傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀

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摘要：本文針對傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t能耗浪費(fèi)及氮氧化物排放的問題，通過分析國內(nèi)外燃?xì)忮仩t的發(fā)展現(xiàn)狀及國內(nèi)目前常用的鍋爐煙氣余熱回收技術(shù)，并著重介紹了鍋爐煙氣余熱回收的兩種技術(shù)，直接接觸冷凝式及間接接觸冷凝式，為進(jìn)一步研究傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t的節(jié)能換熱技術(shù)，奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：燃?xì)忮仩t；節(jié)能；余熱回收

1國內(nèi)傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t發(fā)展現(xiàn)狀

我國傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t中排煙溫度一般在180℃以上，排出的煙氣仍然具有很高的熱能，這部分余熱熱能得不到利用而直接排出，導(dǎo)致了環(huán)境的污染，同時(shí)也造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。排出的煙氣攜帶著余熱，余熱資源利用率較低，特別是在煙氣露點(diǎn)溫度以下的部分。另外，我國近年來空氣污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，其中危害最大的霧霾現(xiàn)象的成因之一就是水蒸氣因素，傳統(tǒng)煙氣直接排入大氣中會(huì)致使大量的水蒸氣排入大氣，轉(zhuǎn)變?yōu)榫坝^污染，加劇霧霾現(xiàn)象。天然氣的燃燒產(chǎn)物還含有氮氧化物，其不僅會(huì)危害自然環(huán)境，而且在光照的催化下會(huì)形成化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物還會(huì)直接引發(fā)人們身體各部位器官的癌變。綜上所述，傳統(tǒng)大型燃?xì)忮仩t的進(jìn)行節(jié)能減排優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，既提高了天然氣利用率，又達(dá)到減少環(huán)境污染物排放的目的，體現(xiàn)了國家對資源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，能夠推動(dòng)我國節(jié)能工作的順利開展，也將獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2國外傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t發(fā)展現(xiàn)狀

國外燃?xì)忮仩t研發(fā)早，技術(shù)較為成熟，目前冷凝鍋爐標(biāo)準(zhǔn)熱效率普遍能達(dá)到（即平均熱效率）94.5%。但是氮氧化物的排放問題提及較少，并且國外目前仍在大量投入研發(fā)燃?xì)忮仩t熱節(jié)能改造，致力于鍋爐的熱效率、環(huán)保等方面的進(jìn)一步完善改造，國外擁有眾多前沿燃?xì)忮仩t改造技術(shù)理論，但是較為雜亂且多數(shù)將節(jié)能與降氮理論分開研究。美國自2012年以來，要求氣體加熱水鍋爐的效率最小達(dá)到82%，而油加熱水的鍋爐效率則要求達(dá)到84%。決策者為了提高鍋爐的熱效率，實(shí)施安裝冷凝式鍋爐，這些冷凝式鍋爐可改變最大熱效能，典型不銹鋼或鋁質(zhì)可以達(dá)到90%以上的燃料操作效率。提高熱效率的原理在于冷凝鍋爐利用了水蒸汽冷凝變?yōu)橐簯B(tài)水時(shí)所排放的氣體額外的熱量，由此可知，通過適當(dāng)條件下的運(yùn)作，利用水蒸氣的潛在熱獲得額外的一些廢熱，是冷凝式鍋爐熱效率比傳統(tǒng)鍋爐提升超過10%以上的原因所在。為了提高傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t的熱效率，一些國外的鍋爐制造商嘗試增加鍋爐的熱交換器或改進(jìn)鍋爐的同流熱交換器。傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t提高熱效率的最優(yōu)化關(guān)鍵點(diǎn)在于最小化二氧化碳的排放量、節(jié)省鍋爐燃料資源以及降低設(shè)備的操作成本等。

3燃?xì)忮仩t節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1冷凝換熱技術(shù)

目前，大多數(shù)國內(nèi)的燃煤電廠和部分大型燃?xì)忮仩t設(shè)備均采用濕法脫硫技術(shù)進(jìn)行煙氣處理，煙氣經(jīng)過會(huì)含有大量的水蒸氣，水蒸氣遇冷凝結(jié)，再排入大氣環(huán)境，造成了空氣污染現(xiàn)象的惡化，另外排出的水蒸氣一般溫度過高，這部分熱量沒有被利用直接排入大氣造成直接的熱量浪費(fèi)。此外，經(jīng)過濕法脫硫技術(shù)中的電除塵，大部分的顆粒物會(huì)被去除，但是仍然無法完全去除微細(xì)顆粒物。濕式煙氣換熱原理。燃?xì)忮仩t的煙氣經(jīng)過濕法脫硫設(shè)備后，其排煙中含有大量水蒸氣，呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，溫度達(dá)到50℃左右。處理之后的煙氣在經(jīng)過冷凝換熱后，因?yàn)榕c較低溫度的換熱管壁接觸，產(chǎn)生凝結(jié)，會(huì)在管壁表面形成一層冷凝液膜。另外設(shè)備內(nèi)部還會(huì)由于存在不凝結(jié)的氣體，而在煙氣和冷凝液膜間形成不凝結(jié)的氣體邊界層。冷卻水與煙氣將在管壁、不凝結(jié)的氣體邊界層和冷凝的液膜之間不斷進(jìn)行換熱。濕式煙氣換熱技術(shù)中放熱量計(jì)算公式如下：煙氣冷凝放熱量：dQc=hf(Tg-Ti)dA(1)冷凝的液膜與煙氣潛熱放熱量：dQconv=KGrlnPg-P/(Pg-PvdA)(2)冷卻水與冷凝液膜間換熱量：dQ=hc(Ti-Tw)dA(3)利用脫硫設(shè)備處理后的煙氣，雖然氣質(zhì)得到了改善，但是仍然無法避免水蒸氣排出的能量和水資源浪費(fèi)問題。這個(gè)問題，冷凝換熱技術(shù)可以完全解決，利用該技術(shù)可以將高溫水蒸氣凝結(jié)繼而回收這部分水資源，回收的這部分水資源量可以通過煙氣含水量的入口和煙氣含水量出入口差值來表示為：N=V1ρ1-V2ρ2(4)式中：V1表示煙氣入口體積流量，m3/h；ρ1表示入口處水蒸氣的密度，kg/m3；V2表示煙氣出口的體積流量，m3/h；ρ2表示水蒸氣入口的密度，kg/m3。譚厚章等人通過對傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t的研究改造發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t節(jié)能優(yōu)化改造主要在于提高煙氣潛熱回收率、增設(shè)水蒸氣循環(huán)利用裝置以及氣體除塵裝置，他們對煤粉鍋爐的系統(tǒng)性能進(jìn)行的深入研究，之后通過系列高功率機(jī)組進(jìn)行了鍋爐潛熱、節(jié)水和除塵的試驗(yàn)工程，最后研發(fā)出了集熱量回收、水蒸氣回收循環(huán)和煙氣除塵效果于一體的濕式相變凝聚系統(tǒng)，經(jīng)過系列試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在任何正常運(yùn)行的工況下都能達(dá)到很好的目標(biāo)效果，系統(tǒng)在最優(yōu)的運(yùn)行工況下，除塵效率最高達(dá)到了71.11%，相較于同等運(yùn)行工況下的傳統(tǒng)鍋爐，系統(tǒng)排煙溫度降幅達(dá)最大達(dá)到了2.87℃，煙氣熱量的回收最大達(dá)到了3.49MW和3.59MW，回收的排煙中攜帶水量達(dá)到4.32t/h。和傳統(tǒng)鍋爐相比較，冷凝式鍋爐不僅爐體相對較高，而且排出的煙氣溫度可以得到大幅度降低。不僅能夠高效的節(jié)約燃料氣，而且減少了不必要的熱能浪費(fèi)，還可以一定程度的凈化煙氣，去除有害物質(zhì)。

3.2直接接觸冷凝式與間接接觸式換熱技術(shù)

（1）直接接觸冷凝式。冷凝換熱的基本原理是排煙和水直接接觸進(jìn)行換熱，換熱的過程中，低溫的水經(jīng)過煙氣加熱霧化噴淋，與煙氣接觸進(jìn)而換熱，在此過程中煙氣溫度降低，直至露點(diǎn)溫度以下，水蒸氣因凝結(jié)放熱，這樣既回收了煙氣余熱又利用了水分。燃?xì)忮仩t對于煙氣余熱的回收利用中，水蒸汽和煙氣接觸，因此對于熱網(wǎng)水和煙氣直接進(jìn)行換熱并不適用，一般情況下，吸收式熱泵往往結(jié)合直接接觸式換熱器進(jìn)行應(yīng)用，排出的煙氣和吸收式熱泵產(chǎn)出的低溫水經(jīng)過換熱器后排出，低溫水被加熱升溫后再次進(jìn)入吸收式熱泵，降溫后再次進(jìn)入換熱器，另外設(shè)備的腐蝕問題依靠在換熱器內(nèi)增設(shè)自動(dòng)加藥裝置，并對低溫水及設(shè)備的關(guān)鍵部分進(jìn)行相應(yīng)的防腐處理。法國人R．Guilletde在傳統(tǒng)的鍋爐的改造方面提出了接觸式噴淋填料塔裝置，該裝置現(xiàn)在也被經(jīng)常用于電廠中。該方法主要是在傳統(tǒng)的鍋爐當(dāng)中增設(shè)首填料塔，鍋爐內(nèi)排出的高溫水蒸汽不再直接排入大氣，而是用于鍋爐自用燃料-鍋爐進(jìn)風(fēng)時(shí)的預(yù)熱，預(yù)熱后的水蒸氣再次通過填料塔進(jìn)行噴淋降溫，鍋爐排出的這部分高溫蒸汽相當(dāng)于進(jìn)行了兩次降溫處理，煙氣溫度的降幅最高可以達(dá)到120℃。高宏偉等人在進(jìn)行燃?xì)忮仩t煙氣余熱換熱實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，研發(fā)了DCC-HRS能源回收技術(shù)。研究表明，在該種換熱結(jié)構(gòu)中，絕大部分鍋爐排放的煙氣余熱能被循環(huán)水吸收，同時(shí)煙氣在洗滌過程中還溶解了SO2、NOx、TSP，既充分回收了煙氣熱量又達(dá)到了凈化氣體污染物的效果。DCC-HRS系統(tǒng)加熱冷水，可以使冷水溫度達(dá)到60℃左右，熱量不足的部分可以采用原加熱系統(tǒng)來加熱，這種方式既做到了小工作量、設(shè)備小巧便捷，同時(shí)改善了水蒸氣冷凝后產(chǎn)生白煙現(xiàn)象。綜上可知，直接接觸換熱技術(shù)的優(yōu)勢在于可以較好的進(jìn)行鍋爐排煙熱量的回收，效果顯著，并且能高效的進(jìn)行水蒸氣的循環(huán)利用，但該技術(shù)同樣存在問題，當(dāng)排煙溫度低于其露點(diǎn)時(shí)，會(huì)形成凝結(jié)水，因?yàn)槟Y(jié)水中含有腐蝕性物質(zhì)，則會(huì)因?yàn)樯闪烁吒g性冷凝液，而對設(shè)備使用壽命造成影響，形成了該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的一大難題。（2）間接接觸式換熱技術(shù)。間接接觸式換熱技術(shù)主要分為列管式換熱器和板式換熱器。管式換熱器的工作原理為：采用由“管、殼”典型列管換熱器，煙氣熱量通過管子的內(nèi)外壁進(jìn)行接觸、換熱進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。板式換熱器的工作原理：非對稱式板式換熱器由一系列不銹鋼板片組成，水蒸氣通過換熱器的內(nèi)部流動(dòng)時(shí)充分接觸換熱器的內(nèi)部水，從而進(jìn)行了煙氣熱量的傳遞和吸收。該方式的技術(shù)特點(diǎn)為：①換熱效率高，熱損失?。虎诮Y(jié)構(gòu)緊湊，面積小，重量輕；③在相同損失壓力下，換熱系數(shù)高于比列管式3~5倍，熱回收率高達(dá)90%以上。這種板式換熱器的優(yōu)勢在于傳熱換熱效率高，但是不能大型化。李東等人進(jìn)行鍋爐傳熱研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，將毛細(xì)泵環(huán)（CPL）應(yīng)用于傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t的傳熱器改造中，在傳熱器的蒸發(fā)器內(nèi)增設(shè)該設(shè)備，能夠直接影響鍋爐排煙余熱的回收效果。CPL由于自身特有的屬性，其在溫差極為接近的情況下仍然可以產(chǎn)生較好的傳熱功能，此研究結(jié)果對于燃?xì)忮仩t傳熱器的改造方面具有推動(dòng)型的作用。畢喜柱等人在燃?xì)忮仩t的節(jié)能研究中發(fā)現(xiàn)，為了最大程度節(jié)能優(yōu)化燃?xì)忮仩t，可以同時(shí)改進(jìn)燃?xì)忮仩t的換熱裝置和熱管換熱器的組合形式。在其實(shí)驗(yàn)中，燃?xì)忮仩t的換熱裝置采用了渦街技術(shù)，將換熱器改進(jìn)為高效的渦街換熱器，并且加倍提高排煙氣兩側(cè)的對流換熱系數(shù)；對于熱管換熱器的改造方面，改變了之前傳統(tǒng)鍋爐采用的單一加熱方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r(shí)加熱空氣和熱水的組合形式。改造之后的燃?xì)忮仩t，在同等工況下，鍋爐的排煙溫降最高時(shí)可以達(dá)到155℃，鍋爐的效率最優(yōu)條件下提高了6%以上。綜上所述，間接接觸和直接接觸換熱技術(shù)的不同點(diǎn)在于，間接接觸式其換熱效率較高，運(yùn)行更為平穩(wěn)可靠，傳熱系數(shù)較高，相較于傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t，傳熱的能力得到了大大的提升；另一方面，直接接觸式換熱器的優(yōu)勢在于，對于煙氣的回收率較高，煙氣中的有害雜質(zhì)物能較好地吸收，而且更節(jié)能，更環(huán)保，該種方式的換熱器，在煙氣余熱回收方面更為有效，但是對于換熱器的改造我們應(yīng)該清楚，任何一種改造方式都存在利弊。例如，直接接觸式的換熱器因?yàn)榛厥盏乃|(zhì)為酸性，無法進(jìn)行再循環(huán)利用，導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)。因此對于燃?xì)忮仩t的改造我們要根據(jù)工程實(shí)際正確的選擇兩種換熱器，盡量降低設(shè)備冷凝造成的熱量損失以及最大化的提高燃?xì)忮仩t的供熱效率。

4結(jié)論

通過以上分析，可得出如下結(jié)論：（1）對于鍋爐煙氣余熱回收技術(shù)中的介質(zhì)換熱過程，其核心技術(shù)問題仍是高效傳熱技術(shù)。（2）間接接觸式其換熱效率較高，運(yùn)行更為平穩(wěn)可靠，傳熱系數(shù)較高，相較于傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t，傳熱的能力得到了大大的提升。（3）相較于直接式接觸換熱技術(shù)，間接接觸技術(shù)當(dāng)前發(fā)展較為成熟，但是對于煙氣潛熱回收效果有限。（4）直接接觸換熱技術(shù)的優(yōu)勢在于可以較好的進(jìn)行鍋爐排煙熱量的回收，效果顯著，并且能高效的進(jìn)行水蒸氣的循環(huán)利用，但因?yàn)榛厥盏乃|(zhì)為酸性，無法進(jìn)行再循環(huán)利用，導(dǎo)致了水資源的浪費(fèi)。

作者:李美瑩 申思 張媛 單位:西安思源學(xué)院