1张晓楠 2 郭瑞倩
1哈尔滨电气国际工程有限责任公司，黑龙江省哈尔滨市，150028;
2哈尔滨汇焓科技有限公司，黑龙江省哈尔滨市，150000
摘要：燃煤锅炉排烟热损失为8%甚至以上，高温烟气直接排入大气，存在大量的能源消耗和浪费现象。当锅炉排烟温度升高10~15℃时，锅炉效率降低1%，本文通过研究锅炉尾部受热面的工作条件及换热的理论基础，提出对尾部受热面进行结构改造并通过迭代校核计算验证可行性的设计方案，达到回收烟气余热，降低排烟温度，提高锅炉效率的目的。
关键词：燃煤锅炉；排烟温度；锅炉效率；迭代校核计算；
煤炭是非再生能源，作为燃煤锅炉的燃料，如何高效利用是我们一直在探究的问题。许多学者通过实验和数据分析，研究锅炉余热回收利用技术方案：氟塑料换热器解决了换热管束的耐腐蚀和积灰结垢问题[1]；动态余热回收系统的利用 [2]；吸收式换热的方式回收锅炉排烟余热[3]。锅炉燃烧后的高温烟气排放量巨大，蕴藏着巨大的余热回收价值[4]。烟气内水蒸汽的显热和汽化潜热均未被充分利用，造成了大量的能源浪费。锅炉尾部受热面的合理设计会充分回收高温烟气中的能量，降低排烟温度，提高锅炉效率，提高能源的利用率。
1、尾部受热面性能要求
当携带飞灰的烟气以一定速度及方向冲刷受热面时，具有一定动能的灰粒撞击受热面的金属壁面时，金属受热面表面会受到飞灰法向和切向的双重作用力的作用，切向作用力会切削受热面金属壁面。当烟气速度达到10m/s甚至以上时，烟气中飞灰颗粒动能较高，飞灰切削金属表面的能力更强，当锅炉长时间运行时，飞灰的切削作用会累加，受热面管壁变薄速度加快。当烟气速度越大，飞灰含量越高时，烟气中飞灰颗粒动能越大，飞灰撞击壁面的次数增多，金属壁面的磨损量成倍甚至几十倍增加，严重时会影响锅炉正常运行。
燃煤锅炉产生的烟气中含有SOx和NOx。当高温烟气流经省煤器和空气预热器换热时，烟气温度和压力达到一定条件时，烟气中的水蒸汽会在金属表面凝结，此时凝结的水形成了硫酸溶液或者硝酸溶液，硫酸和硝酸溶液均具有强酸性，造成受热面的低温腐蚀。空预器冷空气温度和省煤器进水温度较低，因此空预器冷空气入口和省煤器迎风面前两排腐蚀严重。长时间的锅炉运行会加剧腐蚀速度，造成受热面穿孔，造成引风机及鼓风机功率增加，省煤器管爆管，影响锅炉正常运行。
因此在设计锅炉尾部受热面时，需选取恰当的选择受热面型式。受热面应具有的性能应为：
1)尾部受热面换热设备应具有较好的导热能力。
换热设备的导热系数过低，会导致换热设备的换热面积增大，换热设备的体积也随之加大，而实际允许放置的换热器空间有限。
2)换热器表面需耐腐蚀、抗磨损、防结渣。
由于飞灰对换热设备的磨损和低温粘结灰，换热设备需有一定的耐腐蚀性、抗磨损性及良好的防结渣性能，尽可能的降低飞灰磨损及低温粘结灰对换热设备表面的影响，增加传热效率。
3)换热设备运行可靠、结构紧凑、易维修。
燃煤锅炉为长时间运行的设备，尾部受热面余热回收换热设备须具有一定的运行安全性及可靠性；在限有的空间内布置受热面，就要求换热设备的结构紧凑性，同时考虑预留检修空间。
4)选择参与换热的换热系数大的工质。
水与空气相比，水侧的换热系数远大于空气侧的换热系数。当换热系数大时，能有效的减少换热面的金属使用，减少初投资。
2、理论基础
燃煤锅炉尾部烟气中余热量较大，但能级较低。
根据对流换热公式可知：在换热系数及总换热量不变的基础上，当换热介质温差变小时，换热面积增加，换热设备金属耗量增加，设备初投资提高且回收期变长。水的换热效果要优于比空气，横向冲刷换热效果要强于纵向冲刷，因此增大换热系数，会很大程度的节约换热器面积，减少设备初投资成本。
锅炉尾部受热面的换热过程实际是由三个换热过程组成：
（1）高温烟气向换热器表面的对流换热过程；
（2）换热器金属外高温侧向内低温侧的导热过程；
（3）换热器内壁面向换热介质的对流换热过程。
3、尾部受热面结构改造
锅炉尾部受热面布置一般为空气预热器、钢管省煤器或铸铁省煤器串联布置。当锅炉最末端受热面为空预器时，由于空气的换热系数小，需要的空预器换热面积较大。末端受热面为铸铁省煤器时，冷空气未经加热直接进入炉膛。实际冬季锅炉运行时，冷空气温度基本在零度以下，较低温度的冷空气会造成炉内燃烧条件恶劣，不利于燃料的引燃和着火；且此时冷空气来源为锅炉房室内空气，易造成室内外压差变大，存在安全生产隐患。
结合多种因素，考虑锅炉尾部受热面的布置型式为省煤器和空预器并联布置，烟气沿尾部烟道自上而下纵向流动，省煤器中水与烟气方向呈逆流。冷空气自空预器侧面进入经90°转向横向冲刷空预器错列管束。空预器空气侧进出口布置温度压力测点，烟气出口布置温度压力及氧量测点。省煤器安装压力表、安全阀和温度计。温度计可以实时监测锅炉进出口水温度；省煤器进出口集箱的安全阀能够减弱锅炉回水管路中可能发生的水击；当省煤器出现异常情况时，安全阀能及时探测并泄压，保证省煤器安全运行。
铸铁省煤器与烟气换热，在降低排烟温度的同时提高了进入锅筒的水温，减小锅筒进水管与锅筒材料的疲劳应力，延长了锅筒的使用寿命。冷空气经空预器换热后，温度升高，改善炉膛内的燃烧条件，保证锅炉连续正常运行。
空预器及铸铁省煤器两者的烟风阻力值不同，导致实际参与换热的烟气量不同，烟气不同的分配比例会影响换热器部件的换热及吹灰情况。可以在烟气入口前添加风量调节门，根据锅炉负荷调节参与换热的风量。当某一部件发生积灰堵塞时，由于部件并联布置特性，烟气会流向烟风阻力低的部件，而此时积灰结渣的部件不能有效吹灰，反而由于烟气量的减少加剧积灰结渣。因此需考虑空预器进口空气温度和省煤器回水温度，冷空气及回水温度不宜过低，避免换热器烟气侧的低温结露。
4、锅炉迭代校核计算要求
锅炉迭代校核计算是锅炉设计最重要的计算之一，也是验证本方案可行性的最行之有效的手段。在整个迭代循环的校核计算过程中，首先假设排烟温度，对每个换热部件进行结构计算后，再进行迭代校核计算，直到每个传热部件迭代结果在误差允许范围内。当烟气温度变化时，需及时更改对应的烟气状态参数，保证计算的准确性。若排烟温度与开始假设的排烟温度误差较大时，重新进行假设并迭代，直至锅炉换热结构传热量的相对误差均小于2%，且换热部件的总传热量与锅炉有效利用热量也满足相对误差不大于0.5%的要求，同时满足误差要求的计算数据才可作为运行参考数据。
5、结论
在调整适当的铸铁省煤器和空气预热器入口烟气量配比的情况下，空气预热器及铸铁省煤器并联结构选取较合理的烟气流速及工质流速，既保证了锅炉的燃烧条件及锅炉房内的压差，又减小了锅筒进水管接头与锅筒材料间的疲劳应力，同时减少了受热面的布置，降低了排烟温度，有效利用了烟气余热，减少了不必要的热量浪费，提高了能源的利用率。
参考文献：
[1] 李琼，张颖，等. 电站锅炉烟气余热回收利用装置的试验分析及研究[J]. 电站系统工程，2016，32(2)：34-36.
[2] 孙晓静，李文静，等. 燃气锅炉尾气余热回收应用方案[J]. 低碳技术，2016，64(10)：48.
[3] 孙方田，赵金姊，等. 基于吸收式换热的燃气锅炉烟气余热回收技术的节能效益分析[J]. 建筑科学，2016，32(10)：59-64.
[4]中国电力企业联合会. 中国燃煤电厂大气污染物控制现状2009[M]. 北京：中国电力出版社，2009：252-266.