烟气余热利用系统分析VIP

摘要I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ABSTRACTIAbstractThe recovery and utilization of flue gas in coal-fired power station is an effective measure to meet the requirements of fully carrying out ultra-low emission and energy saving reform of coal-fired units. This paper elaborates the main methods and advantages and disadvantages of thermodynamic analysis of thermodynamic system. At the same time, the three main connection methods of low temperature economizer are introduced, and the energy saving transformation of a 1000MW steam turbine is analyzed. Four kinds of schemes are designed and analyzed thermodynamically. The results show that the temperature of the flue gas is higher The more energy saving effect of scheme 2 is worse than that of the other three schemes. The effect of comprehensive utilization of flue gas is not only the same as that of boiler Side of the flue gas temperature drop, but also with the low temperature economizer circuit layout of the form; low temperature economizer replaced by the higher the level of the heater, the more obvious the energy saving effect.Keywords: low temperature economizer; flue gas waste heat utilization; energy analysis of thermodynamics目录I目录摘 要 .IAbstract .I目录 .I第 1 章 绪 论 .11.1 引言 .11.2 电 站 锅 炉 烟 气 余 热 利 用 的 研 究 现 状 .11.3 高炉煤气锅炉烟气余热利用的研究现状 .41.4 研究内容及意义 .5第 2 章 锅 炉 烟 气 余 热 利 用 的 理 论 基 础 .72.1 热 平 衡 法 .72.2 等 效 焓 降 法 .82.3 特 殊 函 数 法 .102.4 循 环 函 数 法 .102.5 矩 阵 法 .102.6 烟 气 余 热 利 用 节 能 潜 力 分 析 .112.7 本 章 小 结 .14第 3 章 低 温 省 煤 器 联 结 方 式 的 选 择 与 优 化 .153.1 引 言 .153.2 串 联 联 结 方 式 .163.2 并 联 联 结 方 式 .163.3 跨 级 并 联 联 结 方 式 .163.4 烟 气 余 热 利 用 系 统 部 分 问 题 的 处 理 .173.4.1 排 烟 温 度 对 烟 囱 排 烟 能 力 的 影 响 .173.4.2 尾 部 烟 道 设 备 结 构 布 置 .173.4.3 烟 道 阻 力 对 引 风 机 的 影 响 .183.4.4 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 .194.1 烟 气 综 合 利 用 系 统 设 计 与 分 析 .194.2 热 力 学 节 能 分 析 .224.3 综 合 煤 耗 分 析 .24目录II4.4 本 章 小 结 .26第 5 章 结 论 与 展 望 .27参 考 文 献 .29致 谢 .32中北大学 2017 届本科毕业论文1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，成为我国实施节能中北大学 2017 届本科毕业论文2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中北大学 2017 届本科毕业论文3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中北大学 2017 届本科毕业论文4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，有助于节中北大学 2017 届本科毕业论文5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