锅炉尾部烟气余热深度利用浅析

摘 要：为深入分析燃煤锅炉尾部受热面低温腐蚀的机理，找到尾部余热深度利用的可行之法，本文从低温腐蚀原理、硫酸露点及其凝结形成机理出发，根据我国实际情况，分析比较了国内外使用的预防低温腐蚀、降低排烟温度、高效回收排烟余热的技术、设备及方法的优缺点，结合有效腐蚀理论，指出锅炉尾部烟气余热深度利用的研究方向。

关键词：深度余热利用；低温腐蚀；露点；有效腐蚀

循环热效率和锅炉效率是影响燃煤电厂经济性高低的最重要因素，而冷源损失直接影响锅炉的循环热效率，锅炉排烟损失则是锅炉热损失中最大的一项，约占锅炉热损失的70%～80%。锅炉的排烟温度高，造成火力发电厂的煤耗量增加。因此，降低锅炉的排烟温度，可以大幅度降低煤耗，节省能源。

排烟温度的高低直接影响锅炉热效率，排烟温度每降低10～15℃发电煤耗就可降低1克[1]。电站锅炉大多在尾部烟道安装省煤器、空气预热器、余热回收等设备以回收排烟热量，降低排烟温度。但是由于一些电厂的机组设备陈旧，燃煤煤种经常变化，煤质与原设计煤质相差巨大，导致排烟温度远高于设计值。另外，由于燃煤含硫量较高，导致烟气酸露点提高而限制了尾部设备的运行，使排烟温度无法降到设计值。因此，深入分析烟气低温腐蚀的机理及烟气露点影响是解决锅炉尾部烟气深度余热回收的重要条件。

1 国外低温腐蚀解决方案

国外很早就开始研究烟气的低温腐蚀问题，其燃煤在80年代就已经全部通过洗选，保证了入炉煤的较低含硫量，使其各种设备均具较低酸露点下的工作条件，并在尾部温度较低处采用低硫合金钢，抗硫酸露点腐蚀钢等材料。对于脱硫后烟温较低问题，欧美多采用在原烟囱内衬以玻璃鳞片树脂胶泥等防腐材料，在气象条件不利时，对脱硫后烟气采用在烟囱底部加装燃用清洁燃料器的做法提高烟气的扩散能力，解决“烟囱雨”问题。另外还有一些电厂采用烟塔合一的方法，将脱硫后的烟气送入循环水冷却塔中，与冷却空气和水蒸气一同排放，此法既可省去烟囱建造费用又可提高烟气污染物的扩散能力。而在日本燃煤电厂多采用管式气-气换热器即管式GGH系统，从电除尘前吸收烟气热量回热给脱硫后的低温烟气，一方面使烟气温度升高避免腐蚀烟囱，有利于污染物扩散，减低烟气进入电除尘气温度，提高除尘效率，并能减少烟气硫含量和烟气量，使风机效率，脱硫效率都有所提高。另一方面，可以使SO3与水蒸汽凝结成雾状并附着在飞灰颗粒上，随飞灰排除，是一种有效的方案，但需要在新建或扩建项目为烟气换热系统预留空间。且此处烟气含尘高、风速较小，结露的酸液易附着在管壁上污染受热面。

2 国内余热回收技术

我国由于燃煤煤种复杂、煤质含硫量较高、入炉前脱硫应用不多，导致尾部烟气中SO3含量较高，烟气的露点温度远高于国外的平均水平，由此也限制了排烟温度的降低；另一方面国内很多机组较为老旧尤其是一些小机组，经过多次的技改以后使锅炉整体的工作状态大大偏离了设计工况。使回收尾部烟气余热的省煤器、空气预热器等也由于材料材质、传热性能等的限制并没有起到应有的效应，从而导致最后的排烟温度过高，有些燃油锅炉的排烟温度甚至达到180℃。为了改变这种情况国内一般采取以下措施：

2.1 调整燃烧和制粉系统

通过调整锅炉燃烧、制粉系统改造等方法使热量的吸收在锅炉受热面中分配均衡，从而降低排烟温度。该种方法不须进行设备改造，操作简单、经济成本低廉。但研究和实践表明，通过燃烧调整改变排烟温度的范围有限，而且受燃料品种的影响较大，使用这种方法降低排烟温度并不可靠。

2.2 改造空气预热器

空气预热器是锅炉最后一级换热器，加大其换热面积可以直接降低排烟温度，故在原冷空气入口处加装前置式空预器是有效降低排烟温度、回收尾部余热的措施之一。前置式热管空气预热器加装在原有空气预热器之后，冷空气经热管空气预热器加热后再进入原有空气预热器，从而有效减轻了原有空气预热器的低温腐蚀。锅炉烟气余热用于加热冷空气，将使锅炉受热面的换热分布重新分配，并使多处的烟气温度都有所改变。因此，不能将其当作独立的换热器来设计，而要将其作为锅炉尾部烟道的换热器之一整体考虑。换热器回收的热量全部带入炉内，使锅炉受热面的传热分布改变，这对锅炉运行是很不利的。尤其是小型锅炉会出现运行技术性能指标逐步变差的现象。

2.3 通过喷雾增湿在电除尘处降低排烟温度

静电除尘器是尾部收集烟尘的主要手段之一，其效率取决于烟气流速、含硫量、含尘量及灰尘粒径等多种因素影响，过高的烟气温度会使除尘器的效率降低。例如：烟气温度130℃时除尘效率99.35%而140℃时的效率仅为98.9%[2]。所以很多电站采用在除尘器前通过喷水减温使入口烟温降低，提高除尘效率。但是此方法却无法回收烟气中的热量，无法提高锅炉效率，同时喷入的大量水雾不但会浪费大量的水资源，还会使积集灰尘的含水量增大造成集尘板的腐蚀。

2.4 在脱硫设备的改造

现电站尾部脱硫系统大多采用石灰石-石膏湿法脱硫系统，但是湿法脱硫后的出口烟温通常只有50℃，虽然经过了脱硫作用除去了部分硫份，但是硫酸蒸汽的露点温度依然很高，在烟囱内壁上依然会凝结造成腐蚀；并且较低的排烟温度会大大影响‘烟羽’的扩散作用，在环境空气中的水分接近饱和、气象扩散条件不好时，烟气离开烟囱出口时会形成冷凝水滴，形成所谓“烟囱雨”；同时由于烟温较高，会在脱硫系统中消耗过多的水资源。有鉴于此，有一部分电厂投入了GGH系统，此方法是使用气气换热器回收脱硫前的热量把脱硫后的烟气加热到80℃左右。但是GGH系统的换热器却因为工作环境的问题而成为整个FGD系统的故障点，上世纪80～90年代由于对FGD的性能还没有完全认识、掌握，认为脱硫后的净烟气通过GGH加热之后，烟温升高至80℃，可以降低脱硫后烟气对下游设备的腐蚀倾向。但实践证明，烟气经过GGH加热后，烟温仍低于其酸露点，仍然会在尾部烟道和烟囱中产生新的酸凝结。

2.5 加装余热回收装置

低压省煤器是一种安装在尾部烟道的热量回收装置[3]，其通过加热锅炉给水直接把热量回收到整个系统中，提高锅炉效率而又不影响其他原有受热面的工作，是一种成熟的回收排烟余热的方法。但受烟气露点温度的影响，排烟温度仍然低于原有设计值。此方法可以有效的利用锅炉余热提高效率同时又保证了设备的安全运行。但是适用范围恰又受安全考虑的影响，限制了排烟温度的深度降低，所以要达到深度节能的目的需对现有设备进行改造。

近几年出现的热管式低压省煤器技术，其主要特点是烟气侧金属壁温可通过水侧流量在一定的范围内进行调节，使其高于烟气酸露点，防止低温腐蚀和堵灰。但由于热管式低压省煤器利用热管内的中间介质（水或蒸汽）进行了两次传热过程，热管内蒸汽的饱和温度虽然在烟气侧换热面保证了金属壁温，但在水侧换热面，却压制了加热后的出口凝结水水温，使得热管式低压省煤器获得的收益较低。这也是利用热管式低压省煤器加热凝结水的致命弱点。

3 低温腐蚀原理分析

排烟温度降低会导致尾部受热面低温腐蚀现象加剧，而露点则是低温腐蚀的一个关键指标，对其进行分析有助于找到克服低温腐蚀、实现降低排烟温度的新举措。

3.1 低温腐蚀原理

燃料中含有的硫份在燃烧中生成大量的SO2，其一小部分进一步与自由氧原子[O]反应生成SO3，另外在经过高温受热面时，积灰也会通过其催化作用使一部分SO2被氧化生成SO3，SO3在低温部位与烟气的水蒸汽作用生成硫酸蒸汽，并在壁温低于硫酸蒸汽露点时凝结，使受热面发生严重的低温腐蚀。

3.2 烟气露点温度

烟气露点温度是指考虑了硫酸蒸汽存在的露点温度，是烟气中酸凝结速率与酸蒸发速率相等时的烟气温度，即气液两相体系处于平衡状态时对应的烟气温度。在气液两相体系中，露点温度与混合体系各组分浓度的关系属于相平衡的范畴，因而可以利用相平衡的理论多相混合烟气体系的露点温度进行分析。

烟气由多种组分组成，一般来说烟气中水的含量10%，当烟气中硫酸的含量为0时，烟气的露点温度仅为45℃左右，但只要有极少量的硫酸蒸汽存在，露点就会提高到100℃以上[4]，例如烟气中硫酸蒸汽的含量为0.005%时，露点可达到130℃～150℃[5]。烟气露点受到燃料种类、燃料含硫量及燃烧方式、过量空气系数、烟气中水蒸气含量及灰含量等多种因素控制，难以用一个计算公式来表达各种情况。很多学者也通过理论研究数值模拟等多种方法得出了一些经验公式。其中最为常用的为Muller公式[6]，使用热力学关系式计算硫酸蒸汽含量非常低的烟气酸露点而得到，并且被许多研究者的试验所证实，如图1所示；

此外前苏联的热工研究所（BTN）通过实验得到了露点经验估算公式（1），该公式考虑了燃料中硫分与灰分含量对于露点的影响，我国电力行业大多采用该公式计算酸露点，但锅炉中的燃烧受到多种因素的影响，时刻都会发生变化，因此理论计算的结果和实际的燃烧情况有一定的差别，尤其是SO2转化成SO3的比率难于确定，所以烟气露点的计算值与实际值会存在一定的差距[7]。

式中，tld为烟气酸露点温度；tsl为当前水蒸气分压力下的水露点温度；Sar，zs、Aar，zs为对应于1000大卡发热量的收到基折算硫份和折算灰分；当炉膛出口过量空气系数α=1.2～1.25时，β=121；α=1.4～1.5时，β=129。

3.3 深度余热利用可能性分析

根据理论推导得出的上述烟气露点公式（1）在纯硫酸工业应用较好，但是在燃煤锅炉灰分含量很大的环境中受到很大限制，因此前苏联研究学者根据现场运行得出腐蚀速度随受热面壁温的变化规律如图2所示，在国内得到了广泛的应用。由图2可以看出，在酸露点C及水露点A之间存在一温度区域，即排烟温度保持在较低的水平，既提高锅炉效率，又可以保护受热面处于相对较低的腐蚀速率之下。因此，如何安全快速的使排烟温度由E点过渡到C点，是解决问题的有效手段。

使换热设备在第一及第二安全区域即可保证热力设备的安全稳定运行，但在第一安全区域，排烟温度过高，系统的效率较低，不适合节能减排的新思路，第二安全区域一般为大于水蒸气饱和温度20℃小于105℃，在此区域内换热器只发生有限的低温腐蚀，可以采取必要的防腐手段进行避免，同时烟气排烟温度大大降低，有利于尾部余热回收，但是烟气从第一区域向第二安全区域过度段为高腐蚀区域，如何快速而安全的使烟气降温并稳定在第二腐蚀区域是防止低温腐蚀的重点。

4 结论

通过以上讨论和分析可知，使锅炉尾部受热面处于第二安全腐蚀区域是解决低温腐蚀及保证锅炉效率的有效方法，而采用尾部加装余热回收设备降低排烟温度，是实现上述方法的最有效途径。排烟温度的降低无法避免的会带来低温腐蚀的发生，因此尽量减轻低温腐蚀是目前研究的重点，准确计算露点温度及人为干预露点变化是解决问题的研究方向。

[参考文献]

[1]张付新，等.1021t/h锅炉单侧增设低压省煤器降低排烟温度的实践[J].电站系统工程，2012，28（5）：21-23.

[2]Zakariya Al-Hamouz，Amer El-Hamouz，Nabil Abuzaid， Simulation and experimental studies of corona power loss in a dust loaded wire-duct electrostatic precipitator[J]. Advanced Powder Technology，2011，22：706-714.

[3]王玮.火电机组冷端系统建模与节能优化研究[D].华北电力大学，2011.

[4]赵钦新，张知翔，等.模拟气氛下硫酸露点的腐蚀试验研究[J].动力工程学报，2012，32（5）：420-424.

[5]Kwangkook Jeong，Edward K.Levy.Theoretical prediction of sulfuric acid condensation rates in boiler flue gas[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2012，55： 8010-8015.

[6]Muller P.A.Contribution to the Problem of the Action of Sulfuric Acid on the Dew Point Temperature of Flue Gases [J.Chem.Eng.Tech.1959，31：345-350.

[7]夏海燕，郑胜清.露点仪测量结果的不确定度分析与评定[J].计量技术，2012，5：73-74.