燃煤电站锅炉烟气余热与水分联合回收技术展望与分析.docx

燃煤电站锅炉烟气余热与水分联合回收技术展望与分析汪洋中国华电工程（集团）有限公司, 北京, 100035RECOVERY OF HEAT AND WATER FROM BOILER FLUE GAS TECHNOLOGYWANG YangCHINA HUADIAN ENGINEERING CO.,LTD, Beijing ,China,100035- 5 -ABSTRACT: There is much heat enery an moisture in the boiler flue gas ,especially the temperature of Lignite coal flue gas is high and water evapor Volume content can reach 15%.Using condensing technology achieve Cascade use of waste heat,heating boiler feedwater and combustion air with recovery of water。Based on technology development of home and abroad , discussed four key technology , providing helpful reference for development of energy saving and water saving power plant.KEY WORD: coal-fired power plant;flue gas;heat recovery;moisture recovery; condensation摘要：燃煤电站锅炉烟气携热量大，且烟气中含有大量的水分，尤其是褐煤锅炉排烟温度高，烟气含水近15%（体积含量）。本文介绍了利用冷凝换热技术将烟气余热梯级利用，高温段加热锅炉给水，低温段用作锅炉暖风器，同时将凝结水收集过处理后回收利用。同时结合国内外该项技术的研究进展，阐述了该项技术的四大关键问题，为推动我燃煤国电站节能节水技术的发展提供有益参考。关键词：燃煤电站; 烟气；余热回收; 水分回收; 冷凝0 引言燃煤电站锅炉排烟携热量巨大,烟气含水率高，特别是燃用褐煤的电站锅炉排烟温度一般在140-150 oC,烟气体积含水量达15%左右，将锅炉排烟温度降低到烟气的水露点以下,烟气中呈过热状态的水蒸汽凝结, 凝结水在经过处理之后回收利用,对我国破解富煤缺水这一资源分布困局具有重要意义。充分利用烟气显热与水蒸汽潜热，用于加热锅炉给水，为锅炉暖风，提高热能的利用效率，同时在冷凝过程中, 烟气中的气体组分被冷凝水吸收、反应或凝结, 使得排烟中SO2 、N Ox 、Hg等有害物质的有效减少1 ,因此燃煤电站烟气余热与水分联合回收技术是一项既节能又环保的新技术, 是高效节能环保节水型燃煤发电示范工程核心技术之一，对我国建设环境友好型资源节约型社会意义重大。1 烟气余热与水分联合回收技术发展 2烟气余热与水分联合回收是通过冷凝换热器实现的，通过冷凝换热器将锅炉的排烟温度降低到足够低的水平，烟气中的水蒸气就会凝结而放出气化潜热，将气化潜热加以利用提高能源利用效率，同时收集冷凝水加以利用，减少系统水耗。烟气冷凝换热技术最先由西方发达国家研究及应用，20世纪70年代以来，荷兰、法国、英国、奥地利、德国和美国相继进行了研制，在锅炉中增设各型冷凝换热器，回收并利用烟气中水蒸气冷凝时放出的汽化潜热，使得锅炉效率可提高10%15%。法国的煤气公司和液化工业公司1971年最早对冷凝式锅炉进行了研究，并于1972年就已经安装了几种系统，多年来运行很好，到1985年仅有7500台，后来每年增加5万台，2000年法国全部供热锅炉中冷凝式占50%以上。国外冷凝式供热锅炉的生产与应用也已具有一定规模，荷兰到1984年，住宅供热锅炉的10%为冷凝式锅炉，其他类建筑达25%以上。1985年生产了2.5万台热功率为951200 kw的冷凝式锅炉，占全部供热锅炉年产量的20%，到1995年住宅供暖使用230万台，工业建筑中使用15万台冷凝式锅炉，一年共节省20亿m3天燃气。此外，英国、奥地利、德国和美国等国在1978年就开始了整体式冷凝式锅炉的大规模研究。我国国内一些科研单位对冷凝式锅炉进行了研究。冷凝式燃气热水器/炉的研究和开发从1995年开始起步，谭顺民、陈兴华等人对冷凝式燃气热水器/炉的热工性能、热效率等方面作了一些研究。车得福等对冷凝式天然气锅炉热能回收利用的潜力、前景、可行性与经济性作了研究。北京建筑工程学院在21KW天然气锅炉尾气烟道上安装了冷凝式换热器，进行热回收实验和环保分析，通过冷凝式换热器回收烟气中的潜热和显热，提高热效率5%，在81.4KW的天然气锅炉做实验台，采用管壳式PTFE冷凝式换热器，可回收烟气余热，热效率提高8%，脱硫在效率在20%-40%之间。目前冷凝式锅炉已经在北京广源小区和洋房小区等供暖锅炉上得到应用。此外国内万和、万家乐、方太已有冷凝式换热器产品投放市场，但是市场占有率低，进入中国市场的冷凝式换热器还多为外国产品。冷凝换热技术目前还主要用于小型供热燃气锅炉和燃气热水器设备上，处理烟气量小，设备规模小，技术还处于推广过程中。2 燃煤电站烟气余热与水分联合回收技术2.1燃煤电站烟气余热与水分联合回收系统概述燃煤电站烟气余热与水分联合回收系统与锅炉和汽机系统耦合起来，如图1，在ESP和FGD之间设置低温省煤回收烟气热量加热锅炉给水，为了冷凝烟气中的水分以及充分利用烟气余热，设置第二级换热器发挥锅炉暖风器功能，两级换热体现了能量梯级利用的思想，提高了能源利用效率。为了进一步凝结烟气中的水分，设置第三级换热器，冷却介质为环境空气，通过三级换热器，烟气余热得到充分利用，烟气水分等到最大限度的回收，该装置可使电厂效率提高1.5-3个百分点。以一台1000MW燃用褐煤锅炉机组为例，燃煤量650-700t/h，褐煤含水30%-50%，烟气中的水分回收率50%-80%，每小时回收烟气中的水分100-150t左右。回收的凝结水比较洁净，对冷凝水进行简单处理之后即可回收利用。图1 烟气余热与水分联合回收系统概念图该技术不但能够回收烟气余热与水分，而且在冷凝过程中，SOx以及汞等有害物质一同被去除，同时有效减少湿法烟气脱硫系统的水分蒸发，甚至不蒸发，可以实现“零水耗”湿法烟气脱硫，解决了缺水地区湿法脱硫适用性的问题，将大量的冷凝水回收利用，充分节约电厂用水量，对我国的电力工业的发展意义重大。2.2国内研究及应用情况冷凝换热技术在燃煤电站锅炉全烟气量的处理上还未见应用。目前国内大型燃煤烟气余热利用项目始于上海外高桥三期2X1000MW机组的低温省煤器，低温省煤器已经体现节能节水的思想，该技术在国内多个电厂得到应用，已规模化产业化，但烟气经过低温省煤器冷却温度依然较高，烟温远未达到烟气的水露点，烟气的余热还具备较大的回收潜力。上海交通大学，雷承勇3等进行了燃煤电站烟气水分回收技术试验研究，主要进行了实验室实验，探索了冷凝水冷凝规律，冷凝水捕集率与烟气流速、水蒸汽容积份额以及换热器冷却水流量的关系，同时探讨了抗腐蚀材料的选取。总之在国内针对大型电站锅炉烟气冷凝换热研究较少，该领域的研究处于起步阶段。2.3 美国燃煤电站烟气余热与水分联合回收技术研究简介4美国能源部于2006年资助了一项锅炉烟气水分回收的科研项目（资助号DE-FC26-06NT42727），项目由美国里海大学（Lehigh University）能源研究中心承担，研究主要分为两个阶段。第一阶段的研究已在2008年12月完成，主要工作内容是通过实验室及中试规模实验结合数值模拟手段研究应用冷凝换热器回收燃煤电站烟气中的水分，进行了该技术的初步探索。锅炉烟气水分来自三个途径，燃料水分、燃料氢的氧化、助燃空气携带的水分。烟气中水分含量与煤种关联性较强，尤其褐煤锅炉烟气含水量较大，回收的冷凝水可用于与电厂循环冷却水补水或脱硫工艺水。研究人员充分利用计算机模拟技术研究换热器换热特性以及锅炉和汽机热力系统热回收潜力，研究了不同工况条件下水分回收率，部分过程条件下水分回收达70%，根据不同的煤种电厂效率可增加1.8-3.9%，如将烟气冷却至环境温度，烟气中汞的脱除率达60%，该技术具有良好节能、节水作用，极具环保价值。目前研究人员正在执行第二阶段的研究工作，第二阶段研究是第一阶段研究的延续，研究重点着眼于水和酸冷凝规律研究；开发高性价比抗腐蚀换热管；优选冷凝液处理工艺；开发全尺度冷凝换热器等几个方面的研究。美国能源部希望未来将该技术放大到全尺度燃煤电站锅炉上去。3 关键技术（1）全厂热力系统模型搭建与热力系统模拟。烟气余热与水分联合回收技术奖冷凝换热系统与锅炉和汽轮机热力系统耦合起来，系统复杂，过程模块众多，通过手工计算难度大，应用先进的流程模拟软件ASPEN PLUS可以对全厂热力系统进行建模，优化工艺过程，计算能量回收效能，核算烟气余热回收产生的经济效益。FOSTER WHEELER和ALSTOM在富氧燃烧锅炉以及超临界循环流化床锅炉技术开发过程中成功应用ASPEN PLUS 完成了新技术的概念设计，成功实现全厂系统的模拟，如图2，概念设计阶段提高研究效率，缩短研发周期，降低研发成本。里海大学能源研究中心的研究人员充分利用ASPEN PLUS成功对冷凝换热系统与全厂热力系统耦合建模对系统进行研究优化，有效推进了研究进程，丰富了研究内容及研究数据。图2 FOSTER WHEELER富氧燃烧循环流化床锅炉电站系统模型（2）烟气中的水分、酸性物质以及汞等物质的凝结吸收特性研究。研究烟气中的水分、酸性物质以及汞等物质的凝结吸收特性，充分了解烟气中的水分凝结规律，掌握SO3、SO2、HCl、Hg2+在水分凝结过程中的吸收反应特性，以及Hg0汞的凝结析出规律，建立水分回收与污染物去除模型，指导工程设计。（3）经济型抗腐蚀冷凝换热器研究。烟气余热与水分联合回收技术的核心设备是冷凝换热器，烟气冷凝过程换热器环境恶劣，冷凝酸液pH处于1-2之间，冷凝液中含有大量酸性物质，需要性能良好的耐酸材料，燃气冷凝换热领域已经广泛采用镍-铜-磷涂层材料，可加以借鉴，但要充分考虑除尘后燃煤烟气条件，开发适用于燃煤电站烟气的条件的镍-铜-磷涂层材料管束，甚至也可采用非金属换热器，如化工领域广泛使用的氟塑料换热器等，最终使用何种材料需要从成本收益角度充分考虑。（4）遴选适合燃煤锅炉烟气凝结水处理工艺。冷凝液中含有少量灰尘，大量酸性物质，以及微量重金属，且pH值较低，针对冷凝水的特性，选取经济的工艺流程及处理设备，除去以上物质，中和酸性环境，将凝结水回收利用，可用作电厂循环冷却水或脱硫系统的工艺水，减少电厂从环境取水。4 结论（1）冷凝换热技术在燃气锅炉及热水器领域研究较多，在我国存在一些成功案例，但装置规模较小，将该技术用于燃煤电站需做一些针对性研究工作。（2）美国能源部非常重视火电厂节水工作，在全美展开了若干节水技术研究，基于冷凝技术的燃煤电厂烟气水分与热量回收研究前景较好，但处于基础研究阶段，全尺度工业应用还尚需时日。（3）开展基于冷凝换热技术的烟气余热与水分联合回收系统研究，占领节能节水环保型电站技术的至高点，对我国破解富煤缺水这一资源分布困局具有重要意义，余热与水分联合回收技术是一项既节能又环保的新技术, 是高效节能环保节水型燃煤发电示范工程核心技术之一，对我国建设环境友好型资源节约型社会意义重大。（4）为了缩短研发周期，减少研发投入，提高研发效率，借鉴国外先进研究机构应用先进流程模拟软件以及CFD和有限元软件进行工艺系统及核心设备的开发的经验，开发出具有自主知识产权的燃煤电站烟气余热与水分联合回收技术。参 考 文 献 1 孙金栋, 贾力, 陈铁兵. 烟气冷凝的环保分析 J . 北京建筑工程学院学报, 2000, 16( 3) : 6- 11.2 刘重阳. 烟气冷凝介质中耐蚀材料的筛选及腐蚀行为研究 D.硕士学位论文,大连：大连理工大学2010.3 雷承勇等.燃煤电站烟气水分回收技术试验研究 J.锅炉技术,2011,42(1):5-7.4 U.S.