烟气余热利用系统分析.docx
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摘要
摘要
燃煤电站锅炉烟气的回收利用是应对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造的要求的有效措施。
本文详细阐述了热力学系统热力学分析的主要方法及其优缺点。
同时，介绍了低温省煤器的三种主要的联结方式，并对某1000MW汽轮机组进行节能改造分析，设计了4种方案，进行热力学分析，结果表明：
烟气温降越大，机组增加出功越多，节约供电煤耗越多；在相同温降下，方案4的机组增加出功和节约供电煤耗比其它三种方案要多，方案2的节能效果较差；烟气综合利用的效果不仅与锅炉侧烟气的温降有关，而且还与低温省煤器回路的布置形式有关；低温省煤器所替代的加热器等级越高，所获得的节能效果越明显。
关键词：
低温省煤器；烟气余热利用；热力学节能分析
I
ABSTRACT
Abstract
Therecoveryandutilizationoffluegasincoal-firedpowerstationisaneffectivemeasuretomeettherequirementsoffullycarryingoutultra-lowemissionandenergysavingreformofcoal-firedunits.Thispaperelaboratesthemainmethodsandadvantagesanddisadvantagesofthermodynamicanalysisofthermodynamicsystem.Atthesametime,thethreemainconnectionmethodsoflowtemperatureeconomizerareintroduced,andtheenergysavingtransformationofa1000MWsteamturbineisanalyzed.Fourkindsofschemesaredesignedandanalyzedthermodynamically.TheresultsshowthatthetemperatureofthefluegasishigherThemoreenergysavingeffectofscheme2isworsethanthatoftheotherthreeschemes.TheeffectofcomprehensiveutilizationoffluegasisnotonlythesameasthatofboilerSideofthefluegastemperaturedrop,butalsowiththelowtemperatureeconomizercircuitlayoutoftheform;lowtemperatureeconomizerreplacedbythehighertheleveloftheheater,themoreobvioustheenergysavingeffect.
Keywords:
lowtemperatureeconomizer;fluegaswasteheatutilization;energyanalysisofthermodynamics
I
目录
目录
摘要 I
Abstract I
目录 I
第1章绪论 1
1.1引言 1
1.2电站锅炉烟气余热利用的研究现状 1
1.3高炉煤气锅炉烟气余热利用的研究现状 4
1.4研究内容及意义 5
第2章锅炉烟气余热利用的理论基础 7
2.1热平衡法 7
2.2等效焓降法 8
2.3特殊函数法 10
2.4循环函数法 10
2.5矩阵法 10
2.6烟气余热利用节能潜力分析 11
2.7本章小结 14
第3章低温省煤器联结方式的选择与优化 15
3.1引言 15
3.2串联联结方式 16
3.2并联联结方式 16
3.3跨级并联联结方式 16
3.4烟气余热利用系统部分问题的处理 17
3.4.1排烟温度对烟囱排烟能力的影响 17
3.4.2尾部烟道设备结构布置 17
3.4.3烟道阻力对引风机的影响 18
3.4.4排烟温度对烟囱排烟能力的影响 18
第4章烟气余热利用系统实例分析 19
4.1烟气综合利用系统设计与分析 19
4.2热力学节能分析 22
4.3综合煤耗分析 24
4.4本章小结 26
第5章结论与展望 27
参考文献 29
致谢 32
II
中北大学2017届本科毕业论文
第1章绪论
1.1引言
能源是人类文明发展的基石，直接影响着人类的生存状况。
2016年7月，作为世界领先的石油和天然气企业BP公司，发布了第65版《BP世界能源统计年鉴》，报告显示2015年全球一次能源消费为131.473亿吨（油当量），相比2014年增长1%左右，石油继续作为全球最大的消费能源，占总消费量的33%；煤炭作为仅次于石油的第二大消费能源，占总消费量的29%[1]。
改革开放以来我国经济的快速提升，带动了对能源需求的迅猛增长，能源事业的发展也取得质的飞跃。
[1]目前，中国已经成为世界上最大的能源生产国和消费国，2015年中国能源消费量占全球能源消费量的23%，占全球净增长的34%，连续十五年保持全球最大能源增量市场的地位[2]。
值得注意的是，2015年度全球一次能源消费仅增长了1.0%，远低于近十年的平均值[3]。
我国2015年一次能源消费相比2014年增长了0.9%，但远低于“十二五”期间年均增长3.6%的水平，其中煤炭消费总量出现了近十年来首次负增长[3]。
这一现象是在日益严峻的能源和环境的双重压力下出现的必然结果。
因此，节能减排是我国面临的主要问题。
在能源利用的过程中，作为一次能源的燃料会发生一系列的反应产生大量的热能，然而这部分热能不可能完全被利用，因此经过能量转换后剩余的热能成为余热资源。
余热资源属于二次能源，其来源丰富，广泛存在于电站锅炉和工业设备中，如：
电力行业的燃煤锅炉、燃气锅炉和汽轮机等；冶金行业的高炉、转炉和平炉等。
余热资源按温度划分可以分为三种：
高温余热，余热温度大于600℃；中温余热，余热温度介于230℃到600℃；低温余热，余热温度低于230℃。
在锅炉的热损失中，烟气热损失所占的比重最大，因此烟气余热也是余热资源的重要组成。
深入研究锅炉烟气余热利用，充分回收利用烟气中的余热资源，不仅具有巨大的经济和社会效益，更有助于提高能源的高效利用，这对我国制定的节能减排战略具有重要意义。
1.2电站锅炉烟气余热利用的研究现状
通常情况下，电站锅炉的设计排烟温度一般在120℃到140℃之间，因此电站锅炉烟气余热属于低温余热。
火力发电行业消耗大量的能源，成为我国实施节能减排的重点领域，因此电站余热利用的研究相对较多，也较为成熟。
根据烟气余热是否进入电站热力系统可以将其分为热力系统外部利用和热力系统内部利用两种。
值得注意的是，热力系统外部利用不会对发电系统的全厂效率产生影响，而热力系统内部利用则提高了全厂效率，但无论热力系统外部利用还是热力系统内部，均提高了能源的总利用率。
（1）余热发电
采用有机朗肯循环发电系统（见图1-1）利用烟气余热发电。
电站锅炉烟气余热属于低温余热，因此利用其进行发电具有一定的限制条件。
若要满足换热条件，必须要求换热器具有较大的换热面积和体积，这势必造成余热发电系统的成本投入较大，工程造价较高。
此外，由于排烟温度较低，对工质也具有一定的要求，需要采用换热性好、来源丰富、对金属腐蚀性小、化学稳定性强、沸点低的工质[4]。
因此，目前对于余热发电的研究重点在于选择有效的有机朗肯循环工质并对相关参数进行优化，减少能量损失，获得最佳的循环效率[5-9]。
图1-1有机朗肯循环
（2）区域供暖与制冷
通常电厂的多联产系统中用于供热和制冷的来源通常是采用汽轮机的低压抽汽，然而该方法由于抽取了一部分低压蒸汽，造成机组的效率降低，使发电量下降。
采用合适的方法可以使烟气余热完全替代低压抽汽来供热或制冷，减少低压蒸汽的抽汽量，提高机组的效率。
冬季可以通过热交换器使烟气余热产生热水供暖或生活使用；夏季可以采用吸收式制冷的方式将烟气余热驱动制冷空调运行[10]。
虽然采用烟气余热供热或制冷的方式可以充分利用烟气余热，显著提高能源综合利用率，但是该系统初始投资巨大，运行成本和维护成本均较高；并且由于区域冷热使用量波动较大，负荷的配比和稳定性很难保证。
此外，由于热网水温度较低，换热器的低温腐蚀现象严重，因此其发展具有一定的局限性。
[11-12]
（3）预热入炉冷空气
通过采用前置式空预器可以利用烟气余热加热入炉冷空气，减少或取消从低压抽汽来预热冷空气，节省的低压抽汽可以继续继续做功，增大了机组的净出功。
增加前置式空预器可以看作是增大了换热面积，可有效降低锅炉排烟温度，增大原空预器入口风温。
不仅有利于改善低温腐蚀，保护原空预器安全，还可以增大入炉热风温度，提高锅炉的效率[13]。
（4）干燥原煤
我国电站所用的煤种复杂多变，部分采用褐煤作为主要燃料的电厂，由于褐煤中含水量较高，因此导致进入锅炉原煤仓准备进行煤粉制备的原煤水份过高，会造成磨煤机出力增大，并且增大了着火难度，着火温度增加，烟气容积增大，排烟损失加剧。
国内目前有电厂采用烟气余热对原煤进行干燥，可以显著降低制粉系统功耗，并且可使300MW燃用褐煤的机组燃煤量降低34%，风机电耗降低29.9%，锅炉效率提高约1.16%[14]。
（5）海水淡化
海水淡化是指将海水中的盐和水进行分离，目前常用的海水淡化方法主要有：
蒸馏法，膜法以及化学法。
其中蒸馏法是目前研究最多，也相对成熟的方法。
根据水的蒸发所发生的位置可以将蒸馏法分为多级闪蒸和低温多效蒸发两种[15]。
多级闪蒸海水淡化技术要求海水加热至110℃以上，因此耗能较大，不利于节能减排的进行，因此前景并不明朗。
低温多效蒸发技术对温度的要求较低，在70℃即可进行，可以很好地利用余热进行海水淡化处理。
靠近海边的电厂可以将烟气余热用于海水的低温多效蒸发，得到品质较高的蒸馏水，经过处理后的蒸馏水可以用作锅炉补充水，实现了水电联产，不仅很好地利用了烟气余热资源，还生产出了质量可靠的淡水资源，使能源实现了综合利用。
[16]
（6）加热凝结水
采用烟气余热代替低压加热器对汽轮机的凝结水进行加热，可以减少汽轮机抽汽，增加机组的净出功，一般通过在尾部加装低压省煤器来实现。
上海外高桥电厂的三期1000MW超超临界机组上采用的“排烟热能回收系统”将排烟冷却至85℃，供电煤耗为282g/kWh，相比之前降低了2.71g/kWh，该记录成为世界上供电煤耗最低的记录[17]。
1.3高炉煤气锅炉烟气余热利用的研究现状
钢铁行业作为高耗能行业一般设有自备电厂，钢铁行业能源消耗约占全国能源消耗的11%以上，其能源利用率也很大程度上影响着社会的发展，因此在钢铁行业进行节能减排工作也至关重要。
高炉炼铁过程中，将铁矿从炉顶加入高炉中，在高温下铁矿石发生还原反应，并伴有CO生成，这部分含有CO的气体称为高炉煤气[18]。
高炉煤气产量大，但热值较低仅为3200kJ/m3到3800kJ/m3，不易着火，气源受高炉炉料和冶炼情况的影响较大，因此在利用过程中具有一定的困难，回收利用率较低。
但如果将其直接排放，不仅会对环境造成污染也会造成资源的浪费。
随着余热利用技术的不断进步，钢铁行业的余热资源回收率近年来显著提高，但是我国由于起步较晚余热回收率仅为30%左右，而世界上先进的钢铁工业技术其余热回收率可达50%以上。
目前高炉煤气的利用中很大一部分是采用高炉煤气锅炉进行发电或生产蒸汽，不仅可以有效避免高炉煤气对环境产生的污染，还可以节约能源，提高能源利用率。
由于高炉煤气中可燃成分为CO，并伴有大量的N2和CO2，导致锅炉排烟流量大，相同负荷的情况下，是普通燃煤锅炉烟气流量的1.5倍以上，因此是丰富的余热资源[19]。
与电站锅炉烟气余热利用方法类似，高炉煤气的余热利用也有多种：
（1）预热高炉煤气
由于高炉煤气来源分散，且波动性较大，因此可以采用热风炉烟道废气预热技术和高炉荒煤气余热预热技术，利用烟气余热对高炉煤气进行预热，有助于节能降耗[20]。
其原理是将烟道废气引入管式换热器中与高炉煤气进行换热，以实现风温升高。
（2）预热入炉空气
通过烟气余热对入炉空气进行加热，可以增加空气带入的显热，增大扩散速度，不仅有助于提高火焰温度，还能减小过量空气系数，降低排烟热损失。
目前常采用的方法是“双预热”，即利用燃烧高炉煤气的锅炉所产生的烟气余热来预热入炉的高炉煤气和助燃空气，不仅可以有效利用烟气余热，提高能源的有效利用率，还能防止污染，有助于节能减排。
[21-22]
（3）加热凝结水
由于高炉煤气热值较低，因此燃烧高炉煤气的锅炉与燃煤锅炉具有一定差异，每燃烧1m3高炉煤气约需要0.8m3，数据显示，排烟每降低1℃，可以使入炉的空气升温3℃[23]。
因此，通过增加空预器受热面来降低烟气温度，利用烟气余热的方法受到锅炉结构、运行工况等多方面的限制。
而通过加装低温省煤器可以对凝结水进行加热，不仅可以减少甚至避免从汽轮机抽汽而造成的机组总出功减少的现象，提高系统总效率，还可以显著降低排烟温度，使烟气余热充分发挥作用[24]。
1.4研究内容及意义
目前国内外中高温余热利用技术已逐渐趋于成熟并且大规模应用，但是对于低温烟气余热的利用尚需进行充分的研究。
由于火力发电是能源消耗的大户，因此相比其他高耗能产业，火力发电的低温烟气余热利用技术相比其他行业较为领先。
而作为占据我国工业总耗能15%的钢铁行业，其余热利用的潜力不容忽视，因此有必要借鉴发电行业低温烟气余热利用的方式，发展适用于高炉煤气锅炉烟气余热利用的方法。
目前烟气余热利用最常用的方法是预热入炉空气和加装低温省煤器预热凝结水，因此本文主要针对加装低温省煤器的烟气余热利用系统展开研究，主要研究内容如下：
1、总结目前各行业烟气余热利用的主要方式，分析发展高炉煤气锅炉烟气余热利用的必要性；
2、总结目前热力系统节能理论常用的方法，并对烟气余热利用节能潜力进行分析。
3、采用常规热平衡法和等效焓降法，对低温省煤器联结方式进行热力学计算，分析不同联结方式下的优缺点，并根据计算结果进行分析，提出锅炉余热利用的最优方案。
33
第2章锅炉烟气余热利用的理论基础
工业领域热能的转化过程是一个复杂的过程，涉及到多种设备间的能量传递。
因此需要热力学计算，对能量的转换过程中热力系统各部分参数进行确定。
目前对热力系统进行热力学分析的方法有多种，主要包括：
热平衡法、等效焓降法、特征函数法、循环函数法以及矩阵法[25]。
本章主要对目前常用的热力学分析方法进行介绍，并对烟气余热利用的潜力进行分析。
2.1热平衡法
热平衡法是最基本的热力学系统分析方法，该方法主要依据热力学第一定律，分别将系统中的各个子系统进行分析，列出能量平衡方程式，即对n个加热器列出对应的n个热平衡式和1个功率方程，将各平衡方程式进行联立求解[26]。
在烟气余热利用系统中，热平衡法将烟气余热利用系统对原有的汽水系统所产生的改变引入热平衡计算中，通过分析计算可以得到烟气余热利用系统的节能效果[27]。
该方法基于热力学第一定律，不用事先对工况进行选定，具有较为广泛的适用范围，计算结果较为可靠。
但是该方法的计算过程较为繁琐，工作量较大，系统的任何变化都需要对整个汽水系统进行重新分析计算，因此通常情况下热平衡法多用于对其他算法进行验证。
在采用热平衡法计算时，为便于方程组求解，一般从抽汽压力最高的加热器开始逐级计算，直到抽汽压力最低的加热器。
具体计算步骤如下：
（1）对系统的汽水参数进行搜集整理，根据热力学第一定律建立热平衡方程式；
（2）计算各级抽汽量、凝气系数、新汽耗量以及汽轮机功率；
（3）采用物质平衡或者功率方程对计算结果进行验证，判断计算数据的准确性；
（4）计算系统各点汽水流量和各项热经济指标。
采用烟气余热系统加热凝结水的流量：
（2-1）
式中：
Dd——加热凝结水流量（kg/h）；
hout——低温省煤器出口凝结水焓值（凝结水流入回热系统管路接点处焓值，非定值）（kJ/kg）；
hin——低温省煤器进口凝结水焓值（凝结水流入余热利用系统处焓值，非定值）（kJ/kg）；
汽轮机侧回热加热器凝结水流量：
（2-2）
式中：
Ddj——新系统回热加热器凝结水流量（kg/h）；
Dc——原系统回热加热器凝结水流量（kJ/kg）；
将式（2-1）和式（2-2）带入原汽水系统的热力学平衡方程式中进行计算，即可求得加装烟气余热利用系统后机组的功率。
通过燃煤量计算得到煤耗的变化：
（2-3）
式中：
B——燃用标煤量（t/h）；
Pe0——原系统发电功率（MW）；
Pe1——新系统发电功率（MW）；
2.2等效焓降法
等效焓降法是基于热力学的热功转换原理，根据设定的蒸汽参数和回热系统参数，将机组燃料供应量和新蒸汽流量设定为定值。
并且假设整个热力系统中较小的变化不会影响所有的各级抽汽变化，只会对某几个级的抽汽产生局部的影响，系统由于利用了烟气余热加热凝结水，因此抽汽量减少，增加了发电机功率和汽轮机效率[28]。
由于加装了低温省煤器，烟气在流经低温省煤器时发生换热，锅炉烟气余热利用系统所吸收的热量即烟气前后焓值的变化量。
结合入炉燃料数据以及热力学相关知识可以分析计算得到排烟量和烟气组成，进而得到凝结水吸收的烟气热量[29]：
（2-4）
式中：
Ddj——凝结水吸收的热量（kJ/h）；
η——换热器换热效率；
ΔIy——烟气焓降（kJ/kg）；
烟气余热利用系统加热凝结水量：
（2-5）
式中：
Dd——加热凝结水流量（kg/h）；
hout——低温省煤器出口凝结水焓值（kJ/kg）；
hin——低温省煤器进口凝结水焓值（kJ/kg）；
凝结水吸收利用的热量Qd（即回收利用的余热）可以减少部分抽汽，这部分抽汽得以继续在汽轮机中做功，因此机组的等效焓降量为：
（2-6）
式中：
D0——机组新蒸汽流量（kg/h）；
ηpj——余热利用系统的平均抽气效率，取决于余热所排挤的抽汽能级；
机组1kg新蒸汽全部做功量与新蒸汽等效焓降相同：
（2-7）
式中：
H——新蒸汽等效焓降（kJ/kg）；
Ηjd——汽轮机机电效率；
d——机组汽耗率（kg/（kWh））；
机组每1kg新蒸汽对应的凝结水量为：
（2-8）
式中：
D——新蒸汽流量（kg/h）；
由于减少抽汽所增加的做功量与等效焓降的增量相同，也等于各级替代的抽汽量之和：
（2-9）
式中：
ηi——汽机侧第i级回热加热器抽汽效率；
τi——汽机侧对应第i级回热加热器凝结水焓升（kJ/kg）；
机组效率相对提高值：
（2-10）
式中：
ηi——汽机侧第i级回热加热器抽汽效率；
τi——汽机侧对应第i级回热加热器凝结水焓升（kJ/kg）；
机组热耗率降低值：
（2-11）
式中：
q——机组热耗率（kJ/kWh）；
标准煤耗降低值：
（2-10）
式中：
ηb——锅炉效率；
ηgd——管道效率；
q1——标准煤的低位发热量（kJ/kg）
2.3特殊函数法
特殊函数法是基于“工质实际做功能力原理”理论发展起来的热力系统分析理论，该方法由热力学基本定律的应用为基点，体现了热力学基本定律在电站热力系统应用中的形式及普遍性。
热力系统结构普遍具有较高的复杂性,而特殊函数法可以通过对热力系统进行分析，借助数学工具推导出热力系统节能分析方法，便于对热力系统进行热力学计算。
2.4循环函数法
循环函数法将整个回热加热器系统人为地分为多个加热单元，因此通过计算各加热单元的进水系数就可以得到锅炉进水系数。
可以将热力系统看作由主循环系统和辅助循环系统两部分组成，两者均会对性能指标产生影响，且各自的影响相互叠加。
热力系统局部所发生的变化可以认为是在主循环系统的基础上加入了一个辅助循环，只要对辅助循环进行计算，即可得出性能指标所发生的变化，方便了对整个热力系统的计算。
2.5矩阵法
随着计算机的迅猛发展，采用计算机来解决工程应用中出现的问题，相比人力计算有着不可比拟的优势。
通过观察发现，回热加热器的热平衡方程式是以抽汽量为自变量的线性代数方程，因此可以采用矩阵方程来对方程组进行表示，并通过矩阵的运算计算得到抽汽量，最后得出热力系统的各项性能指标。
矩阵法可以较好地适用于通过计算机对热力系统进行分析处理，可以便捷地对回热系统的抽汽量进行计算，但是计算模型并未涉及到锅炉、汽机等其他设备，也并未在热力系统参数和经济性指标之间建立完善的数学关系，因此矩阵法中关于主循环与辅助循环的叠加性仅限于回热系统。
2.6烟气余热利用节能潜力分析
当未加入余热回收利用系统时，第i级回热加热器的热平衡方程式可以表示为：
（2-11）
当加装余热回收利用系统时，第i级回热加热器的热平衡方程式则表示为：
（2-12）
式中：
Qd——吸收的烟气余热量，kJ/h；
ηh——回热加热器效率；
m——质量流量，kg/h；
h——蒸汽的焓值，kJ/kg；
——凝结水的焓值，kJ/kg；
——疏水的焓值，kJ/kg；
烟气用于加热凝结水的热量Qd可以根据烟气经过换热面前后所产生的焓降求得：
（2-13）
式中：
——烟气进口焓值，kJ/kg；
——烟气出口焓值，kJ/kg；
my——烟气流量，kg/h；
假设加装烟气余热利用系统前后热力系统始终处于稳定工况，那么可以计算得到加入烟气余热利用系统后，第i级节省的抽汽量Δmi为：
（2-14）
这部分节省的抽汽量可以继续在汽轮机中做功，则可以求出汽轮机做功的增量ΔPi为：
（2-15）
式中：
单位为kW；为抽取点蒸汽焓kJ/kg；为汽轮机排汽的蒸汽焓，kJ/kg;为机组的机械效率；为发电效率；
通过热平衡法逐级对其他各级的回热加热器进行计算，可以得到总的汽轮机做功总增量，进而得到加装烟气余热利用系统后机组新的绝对发电效率：
（2-16）
新的标准煤耗率则通过下式计算得到：
（2-17）
式中：
单位为g/（kW∙h）；为原发电功率，MW；为原机组热耗量，kJ/h;为厂用电率；为管道效率；为锅炉效率。
值得注意的是，利用锅炉的排烟余热加热凝结水，是属于“有约束”的热力系统，需要满足以下条件：
（1）锅炉排烟温度相对稳定，因此低温省煤器的入口烟气温度通常可以看作定值，而由于受到材料的限制，需要综合考虑低温省煤器出口烟温，避免出现低温腐蚀的现象；
（2）由于该系统中主要是利用烟气余热加热凝结水，因此要保证烟气的最低温度高于低温省煤器的凝结水入口温度，此外还要保证烟气的最高温度高于低温省煤器凝结水出口温度；
（3）当低温省煤器并联联结时，必须要保证余热利用系统加热凝结水的流量小于汽水系统凝结水的总流量。
综合以上条件，可以列出限制条件的数学表达式如下：
（2-18）
式中：
为排烟温度，℃；为原烟气排烟温度，℃；为余热回收换热器凝结水入口温度，℃;为余热回收换热器凝结水出口温度，℃。
根据等效焓降理论可知，等效焓降是指1kg抽气从某级抽汽扣返回汽轮机的真实做功能力，反映出了汽轮机各抽汽口蒸汽所含的能量。
对于非再热机组，等效焓降为：
（2-19）
式中：
hj
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