中冶南方(武汉)热工有限公司
关键字:煤气发电,烟气余热,高效利用
摘要:本文以目前煤气发电机组烟气余热回收利用存在的问题为切入点,对烟气深度余热回收具体方案进行了阐述和说明,并进行了效益分析。煤气发电机组烟气深度余热回收,可行性高,运行稳定,不仅可以产生可观的经济效益,还可以降低二氧化碳的排放,具有很高的推广价值和意义。
1、背景
为了提高发电的效率,余热回收广泛应用于锅炉发电机组,从锅炉出来的高温烟气通过热器、再热器、省煤器对烟气高温段进行回收利用,产生的蒸汽进入汽轮机参与发电,将烟气温度降至250℃~300℃变为中温烟气;然后通过预热空气利用中温烟气的余热,将烟气温度降低到200℃左右变为低温烟气,低温烟气从烟囱排出,完成烟气的余热回收,该方式为目前锅炉发电行业余热回收的普遍做法[1],但是对于煤气发电机组的余热回收,低温烟气还可以再利用,为了进步提升煤气发电的效率,目前采用通过加热煤气对低温烟气进行再回收利用,由于低温烟气含有SOx、NOx等腐蚀气体,过低的烟气会产生露点腐蚀,对余热回收设备造成损害,所以低温烟气的温度不能降的过低。
钢铁厂存在大量的副产煤气,如高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气等,利用副产煤气发电是当前钢铁厂降本增效、实现副产煤气高效利用的有效途径[2]。在钢铁厂副产煤气发电烟气余热回收领域,烟气的余热利用直接影响整个机组的发电效率。目前煤气发电机组烟气余热回收系统配置主要为煤气在锅炉中燃烧产生的烟气依次经过过热器、再热器、省煤器实现中高温烟气的热量利用。然后,烟气进入金属管式空气预热器,再进入热管式煤气加热器,将烟气温度降低到140℃左右排放至大气。
2、煤气发电机组余热回收现状
由于烟气中含有硫氧化物、氮氧化物等腐蚀性气体,当烟气温度低于140℃以下,SOx、NOx露点腐蚀会加剧,对余热收回设备损坏很大[3],所以现行煤气发电机组烟气余热回收后,烟气温度一般在140℃左右排放,制约了烟气余热的进一步回收利用。
同时,煤气加热器进口由于煤气中酸性水雾的影响,煤气进口在较短时间内,一般为1~3年即发生煤气进口换热管的腐蚀破坏,严重制约了煤气加热器的使用寿命,同时影响了整个机组的发电效率。
当前钢铁厂副产煤气发电烟气余热回收系统存在如下问题:
烟气排出温度有140℃,烟气余热利用不完全,还有可利用的空间与价值;
煤气加热器烟气侧出口温度为140℃,低负荷运行时存在低温腐蚀,会破坏掉煤气加热器烟气出口侧热管元件的真空度,热管工质泄漏,导致设备换热性能下降;
煤气加热器煤气进口侧温度较低(一般为30~50℃),煤气中含有酸性水雾,存在低温腐蚀,会破坏掉煤气加热器煤气进口侧热管元件的真空度,热管工质泄漏,导致设备换热性能下降。
当机组负荷达不到设计负荷,且绝大多数时间机组负荷远低于设计负荷,锅炉全部换热面处于“大马拉小车”的状态,造成进入锅炉最末级设备-煤气加热器的烟气温度低于100℃以下。煤气加热器设备长期在低温烟气状态下运行,促使热管换热元件受到严重的低温硫酸露点腐蚀破坏。具体为煤气中含有大量酸性水雾,促使热管换热元件收到严重的煤气腐蚀破坏,煤气侧含尘量较高,造成煤气侧进口有一定积灰;烟气侧小苏打喷洒使用过多,造成烟气侧积灰。换热管积灰进一步恶化了煤加的工作性能,导致低于余热回收设备煤气加热器极易损坏而失去效果。
3、煤气发电低温烟气可行性的余热回收利用探讨
3.1煤气发电低温烟气双通道余热回收
煤气在锅炉内燃烧产生的烟气依次经过过热器、再热器、省煤器,省煤器出口烟气一般在250℃~300℃。省煤器出口烟气分两路,一路烟气用于加热空气,经过空气预热器1,空气预热器1型式为金属管式换热器,通过加热空气预热气2出来的空气将烟气温度降低到150℃,为了延长空气预热器1的使用寿命末端几排管束采用镀搪瓷金属管材质,烟气通过空气预热器1后再进入空气预热器2,通过加热鼓风机送入的空气将烟气温度降低到80℃,空气预热器2型式为非金属管式换热器,换热管采用耐低温腐蚀的玻璃管或氟塑料管材质,以保证烟气低温状态下稳定运行;另外一路烟气进入煤气加热器1,煤气加热器1型式为重力式热管或分体热管式换热器,通过加热煤气加热器2出来的煤气将烟气温度降低到160℃,为了延长煤气加热器1的使用寿命,煤气加热器1烟气出口侧和煤气进口侧几排换热管采用镀搪瓷、ND钢、316L或2205双相不锈钢等耐腐蚀材质,烟气从煤气加热器1出来后,进入煤气加热器2,所述煤气加热器2型式为非金属管式换热器,通过加热除雾器进入的煤气将烟气温度再降低到80℃,为了保护煤气加热器2,换热管采用耐低温腐蚀的玻璃管或氟塑料管材质,以保证烟气低温状态下稳定运行,煤气站送入的煤气先进入除雾器进行除雾,除雾器类型为玻璃钢波折板式,有效降低煤气进口水、雾、尘的含量,减轻对煤气加热器2、煤气加热器1的损坏。最终两路烟气汇合到烟囱排出,完成整个机组的烟气余热回收,图一为方式一余热回收系统的流程图。
第一、第二空气预热器的进口侧的烟气回收支管上分别设有第一调节阀和第三调节阀。第一、第二空气预热器和第一、第二煤气加热器之间设置管道相连通,连通管路设置调节阀二。正常情况下第二调节阀处于关闭状态,在第一空气预热器烟气进口侧第一调节阀,可以根据需求比例调节进入的烟气量;在锅炉负荷变化的情况下,通过打开第二调节阀和关闭第三调节阀即可使空气侧管路的烟气流向煤气侧管路,也可以直接关闭第一调节阀,烟气只进入煤气侧,以保证充足的烟气对煤气进行加热;由于烟气进入空气预热器和煤气加热器都会产生阻力,可能会造成煤气侧和空气侧的两路管路中压力不平衡,此时,打开第二调节阀空气侧和煤气侧的管路能够自动进行烟气分流,调节两侧管路的压力,使得两侧管路达到压力平衡。
图一
3.1.1热管换热器
热管换热器是以热管作为其传热元件的工业通用换热设备。热管是一种高效的传热元件,可将大量的热量通过极小的截面积进行远距离传输而无需外力辅助。因此,热管换热器可实现远距离高效传热,其二次间壁换热更安全、可靠,可实现自吹灰及防酸露点腐蚀,无需辅助动力,无交叉污染,热管换热器在中低温烟气(废气)余热回收领域具有独特优势,广泛适用于气体-气体热交换、气体-液体热交换、气体-蒸汽发生器等热交换场合,特别适合应用于低温余热回收。
常规热管根据内部工质传热传质情况可以分为:蒸发段、绝热段、冷凝段;热管内蒸发段工质吸收外部热源的热量作为其汽化的潜热,液体工质受热后通过沸腾或蒸发方式变为蒸汽;蒸发段产生的蒸汽在管内压差力的作用下,流到冷凝段,热蒸汽遇到冷凝段较冷的壁面,放出其潜热凝结为液体,并通过管壁将热量传给外部冷源,冷凝液在重力(或吸液芯)作用下回流到蒸发段再次蒸发。如此往复,实现对外部冷热两种介质的热量传递与交换。[4]
煤气加热器通常使用的热管换热器为重力式热管,内部介质一般为脱盐水(若热管外侧温度较高是使用脱盐水有一定风险,内部使用导热姆作为换热管的换热介质),在脱盐水中加入一定比例的重铬酸钾,重铬酸钾起防腐蚀换热管内壁的效果,另外为了改善传热,换热管采用翅片管型式。重力式热管为整体式和分体式,相较于整体式热管,分体式热管具有更好的安全性,能够将煤气和烟气充分隔离开,但是分体式热管结构比较复杂,体积较大,所以整体式热管在煤气加热余热利用中也广泛应用。
3.1.2低温耐腐蚀换热器的选择
氟塑料和玻璃管材质都具有很好的防腐蚀性能,都可用于各种强腐蚀性介质的换热环境下,但是针对煤气发电低温烟气回收领域,由于氟塑料导热系数低,达到同样的换热效果需要的换热面积大,同时成本也会比较高;而玻璃管换热器玻璃导热系数比较大,具有传热系数大,传热效果好,占地面积小,清灰方便等优势,所以以上两种煤气发电低温烟气余热利用方式,空气预热器2,煤气加热器2推荐使用玻璃管换热器。
3.1.3玻璃管换热器
管式换热器广泛应用于化工、机械、冶金等行业,适用温度环境范围广泛。管外通过设置螺纹管、波节管等,表面可有效增加换热管传热面积,同时减弱边界层层流效果,减小边界层厚度,增强流体紊流程度,增大壁面对流换热系数,提高介质与管壁对流传热效果,起到强化传热作用;管内通过设置各种形式的内插扰流件,以增强管内流动的紊流程度,强化传热。在高温的应用场景下,在管板高温介质侧设置50mm厚浇注料对管板进行保护;设备整体吊挂,整体膨胀;高温侧设置“折弯管”或“膨胀节”,独立膨胀;在低温场景下通过在低温换热管内设套管,取消管内扰流件等措施有效提升壁温,同时换热管使用ND钢、不锈钢、玻璃、氟塑料等材质防止腐蚀。
玻璃管换热器结构型式为管式换热器,具有管式换热器的优点,近几年广泛应用于化工行业,主要针对于强酸性环境热交换。相较与金属管式换热器,玻璃管换热器有所不同,金属管式换热器,换热管和管板都为金属,采用焊接的形式连接和密封,为了防止震动变形,中间管板采用金属板支撑;而玻璃管换热器的换热管为玻璃光管材质(玻璃换热管整个外层用膜层包裹,便于维修,在玻璃管破裂需要更换的时候,可以整体将玻璃换热管取出,不留任何玻璃碎片于壳程中),不能焊接,管板开孔安装密封衬套,与管板采用柔性连接的方式密封,为了防止震动损坏管子,中间管板采用非金属卡扣卡环的形式支撑。另外金属换热器模块之间采用焊接的形式组装在一起,二玻璃管式换热器为了保护换热管,模块之间采用螺栓固定的方式连接。
目前玻璃管换热器已发展成熟,在玻璃管的制作过程中加入其它化学元素,可以增加玻璃管的强度和耐冲击性。
3.2煤气发电低温烟气多级余热回收
煤气在锅炉内燃烧产生的烟气,依次经过过热器、再热器、省煤器,省煤器出口烟气一般在250℃~300℃,省煤器出口烟气再经过金属管式空预器加热鼓风机送入的空气,将烟气温度降低到200℃,所述空预器型式为金属管式换热器,然后烟气进入煤气加热器1加热煤气加热器2出来的煤气,将烟气温度降低到160℃,所述煤气加热器1型式为重力式热管或分体式热管换热器,为了延长煤气加热器1的使用寿命,烟气出口侧和煤气进口侧几排换热管采用镀搪瓷、ND钢、316L或2205双相不锈钢等耐腐蚀材质,接着烟气进入煤气加热器2,通过加热除雾器进入的煤气将烟气温度再降低到80℃,煤气加热器2型式为非金属管式换热器,为了保护煤气加热器2,换热管采用耐低温腐蚀的玻璃管或氟塑料管材质,所述煤气站送入的煤气先进入除雾器进行除雾,除雾器类型为玻璃钢波折板式,有效降低煤气进口水、雾、尘的含量,减轻对煤气加热器2、煤气加热器1的损坏,最终烟气由烟囱排出,图二为方式二余热回收系统的流程图。
图二
4、煤气发电低温烟气余热利用效益分析
煤气发电机组烟气余热回收系统将烟气温度从现有140℃降低到低到80℃,发电效率可提高4个百分点,以超临界煤气发电机组为145MW(兆瓦)为例,发电效率可达43.5%,年发电量10.6亿度,直接经济效益5亿多元,一年可减少二氧化碳排放85.4万吨,具有非常可观的经济和环保效益。
表一 超临界煤气发电机组为145MW(兆瓦)发电效率
烟气温度 | 烟气温度降低到140℃ | 烟气温度降低到80℃ |
发电效率(%) | 39.5 | 43.5 |
5、结论
在钢铁煤气发电系统中,由于烟气量比较大,余热回收价值高,所以对低温烟气进行再回收利用,不仅可以产生可观的经济效益,还可以降低二氧化碳的排放。本文针对煤气发电烟气余热回收系统利用两种方案进行探讨,可行性高,运行稳定,设备使用寿命长,具有重大的意义,在煤气发电余热回收领域值得推广应用。
参考文献
[1]雷承勇,尹金亮,张勇,李斌,刘瑞林, 陈宝星,常城,王利敏.锅炉烟气余热回收加热冷风技术研究[J].发电设备期刊, 2018(04): 231-234.
[2]张小雷.钢铁企业能源配置计划问题研究[D].沈阳:东北大学,2012.
[3]陈林,孙颖颖,杜小泽,魏高升,杨立军.回收烟气余热的特种耐腐蚀塑料换热器的性能分析[J].中国电机工程学报期刊, 2014(17): 2778-2783.
[4]于兰凤.热管换热器的应用[J].广东化工期刊,2013(16): 182-183.