排烟余热利用技术分析.docx
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排烟余热利用技术分析
摘要
锅炉排烟热损失一直都是锅炉热损失中最主要的一项。
排烟温度偏高一直是国内各个电站普遍存在的问题,尤其是运行了一段时期的电站,因为运行参数偏离了设计参数,或煤种变等原因,常常造成排烟温度过高。
这不仅影响电厂的热经济性,而且为烟气换热器的安全运行也埋下隐患。
因此,为了提高电站运行的安全可靠性且做到节能降耗,必须想办法降低排烟温度。
余热回收是一项国家鼓励与大力扶持、推广的节能环保项目。
“十一五”期间,国家对余热再利用产业实施的专项扶持政策,有力地促进了我国余热回收技术进步和产业发展。
“十二五”对余热再利用产业扶持政策力度的加大,其市场前景会更加广阔。
中低温烟气一般含有腐蚀性物质、飞灰等杂质,而且烟气温度相对较低,热品质低,直接影响了烟气余热利用方案的实施或正常运行。
文中首先介绍了烟气余热利用过程中低温腐蚀、积灰的产生机理以及各自的影响因素,然后提出了防止低温腐蚀及积灰的措施,对于中低温烟气余热利用装置的设计与运行起到参考作用。
分别用热平衡法、火用平衡法、能级平衡法对余热利用装置进行热经济经分析及评价,得出余热利用的基本原则,不仅要从量上充分利用余热而且要从质上充分利用余热,要做到按质用能、梯级利用。
本文介绍了降低排烟温度和排烟损失的各种途径,并重点介绍了烟气换热器系统在降低排烟温度上的实际应用情况。
本文研究了烟气换热器系统的工作原理,分析了影响经济性的各个参数,给出了优化设计模型。
并以某电站加装低压省煤器为例,在给定排烟温度的条件下,依据优化设计模型,计算得到了换热器最优受热面布置方式。
然后依据局部经济性计算的方法对加装烟气换热器的热力系统进行了分析,为烟气换热器的优化选型提供参考。
关键词:
排烟;余热利用;热力分析;换热器;优化设计
Abstract
Boilerexhaustheatboilerheatlossisalwaysthemostimportantoneloss.Highexhaustgastemperatureofeachpowerplanthaslongbeenacommonproblem,especiallyinaperiodofrunningthestation,becausetheoperatingparametersdeviatefromthedesignparameters,orchangecoalandotherreasons,oftenresultingintheexhaustgastemperatureistoohigh.Thisnotonlyaffectstheeconomyofthermalpowerplants,butalsoforthesafeoperationofthefluegasheatexchangeralsolayhidden.Therefore,inordertoimprovethesafetyandreliabilityofplantoperationandtoachieveenergysaving,wemustfindwaystoreduceexhaustgastemperature.Heatrecoveryisacountrytoencourageandstronglysupportthepromotionofenergysavingprojects.Duringthe"EleventhFive-Year",thestateofimplementationofwasteheatrecyclingindustryspecialsupportpolicies,effectivelypromotedthedevelopmentofChina'sprogressandindustrialwasteheatrecoverytechnology."TwelveFive"forwasteheatre-useindustrialpolicyeffortstoincreaseitsmarketprospectswillbeevenbrighter.Averagelowtemperaturefluegascontainingcorrosivesubstances,flyashandotherimpurities,andrelativelylowfluegastemperature,lowthermalqualitydirectlyaffectstheimplementationoffluegaswasteheatutilizationschemeornormaloperation.Thispaperintroducestheprocessoflowtemperaturewasteheatutilizationcorrosion,fouling,andthemechanismoftheirinfluencingfactors,thenproposemeasurestopreventlowtemperaturecorrosionandfouling,forthedesignandoperationoflow-temperaturewasteheatutilizationdeviceplaysreference.Heatbalancemethodwereused,exergybalance,levelbalancemethodforwasteheatutilizationdevicebythermalanalysisandeconomicevaluationofthebasicprinciplesofwasteheatutilizationresultsnotonlyfromtheamountofleverageonthefulluseofwasteheatandwasteheatfromtheprime,tobeusedaccordingtothequalityenergycascadeutilization.
Thisarticledescribesthevariouswaystoreduceexhaustgastemperatureandsmokedamage,andhighlightsthefluegasheatexchangersystemreduceexhaustgastemperatureontheactualapplication.Thispaperstudiestheprincipleoffluegasheatexchangersystem,andanalyzestheeconomicimpactofvariousparameters,giventheoptimaldesignmodel.Andtheinstallationofalowpressureeconomizerpowerplant,forexample,undertheconditionsofagivenexhaustgastemperature,accordingtotheoptimizationdesignmodel,thecalculatedoptimalheatingsurface
oftheheatexchangerarrangement.Thenaccordingtothecalculationmethodofthelocaleconomyfortheinstallationoffluegasheatexchangersystemisanalyzedtoprovideareferenceforthefluegasheatexchangeroptimizedselection.
Keywords:
Gas;wasteheatutilization;thermalanalysis;exchanger;optimaldesign
目录
Abstract-2-
第1章 绪 论-1-
1.1研究背景及意义-1-
1.2国内外研究现状和发展趋势-2-
1.2.1余热利用概述-2-
1.2.2余热回收利用技术现状-2-
1.2.3国外余热应用现状-3-
1.2.4国内余热应用现状-4-
1.3文献综述-4-
第2章-8-
2.1烟气余热资源分类-8-
2.2烟气余热资源特性参数测定-8-
2.2.1烟气温度的测定-8-
2.2.2烟气压力的测量-9-
2.2.3烟气粉尘的测定-9-
2.2.4烟气流速测定及流量计算-10-
2.3烟气热能的焓值-10-
2.4本章小结-12-
第3章排烟余热利用经济性评价方法及其利用技术-13-
3.1排烟余热利用的热力学评价方法-13-
3.1.1能量平衡法-13-
3.1.2㶲分析法-13-
3.1.3能级及能级平衡分析-15-
3.1.4余热利用的原则-15-
3.2烟气余热利用技术-16-
3.2.1烟气余热利用技术的难题及对应措施-16-
3.2.2工矿企业排烟余热利用-16-
3.2.2.1利用燃煤电厂排烟余热-17-
3.2.2.3利用烟气余热进行吸收式制冷-20-
3.3本章小结-21-
第4章工程实例-23-
4.1工程项目情况介绍-23-
4.2烟气余热利用换热器的设置-24-
4.2.1烟气换热器布置位置的选取-24-
4.2.2烟气温降的选取-25-
4.2.3烟气换热器进出口水温的选取-25-
4.2.3烟气换热器的技术参数(见表4)-26-
4.3增加烟气余热利用后的收益与投资比较-26-
4.3.1脱硫收益-26-
4.3.2供电收益-27-
4.3.3初始投资费用增加-28-
4.3.4投资回收年限计算-28-
4.4结论-28-
第5章总结-29-
参考文献-30-
致谢-31-
第1章 绪 论
随着世界经济的不断增长,世界各国对能源的需求越来越大,同时,化石燃料本身的消耗过快,在制约经济发展的同时,也对环境的变化起了主要的影响,例如温室气体排放过多,环境污染等问题。
近些年来,为了节约能源,保护环境,人们开始比以往更关注能源的利用问题。
因此,大力发展可再生能源以及对现有的能源进行充分利用,废气废热回收,联合发电等节能减排技术都已经成为世界各国关注的焦点问题。
1.1研究背景及意义
能源问题是我国经济社会健康发展的基本问题之一,随着我国经济的快速发展,能源的需求量随之急剧增加,能源匮乏问题日渐明显,能源供需之间的矛盾日益突出,供需缺口逐年增加。
提高当前化石能源的利用率和开发利用新能源和可再生能源都是解决能源供需矛盾的可行办法。
而由于化石能源所占能源结构消费比例仍然居于主导地位,因此提高化石能源利用率也就成为解决能源供需矛盾的关键所在。
2007年《中国的能源状况与政策》白皮书中明确提出中国能源发展战略坚持。
节能优先。
重点措施是。
加强工业节能,实施节能工程。
2004年我国国家发改委颁布的《节能中长期发展专项规划》中已经将余热余压利用工程作为。
十大重点节能工程。
之一。
按照《中国能源统计年鉴2009》提供的各行业的能源消费量以及各个工业部门的余热占燃料消耗的比例计算,我国的工业余热资源高达8亿吨标煤,占据我国总能耗约30%。
因此,实现余热有效利用对我国工业节能有着重要的意义。
低温烟气余热资源主要包括显热和潜热两大部分,燃煤锅炉烟气中水蒸气体积份额大约为8%,携带热量约占30%左右,现有各种锅炉要么没有回收烟气余热,要么则为了避免低温烟气露点腐烛,仅仅回收烟气的显热,这些因素都是锅炉排烟温度偏高的主要原因。
开展烟气余热的深度利用研究,从而充分回收烟气的显热和潜热,对于提高我国化石能源的综合利用效率,促进节能具有十分重要的意义。
目前,我国的中高温余热利用的技术己逐渐趋于成熟。
然而,低温烟气余热深度利用仍然是国际热点前沿研究领域。
在系统层面上,受到卡诺循环效率的制约,提高低温余热利用效率的关键在于尽量减小实际的能量利用效率与卡诺循环的差别,减少不可逆损失,但是受到设备投资成本方面的制约。
而在过程传递层面上,低温烟气的酸露点腐烛机理与防治措施、能量品位提升及储存理论等一系列的规律与机理都未被揭示。
低温烟气余热利用面临着新的、更为复杂的问题,围绕着优化提高低温烟气余热利用效率以及过程优化设计、控制策略、系统集成和运行方式等衍生出了众多的理论和关键的技术问题都需要开展深入系统的基础、应用基础研究。
1.2国内外研究现状和发展趋势
1.2.1余热利用概述
在工业生产过程中,使用的各钟生产工艺消耗着大量的燃料。
然而它们的热效率一般在30%左右,而被当做余热的形式排放的热量却达到40%~60%。
由于世界各国认识到余热利用的紧迫性,从二十世纪六七十年代,余热回收利用技术发展迅速。
目前,我国的余热利用技术虽说取得了长足进步,但是与世界先进水平还有一定的差距。
余热资源属于二次能源[7],它是一次能源和可燃物料转换过程后的产物,是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。
常见的余热回收利用方法有:
余热锅炉、余热加热空气、热水法、加工物料、烟气一流体换热设备等。
由于生产使用的生产设备、生产工艺、原料、生产方法及燃烧条件的不同,从而给余热的回收利用带来了较大的困难。
余热热源一般具有如下特点[2'8一131:
(1)热负荷不稳定。
工艺的生产过程决定了热负荷的不稳定性。
一些生产工艺具有周期性,一些余热排放具有周期性变化。
一些工艺虽然是连续稳定的工作,但是热源提供的热量也会有波动。
(2)烟气中含尘量大。
由于烟尘的化学、物理性质恶劣,容易粘结、积灰,从而对余热回收设备产生较为严重的堵塞和磨损。
(3)热源具有腐烛性。
烟气余热中往往含有SO2等腐蚀性气体,烟尘中含有各种非金属和金属元素,它们都可能对回收设备造成高温或低温腐烛。
(4)回收设备安装受场所条件限制。
工艺设备的连接要求、排烟温度范围的要求等都会与余热回收设备的安装发生一定的矛盾,需要认真协调与统筹解决。
1.2.2余热回收利用技术现状
从二十世纪六七十年代以来,世界各国开始注重余热的回收利用,经过几十年的发展,己经取得了长足的进步。
目前,较为常见的余热利用系统如下:
(1)余热锅炉系统[3]。
该系统是利用工业生产过程中的余热来产生蒸汽(热水)的设备。
采用余热锅炉来回收余热的方法,近二十多年来在各个工业部门己得到广泛采用。
它既可利用高温烟气余热、化学反应余热、可燃废气余热,也可利用高温产品余热。
余热锅炉可生产出高压,中压或低压的蒸汽。
产生的蒸汽可以用来发电和供生产、生活用热,有的还可以强化生产。
(2)吸收式系统[47]。
溴化锂吸收式热泵可以回收利用企业低温余热热源的热量,将低品位热转变为高品位热,应用于有余热资源或有低温热源的行业。
但是,溴化锂对金属材料有腐蚀性,且会出现结晶导致换热性能下降甚至换热器无法正常运行。
因此具有一定的局限性,一般适用于石油、制药、酿造和钢铁等行业的余热回收系统中。
(3)吸附式系统[47]。
吸附式制冷技术作为一种余热利用的新技术,其研究日益成熟。
它可以将低品位的余热作为驱动热源,具有设备结构简单,一次性投资少,运行费用低,使用寿命长,无运动部件的特点,无噪音,无环境污染,特别适用于有大量余热排放的工业过程及有频繁震动的移动机械上。
与吸收式制冷系统相比,吸附式制冷系统虽不存在结晶问题,但需要采用风冷、水冷方式进行冷却,受到风能和水能的制约。
(4)新型材料[47]。
针对中高能耗的窑炉,回收烟气余热的传统做法是利用耐火材料的显热熔变化来储热,这种储热设备的体积大、储热效果不明显。
改用相变储热材料,是研究较为广泛的一种方法,这样的储热设备体积可减少30%~50%,还能起到稳定运行的作用。
目前正在研究的新型相变材料有潜热型功能热流体、纳米复合相变储能材料、定型相变蓄能材料和无机盐,陶瓷基复合相变蓄能材料等。
采用热电材料进行温差发电,也是工业余热的一个应用领域。
但如果不采取合理的散热,很难达到理想的蓄能和发电水平。
(5)热管技术[3]。
热管是一种由管壳和工质组成的高效导热元件。
以相变(蒸发与凝结)换热作为传热的主要方式,具有传热能力大、温度控制能力强、传热效率高等特点。
然而热管制作工艺,如芯体材料的制备、工质封装等相当复杂,对安装、维护、工作温度等有特殊要求,这使其应用受到很大限制。
1.2.3国外余热应用现状
在国外,日、欧洲、美等工业发达国家都十分重视对工业烟气余热的回收利用,把回收设备的研制、生产和推广应用工作放在优先发展的位置,这就是烟气余热技术迅速发展和广泛应用的原因。
从上世纪50年代起,日本[I4]的建材行业就开始利用余热,目前90%以上的建材企业都建立了余热利用系统。
欧洲[IS]各国同样对余热的利用高度重视。
国外余热利用项目基本技术理论和技术方案同我国相仿。
但能源利用效率要略高于中国的水平。
另有资料显示,由于余热利用均为中低温热媒,因此国外有学者考虑利用低沸点的烧类有机物取代水产生蒸汽,然后加以利用。
在上世纪90年代后期,美国[isi—家公司开发了Kalina系统的工业废热回收发电系统,它是利用氨和水的混合液为工质的汽轮机来发电,声称这是一项最先进而且可靠的新技术。
美国SD隧道窖[I7—由冷却带抽出的热风,部分用于窑前坯体的干燥,由于坯体的进一步干燥,能保证坯体较快地由预热带进入烧成带,从而缩短了烧成周期,节约了能源;另外一部分热风与自然风混合后作S尾冷却介质,该系统可实现自动控制,确保介质温度保持衡定,避免制品过冷风损坏。
1.2.4国内余热应用现状
在国内,近年来在烟气余热利用方面作了大量的研究与实践,取得了较大成绩。
如2008年1月,华晋焦煤[I9]投资6736万元的瓦斯发电厂一期工程投产运行,该瓦斯发电厂一期选用20台国产700KW燃气发电机组,同时配置4台2.3MW余热锅炉,利用燃气发电机组排放的高温烟气,向沙曲矿居民区和瓦斯抽放站供热,替代正在运行的燃煤锅炉,实现清洁生产和热电联产。
2008年,鹤壁煤业集团[2G]第八煤矿安装1台KNPT04—500型针形管余热锅炉,回收烟气余热,供给澡堂淋浴卫生热水。
2008年,平煤四矿利用余热供给溴化锂机组制冷[21],提供矿井降温冷媒等。
国内余热利用技术虽说发展迅速,但是与国际先进余热利用技术相比仍然存在着一定的差距,其主要原因主要在于[1一4]:
(1)生产工艺产生的余热不能及时地足量地回收,回收效率低。
(2)对己经回收的热能不能得到有效的利用。
由于温度低,季节性供热不平衡和热源供应不稳定,致使回收的蒸汽、热风或者热水等能量部分放散,能量利用率低。
(3)余热回收利用的关键技术研发滞后,主要设备依赖进口,回收的热能貶值或者不稳定,无法满足热用户的要求,致使大量低品位热能浪费。
(4)一些产生余热资源的企业规模小,装备落后,产能低,加上余热设备投资较高,影响了企业余热回收利用的积极性。
1.3文献综述
大型火力发电机组通常应用提高汽水参数的方法来提高机组效率,比如发展超临界机组以及超超临界机组,但是提高汽水参数的方法也受到材料方面的制约。
而另一种火力发电机组节能的有效途径则是深度利用烟气余热。
通常的方法是在锅炉尾部烟道安装空气预热器和省煤器来降低排烟温度,从而提高锅炉效率。
我国大型电站锅炉目前设计效率约为93%。
而在实际运行中,锅炉排烟温度往往高于设计值5~10°C,从而使锅炉效率降低0.3~0.5%。
在实际运行中,主要采用燃烧调整优化和受热面智能吹灰优化技术以降低排烟温度[3]。
在技术上则是主要通过研究空气预热器和省煤器的强化传热技术[4,5]以及回转式空气预热器的密封改造技术。
在系统集成上,山东大学西安交通大学[7]等单位开展了低压省煤器的研究,在开封电厂、山东十里泉电厂、长春第二热电厂等200MW级以下几组锅炉成功应用,排烟温度普遍降低250oC,但是由于低温腐烛问题使几组安全可靠性降低,从而制约了该项技术的大规模推广。
2009年,上海外高桥电厂采用。
广义回热系统。
[8],在脱硫塔前加装烟气冷却器,机组供电煤耗因此下降2.71g/kWh,百万千瓦超临界几组供电煤耗282g/kWh,创造了世界供电煤耗最低记录。
但是低温腐蚀依然限制了排烟余热的深度利用。
锅炉低温烟气余热回收方式一般有两种:
一是增加省煤器和空气预热器的受热面,使用烟气余热加热锅炉循环水和空气;另一种方式是增加低温有机朗肯循环系统,将低温烟气余热转化为高品位的电能或者机械功。
如果转化为电能,则可以发展低温烟气余热驱动的分布式能量系统,不受任何终端用户的限制,在我国社会主义新农村发展建设中也有重要意义。
如果转化为机械功,则可以直接用于驱动风机或者水粟,从而减少锅炉对于高品位能的消耗。
或者采用余热制冷、制热、供冷联供等间接利用的方式。
随着能源价格上涨,低温烟气余热热功转换在国外引起高度重视。
如欧美国家已建成了许多低温烟气余热有机朗肯循环发电系统热源有燃气轮机烟气、内燃机废气、垃圾焚烧炉烟气和水泥審炉烟气等。
除了烟气余热发电以外,低温热源有机朗肯循环发电系统十年来已经在生物质热电联供、地热发电、太阳能热发电、机械设备和工业余热发电方面得到应用。
我国的余热发电技术和发达国家存在较大差距,主要应用于水泥等建材领域和地热领域。
水泥行业己经建成余热电站186座,主要采用的是水-水蒸气常规系统,难以御用低温烟气(小于30(rc)余热热功转换,传统的汽轮机技术也限制了机组功率向下延伸。
地热发电的领域主要采用扩容闪蒸技术,但是由于效率低,建成的地热电站相继关闭[12]。
文献[1]认为随着我国经济发展与能源、环境之间的矛盾日益突出,火电机组的节能减排成为一个备受关注的问题。
大容量的超(超)临界机组的普及应用,为提高热系统经济性提供了一种有效的手段,同时,有效的利用机组余热也是机组节能的重要技术措施,其中锅炉排烟余热数量巨大,具备资源化利用的条件,但并未被充分利用[1]。
文献[2]和文献[3]指出火电机组提供了我国70%以上的社会用电量,为国民经济的快速可持续发展提供了有力保障;但同时,火电机组也消耗了全国约50%的燃煤和20%的工业水;排放出的SO2、NOx和CO2分别约占全国总量的45%、50%和48%[2]。
近年来,随着我国超临界、超超临界机组大规模投入运行,供电煤
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