化作用使一部分SO2被氧化生成SO3,SO3
排烟温度的高低直接影响锅炉热效率,排烟温度每降低 10~15℃发电煤耗就可降低1克[1]。电站锅炉大多在尾部烟道安 装省煤器、空气预热器、余热回收等设备以回收排烟热量,降 低排烟温度。但是由于一些电厂的机组设备陈旧,燃煤煤种经 常变化,煤质与原设计煤质相差巨大,导致排烟温度远高于设 计值。另外,由于燃煤含硫量较高,导致烟气酸露点提高而限制 了尾部设备的运行,使排烟温度无法降到设计值。因此,深入分 析烟气低温腐蚀的机理及烟气露点影响是解决锅炉尾部烟气 深度余热回收的重要条件。
图1 露点温度随SO3浓度变化关系图
此外前苏联的热工研究所(BTN)通过实验得到了露点经
验估算公式(1),该公式考虑了燃ห้องสมุดไป่ตู้中硫分与灰分含量对于露点
的影响,我国电力行业大多采用该公式计算酸露点,但锅炉中
的燃烧受到多种因素的影响,时刻都会发生变化,因此理论计
算的结果和实际的燃烧情况有一定的差别,尤其是SO2转化成
低压省煤器是一种安装在尾部烟道的热量回收装置[3],其 通过加热锅炉给水直接把热量回收到整个系统中,提高锅炉效 率而又不影响其他原有受热面的工作,是一种成熟的回收排烟 余热的方法。但受烟气露点温度的影响,排烟温度仍然低于原 有设计值。此方法可以有效的利用锅炉余热提高效率同时又保 证了设备的安全运行。但是适用范围恰又受安全考虑的影响, 限制了排烟温度的深度降低,所以要达到深度节能的目的需对 现有设备进行改造。
Key words:depth-utilization for waste heat;low temperature corrosion;dew point;effective corrosion
循 环热 效率 和 锅 炉 效率是 影 响 燃 煤电 厂经 济 性 高 低的 最重要因素,而冷源损失直接影响锅炉的循环热效率,锅炉 排烟损失则是锅炉热损失中最大的一项,约占锅炉热损失的 70%~80%。锅炉的排烟温度高,造成火力发电厂的煤耗量增 加。因此,降低锅炉的排烟温度,可以大幅度降低煤耗,节省能 源。
现电站尾部脱硫系统大多采用石灰石-石膏湿法脱硫系 统,但是湿法脱硫后的出口烟温通常只有50℃,虽然经过了脱硫 作用除去了部分硫份,但是硫酸蒸汽的露点温度依然很高,在烟 囱内壁上依然会凝结造成腐蚀;并且较低的排烟温度会大大影 响‘烟羽’的扩散作用,在环境空气中的水分接近饱和、气象扩 散条件不好时,烟气离开烟囱出口时会形成冷凝水滴,形成所谓 “烟囱雨”;同时由于烟温较高,会在脱硫系统中消耗过多的水 资源。有鉴于此,有一部分电厂投入了GGH系统,此方法是使用 气气换热器回收脱硫前的热量把脱硫后的烟气加热到80℃左 右。但是GGH系统的换热器却因为工作环境的问题而成为整个 FGD系统的故障点,上世纪80~90年代由于对FGD的性能还没有 完全认识、掌握,认为脱硫后的净烟气通过GGH加热之后,烟温 升高至80℃,可以降低脱硫后烟气对下游设备的腐蚀倾向。但 实践证明,烟气经过GGH加热后,烟温仍低于其酸露点,仍然会 在尾部烟道和烟囱中产生新的酸凝结。 2.5 加装余热回收装置
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