王健
中国中煤能源集团公司 北京 100120
摘要：锅炉在燃用设计煤种和校核煤种时空预器出口的排烟温度较高，排烟损失较大，因此考虑设置低温省煤器减少热量损失。低温省煤器的布置位置有3种方案：1、设置在空预器后除尘器前；2、设置在除尘器后引风机前；3、设置在引风机后吸收塔入口前。本文依托某百万燃煤发电机组工程对三种位置方案进行了研究，对三种方案从回收热量、除尘器效率、设备的磨损、腐蚀和堵灰情况等几个方面进行比较。
关键词：燃煤发电；低温省煤器；设计；位置；经济分析；对比分析
一、基本情况及必要性
某燃煤发电厂2×1000MW机组工程，建设2×1000MW国产超超临界燃煤发电机组，同步建设脱硫脱硝除尘设施。
（一）空预器出口烟气基本参数
表1： 空预器出口烟气基本参数
（二）低温省煤器设置的必要性
排烟热损失是锅炉各项热损失中最大的一项，一般约为5%～12%，占锅炉热损失的60%～70%。影响排烟热损失的主要因素是排烟温度，一般情况下，排烟温度每增加10℃，排烟热损失增加0.6%～1.0%。所以，降低排烟温度对于节约燃料、降低污染具有重要的实际意义。
空预器排烟温度124℃，采用低温省煤器可以回收烟气中部分热量。回收的热量用于加热凝结水，这样可减少汽轮机抽汽量、减少汽轮机额定工况的进汽量、降低机组热耗，最终降低机组燃煤量，从而实现节能降耗。
采用石灰石湿法脱硫系统，如果不上低温省煤器，引风机出口的烟气要经喷淋、脱硫等工艺，烟温从吸收塔入口的118℃左右降低至50℃左右从脱硫系统排出。如果设置低温省煤器，烟温从约90℃降低至50℃左右。降低烟温提高全厂热效率的同时能降低脱硫系统水耗。
（三）凝结水系统的选择
低温省煤器水侧凝结水系统的设计直接影响到它的运行可靠性和经济性。一方面，为减轻低温省煤器受热面发生低温酸性腐蚀，水侧最低进水温度不宜太低，另一方面，选择高温的凝结水，减少相对较高压力的低压加热器抽汽经济性好。
根据锅炉排烟温度，和汽轮机厂提供的热平衡图，选择低温省煤器的凝结水并联7号低加的方案。
该方案的最大优点是可控性强，当烟气成分变化时，烟气的露点温度将会随之变化；当机组负荷变化时，烟水换热装置的进口烟气温度和进口水温度都会随之变化，由此可能会引起低温腐蚀.该方案可以通过调节通过低温省煤器的凝结水量来控制金属壁温。所以必须自动控制传热管金属壁温高于烟气露点温度，避免低温腐蚀，确保安全运行。
二、低温省煤器设置位置比较
低温省煤器的布置位置有3种方案：1、设置在空预器后除尘器前；2、设置在除尘器后引风机前；3、设置在引风机后吸收塔入口前。下面就三种不同布置方案进行对比分析。
（一）设置在空预器后除尘器前
这种布置方案在日本应用较多。除尘器进口烟气温度降低到约90～110℃。通常将这种除尘器称作低低温除尘器。
1. 低低温除尘器的主要技术优势
（1）任何烟尘基本都有高比电阻状态，会发生反电晕现象。一般当烟气温度在120℃～150℃左右时，烟尘比电阻值处于较高点，电除尘器易出现低电压、大电流的“反电晕”现象，造成除尘效率下降。而在90℃～110℃区间时烟尘比电阻值可以下降1～2个数量级，使得烟尘比电阻处于最适宜电除尘器收尘的比电阻范围内，从而确保电除尘器的高效收尘，提高除尘效率和煤种适应性。
（2）排烟温度降低还会使得电场击穿电压升高。温度降低，密度增大，气体分子间隔变小，电子之间碰撞动能变小，电离效应减小，气体击穿电压提高，除尘器电场运行电压提高，从而可以提高除尘效率。根据经验公式估算，烟温每降低10℃，电场击穿电压升高约3%。
（3）烟气温度降低使得烟气量减小（排烟温度每降低10℃，烟气量减少约2.5～3%），烟气通过电场的流速降低，停留时间增加，相当于电除尘器的集尘面积增加，可实现除尘器的小型化，四电场的低低温除尘器基本能够达到五电场常规除尘器的除尘效率，除尘器本体比不使用低低温技术的电除尘器占地减小近20%。
（4）由于除尘器前烟温的降低至90℃左右，烟气中的气态SO3会完全的冷凝形成液态，从而被除尘器前大量的粉尘颗粒所吸附，再通过电除尘器对粉尘的收集被除去，大大减轻了下游设备SO3引起的酸腐蚀问题，这样FGD系统基本不用专门考虑SO3腐蚀。具体原理见图1。
图1 低低温除尘器防腐原理
2.低低温除尘器目前主要存在的问题
（1）电除尘器入口烟气中的粉尘内需有能充分中和SO3的碱性物质的量，电除尘器内烟气滞留部分须有防腐措施，低低温除尘器的设计须考虑灰斗部的粉尘堵塞防止对策、绝缘室的加热对策。
（2）飞灰比电阻降低，电极振打时粉尘容易再飞散（二次飞扬）。
（3）这种低低温电除尘器技术方案在日本有广泛应用，在我国目前已经有几台老厂改造投运的机组（梅县电厂5#、6#机组，龙岩坑口3#炉等）和近五年来新建大机组工程也已经使用，运行经验表明，低低温除尘器确实可以大幅度的提高除尘器的除尘效率，但是烟气温度的降低是否会带来下游设备腐蚀的问题国内还需要一段时间运行经验验证。
3.低温省煤器设置在空预器后除尘器前的主要影响
通过在除尘器前设置低温省煤器回收烟气的热量，烟温降低的同时，还可以减小引风机的功耗及脱硫专业的耗水量。如按此方案设计，目前与除尘器厂配合，常规除尘器入口烟气温度118℃，设置低温省煤器后除尘器入口温度按照95℃设计。烟气温度的降低可以提高除尘器效率，如果还用5电场除尘器可以使除尘器出口排放浓度提高到小于40mg/Nm3；如果保持除尘器出口浓度仍为50mg/Nm3，则除尘器可以采用4电场除尘器。此种布置方案低温省煤器要考虑除尘器前灰尘的防磨和堵灰等工况，要相应的增加吹灰的措施。
(二)设置在除尘器后引风机前
低温省煤器设置在除尘器后引风机前，此种布置方案不能利用烟温降低提高除尘效率的优点；另外当低温省煤器放在除尘器前，结露的SOx大部分随着灰尘被排掉，会减小对下游引风机腐蚀的风险。如果低温省煤器放在除尘器之后，由于粉尘浓度降低，其腐蚀反而严重。已经投入运行的重庆珞璜电厂采用了设置于除尘器后的方案，目前腐蚀情况严重。所以低温省煤器放在除尘器后既不能提高除尘器效率，对引风机腐蚀的风险又大，不推荐此种布置方案。
（三）设置在引风机后吸收塔入口前
低温省煤器设置于引风机出口即脱硫塔入口前。由于低温省煤器设于脱硫塔前，其出口紧接脱硫塔入口布置，而脱硫塔内部和出口烟道均考虑了酸露点腐蚀，这样，低温省煤器出口温度可以取的较低，引风机进出口温差较大，可利用余热增加。这样，不仅回收热量的效果明显，同时也降低进入脱硫塔的烟气温度，既减少烟气蒸发水耗量，又保护塔的防腐内衬。同时经过除尘后的烟气中固体颗粒少，对低温省煤器的冲蚀磨损减小，可以延长设备的使用寿命。国内投运的低温省煤器，采用此种方案的运行业绩最多。
（四）三种布置方案的比较
三种布置方案的比较详见表2
三、设置低温省煤器的经济性分析
低温省煤器的设置位置，从烟气蕴含热量回收角度考虑可以归为两类，引风机前和引风机后。因为烟气经过引风机后，烟气温度会增加。低温省煤器放在引风机后，可以回收该部分温升的热量。而从空预器至引风机入口，烟气蕴含的热量变化不大，因此分两种方案论证。即放在引风机前为方案A，放在引风机后为方案B。本次经济比较水价：1.8元/吨；含税标煤850元/吨；成本电价按0.25元/kWh。
（一）低温省煤器放在引风机前（方案A）
THA工况设计煤：燃煤量359.8t/h，低温省煤器入口过剩空气系数1.31，低温省煤器入口烟气温度111℃，烟气质量流量约3780000kg/h；低温省煤器出口烟气温度拟减温至90℃。
低温省煤器回收了部分烟气热量，节约了燃煤，其经济效益是明显的。根据汽轮机厂的热平衡图，在THA工况下，汽轮机热耗从7288kJ/kW·h下降到7270kJ/kW·h。全厂发电效率提高0.115%，由此降低发电标准煤耗0.657g/kW·h，以850元/t的标煤价计算，如年等效运行小时按5500h，则每台机组全年的燃料成本可下降约303.38万元。
低温省煤器设置在引风机前使引风机进口的烟温降低，烟气的体积流量减少。烟气温度从111℃度降到90℃，风机效率取88%，经过计算每台炉减少的引风机运行功率约500kW。低温省煤器的设置使烟气的阻力增加约500Pa，风机效率取88%，每台炉增加的引风机运行功率约610kW。
为低温省煤器设置的凝结水增压泵运行功率约125kW。
综上，设置低温省煤器增加运行厂用电功率235kW，按年利用5500小时，电费按0.25元/kWh，年增加电费约32万元。
设置低温省煤器可使进入脱硫吸收塔的烟气温度降低。按照低温省煤器是引风机进口烟气温度从111℃降低到90℃，另考虑引风机温升6℃。相当于烟温从111℃降到96℃。每台炉可节约用水35t/h。按照每吨工业水1.8元/t计，如年等效运行小时为5500h，每台炉一年节水的费用是34万元。
综上，机组年节约运行总成本305万元。
（二）低温省煤器放在引风机后（方案B）
THA工况设计煤：燃煤量359.8t/h，低温省煤器入口过剩空气系数1.31，低温省煤器入口烟气温度118℃，烟气质量流量约3780000kg/h；低温省煤器出口烟气温度拟减温至90℃。
低温省煤器回收了部分烟气热量，节约了燃煤，其经济效益是明显的。根据汽轮机厂的热平衡图，在THA工况下，汽轮机热耗从7288kJ/kW·h下降到7264kJ/kW·h。全厂发电效率提高0.153%，由此降低发电标准煤耗0.876g/kW·h，以850元/t的标煤价计算，如年等效运行小时按5500h，则每台机组全年的燃料成本可下降约404万元。
低温省煤器设置在引风机后，无法利用烟气温度降低来降低引风机功耗的有点。但低温省煤器的设置同样使烟气的阻力增加约500Pa，风机效率取88%，每台炉增加的引风机运行功率约640kW。
为低温省煤器设置的凝结水增压泵运行功率约145kW。
综上，设置低温省煤器增加运行厂用电功率785kW，按年利用5500小时，电费按0.25元/kWh，年增加电费约107万元。
设置低温省煤器可使进入脱硫吸收塔的烟气温度降低。烟气温度从118℃降低到90℃每台炉可节约用水50t/h。按照每吨工业水1.8元计，如年等效运行小时为5500h，每台炉一年节水的费用是49万元。
综上，机组年节约运行总成本346万元。
（三）两种方案的经济比较
低温省煤器放在引风机前与放在引风机后，两种方案初投资相同，机组年节约运行的总成本两种方案相当。但是考虑到放在引风机后腐蚀风险较小，推荐将低温省煤器放在引风机后。
结论
低温省煤器的布置位置有3种方案：1、设置在空预器后除尘器前；2、设置在除尘器后引风机前；3、设置在引风机后吸收塔入口前。对三种方案从回收热量、除尘器效率、设备的磨损、腐蚀和堵灰情况等几个方面进行比较。方案1对除尘器的收尘效率和引风机的运行功耗最为有利，从目前运行经验借鉴，也不会对除尘器及其下游设备造成严重腐蚀，但是考虑到目前国内采用该技术的机组投运时间不长，其在防腐方面的表现还有待于长期运行的实践检验，故不推荐此方案。方案2和方案3对于除尘器的选择没有影响，方案2与方案3从回收热量的角度考虑经济性相当，但是方案2引风机腐蚀的风险很大，目前也同样缺少实践经验的检验。因此比较三种低温省煤器位置的设置方案，推荐低温省煤器
设置在引风机后、吸收塔入口前。
参考文献：
[1]低温省煤器运行中的问题及预防措施，赵方渊?，《中国特种设备安全》；
[2]低温省煤器在电厂锅炉机组中的应用研究，徐斌超?，华南理工大学；
[3]1000MW机组低温省煤器改造可行性分析，马晨辉、沈翔宇。