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(duì)傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t能耗浪費(fèi)及氮氧化物排放的問(wèn)題，通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外燃?xì)忮仩t的發(fā)展現(xiàn)狀及國(guó)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(guó)內(nèi)傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)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(guó)近年來(lái)空氣污染問(wèn)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(guó)家對(duì)資源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，能夠推動(dòng)我國(guó)節(jié)能工作的順利開(kāi)展，也將獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2國(guó)外傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)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(wèn)題提及較少，并且國(guó)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(guó)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(kāi)研究。美國(guó)自2012年以來(lái)，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(guò)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(guò)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(guó)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(guó)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(guò)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(guò)高，這部分熱量沒(méi)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(wú)法避免水蒸氣排出的能量和水資源浪費(fèi)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)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(guò)煙氣含水量的入口和煙氣含水量出入口差值來(lái)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(guò)對(duì)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(duì)煤粉鍋爐的系統(tǒng)性能進(jìn)行的深入研究，之后通過(guò)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(guò)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(duì)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(guò)程中，低溫的水經(jīng)過(guò)煙氣加熱霧化噴淋，與煙氣接觸進(jìn)而換熱，在此過(guò)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(duì)于煙氣余熱的回收利用中，水蒸汽和煙氣接觸，因此對(duì)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(guò)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(wèn)題依靠在換熱器內(nèi)增設(shè)自動(dòng)加藥裝置，并對(duì)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(guó)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(guò)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(guò)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(lái)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(shì)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(wèn)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(duì)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(guò)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(duì)稱式板式換熱器由一系列不銹鋼板片組成，水蒸氣通過(guò)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??；②結(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(shì)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(duì)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(duì)流換熱系數(shù)；對(duì)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(shì)在于，對(duì)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(duì)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(wú)法進(jìn)行再循環(huán)利用，導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)。因此對(duì)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(guò)以上分析，可得出如下結(jié)論：（1）對(duì)于鍋爐煙氣余熱回收技術(shù)中的介質(zhì)換熱過(guò)程，其核心技術(shù)問(wèn)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(duì)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(shì)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(wú)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