我國煙氣余熱利用換熱器發(fā)展概述

  1 煙氣余熱利用的前景

 

  1.1 我國余熱資源情況

 

  余熱資源是指在現有條件下，在能源利用設備中沒(méi)有被利用的多余或廢棄的能源，是有可能回收而尚未回收的能量，廣泛存在電站鍋爐及工業(yè)設備中。從其來(lái)源分可分為高溫煙氣余熱、冷卻介質(zhì)余熱、廢汽廢水余熱、高溫產(chǎn)品和爐渣余熱、化學(xué)反應余熱、可燃廢氣廢液和廢料余熱等六類(lèi)，其中，高溫煙氣余熱總量約占余熱總資源的50%，冷卻介質(zhì)余熱占余熱總資源的20%，廢汽廢水余熱占11%。

 

  余熱屬于二次能源，我國余熱資源豐富，各種工業(yè)爐窯的能量支出中，廢氣余熱約占15%～35%，鍋爐煙氣熱損失是各項熱損失中最大的一項，一般在5%～8%之間。特別是在鋼鐵、電力、有色、化工、水泥、建材、石油與石化、輕工、煤炭等行業(yè)，余熱資源約占其燃料總消耗量的17%～67%，其中可回收率達60%。目前，我國余熱資源利用比例低，大型鋼鐵企業(yè)余熱利用率約為30%～50%，其他行業(yè)則更低，余熱利用提升潛力大。

 

  高溫煙氣的排煙溫度高一直是影響鍋爐經(jīng)濟運行的主要原因。國家質(zhì)檢總局頒布的《鍋爐節能技術(shù)監督管理規程》也明確規定，“鍋爐排煙溫度設計應當綜合考慮鍋爐的安全性和經(jīng)濟性，并且符合以下要求：（一）額定蒸發(fā)量小于1t/h的蒸汽鍋爐，不高于230℃；（二）額定蒸發(fā)量小于0.7MW的蒸汽鍋爐，不高于180℃?！睘闇p輕低溫腐蝕，一般排煙溫度設計在130℃～150℃，但由于尾部受熱面積灰、腐蝕、漏風(fēng)和燃燒工況的影響，實(shí)際運行排煙溫度大都高于設計值20℃以上，燃用高硫煤的鍋爐排煙溫度甚至高達200℃。排煙溫度每升高10℃，鍋爐熱效率約下降1%。對大型發(fā)電鍋爐，鍋爐效率已高達90%～94%，哪怕鍋爐效率提高1%，其經(jīng)濟效益和社會(huì )效益也是巨大的，因此鍋爐的運行效率直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。如果能有效利用這些余熱，則可節約大量能源，減少大氣污染，且降低企業(yè)生產(chǎn)成本，因此余熱利用對我國實(shí)現節能減排及環(huán)保戰略具有重要的現實(shí)意義。

 

  1.2 燃煤電廠(chǎng)的發(fā)展

 

  目前， 我國煤炭產(chǎn)量約一半用于發(fā)電， 約73.4%的裝機是火電機組，發(fā)電量的81%來(lái)自火電。

 

  一次能源結構決定了我國在相當一段時(shí)間內以化石燃料為主要能源?；痣娧b機仍然在發(fā)電裝機中占有決定性地位。發(fā)電企業(yè)燃料成本占全部成本的70%以上。

 

  電力生產(chǎn)是工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的原動(dòng)機和國民生活的基本保障。從2007～2011各年度數據看，火力發(fā)電量成穩定增長(cháng)態(tài)勢，火力發(fā)電量占全口徑發(fā)電量的比重穩定波動(dòng)，2011年比重呈現波峰增長(cháng)態(tài)勢。

 

  2011年我國電源建設火電投資為1054億元，其中煤電投資為903億元，占火電投資的85.67%。中國煤炭消費34.25億噸，占一次能源消費總量近7成，煤炭產(chǎn)量約一半用于發(fā)電。年我國火力發(fā)電裝機容量為76546萬(wàn)千瓦，其中煤電70667萬(wàn)千瓦，比例高達92.32%，2010年這一比例為92.00%。2011年火電裝機容量占發(fā)電總裝機容量的72.50%，火電發(fā)電量占全口徑發(fā)電總量的82.45%。

 

  圖1 2007~2011全口徑發(fā)電量與火電發(fā)電量情況及2011電力生產(chǎn)構成雖然近幾年民眾和政府環(huán)保意識不斷加強，政府對節能減排工作力度不斷加大，火電裝機容量占總發(fā)電裝機容量的比重及同比增長(cháng)情況有所下降，但是二者下降均非常有限。從截至2007-2011各年底發(fā)電裝機總容量及火電裝機容量來(lái)看，均處于平穩增長(cháng)趨勢?；鹆Πl(fā)電裝機容量增長(cháng)維持在8%以上，每年新增發(fā)電裝機容量中，火力發(fā)電仍然是重中之重。天然氣、水電、風(fēng)能以及太陽(yáng)能等清潔能源比重偏低，其發(fā)展任重道遠?；鹆Πl(fā)電裝機容量及火力發(fā)電量占絕對比重的情況將在我國長(cháng)期存在?！笆濉逼陂g，全國規劃煤電開(kāi)工規模3億千瓦，投產(chǎn)規模2.9億千瓦。

 

  1.3 煤電機組大氣污染情況

 

  2011年全國火電裝機容量和發(fā)電量分別比上一年增長(cháng)8.17%和14.16%，2009年全國電力煙塵年排放量為235萬(wàn)噸，2011年就降到155萬(wàn)噸；2009年全國二氧化硫排放總量為2214.4萬(wàn)噸，電力行業(yè)二氧化硫排放量約占全國排放總量的46.4%，為1027.5萬(wàn)噸。2011年全國電力二氧化硫排放降到913萬(wàn)噸，電力行業(yè)二氧化硫排放量約占全國排放總量的比重降到41.2%；2009年全國氮氧化物排放總量為1692.7萬(wàn)噸，電力行業(yè)氮氧化物排放量約占全國排放總量的49%，截止2011底，全國已投運脫銷(xiāo)機組1.4億千瓦，具有年脫除氮氧化物140萬(wàn)噸的能力。

 

  說(shuō)明近幾年來(lái)，電力行業(yè)污染物排放大幅度下降，在全國所占的比例也同時(shí)降低。

 

  1.4 “十二五”煤電發(fā)展趨勢

 

  節能、減排是電力行業(yè)“十二五”發(fā)展的重要方向，是火電廠(chǎng)必須完成的硬指標?！?a href="http://m.keyinmall.com/t/節能減排.html" >節能減排“十二五”規劃》中明確提出了“十二五”期間火電廠(chǎng)供電煤耗、二氧化硫排放量、氮氧化物排放量等指標要求，如表1所示：

 

  國家最新出臺的《火電廠(chǎng)大氣污染排放標準（2011）》已經(jīng)對火電廠(chǎng)的煙塵、二氧化硫及氮氧化物等重要污染物的排放均提出了比發(fā)達國家更加嚴格的指標。這就要求發(fā)電企業(yè)必須采用效率更高的除塵、脫硫和脫硝設備，必須采用生成氮氧化物超低的新一代低NOx燃燒技術(shù)，這將大大地增加企業(yè)的環(huán)保成本。

 

  因此，發(fā)電企業(yè)面臨污染物排放的總量控制和指標控制的雙重壓力，不得不在提高機組參數、提高效率、節水、節油、節電以及余熱回收方面下功夫，這增加了電廠(chǎng)投資和運行成本。對鍋爐輔助設備制造廠(chǎng)來(lái)說(shuō)帶來(lái)了新的市場(chǎng)，對煙氣余熱回收這種新項目的推廣帶來(lái)了不可多得的機遇。

 

  1.5 煤電鍋爐余熱利用情況

 

  電站鍋爐是現代火力發(fā)電廠(chǎng)的主要設備之一，鍋爐排煙熱損失是電站鍋爐各項熱損失中最大的一項，一般在5%～8%之間，占鍋爐總熱損失的80%或更高。一般來(lái)說(shuō)，排煙溫度每升高10℃，鍋爐熱效率大約降低1.0%，發(fā)電煤耗增加2克/千瓦時(shí)左右。

 

  我國“十二五”煤電發(fā)展的目標是從機組運行經(jīng)濟性分析、設備質(zhì)量以及燃料管理等多個(gè)方面入手，在燃煤發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程中減少煤源消耗、降低供電煤耗，實(shí)現2015年比2010年通過(guò)火電煤耗下降而節約標煤3523萬(wàn)噸。推動(dòng)煤電繼續向大容量、高參數、環(huán)保型方向發(fā)展，優(yōu)化機組運行方式。實(shí)現電力生產(chǎn)的綠色發(fā)展，化石燃料的高效清潔利用，燃煤電廠(chǎng)煙氣余熱深度回收利用，火電廠(chǎng)煙塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物的達標排放成為重要課題。

 

  煙氣余熱利用換熱器是有助于實(shí)現電力生產(chǎn)綠色發(fā)展的有效鍋爐輔助設備，目前在我國還處于起步階段。

 

  2012年國家發(fā)改委、國家能源局、財政部以[2012]1662號文下發(fā)了《關(guān)于開(kāi)展燃煤電廠(chǎng)綜合升級改造工作的通知》，要求各發(fā)電企業(yè)針對單機容量大于10萬(wàn)千瓦、小于100萬(wàn)千瓦的燃煤機組實(shí)施綜合升級改造，項目的年節能量包括發(fā)電降耗和供熱改造提效兩部分，并給予一系列優(yōu)惠政策的支持。其中鍋爐系統改造項目列為首項的是“鍋爐排煙余熱回收利用”，升級提效的效果是“采用煙氣余熱利用換熱器技術(shù)，若排煙溫度降低30℃，機組供電煤耗可降低1.8克/千瓦時(shí)，脫硫系統耗水量減少70%”。目前鍋爐煙氣余熱回收已是一項成熟技術(shù)，適用于排煙溫度比設計高20℃的機組運用。國家發(fā)改委等三部委文件的下發(fā)，對煙氣余熱回收利用起到了助推的作用。

 

  煙氣余熱回收技術(shù)不止是只有加裝一級煙氣余熱利用換熱器的簡(jiǎn)單方案，對于燃用高水分褐煤的電站鍋爐，煙氣體積含水量達15%左右，與燃用煙煤鍋爐相比排煙攜帶更大熱量，排煙溫度可能高達150℃～160℃。因此，燃用褐煤鍋爐的排煙余熱回收技術(shù)，還需要采用高效的梯級煙氣余熱利用方案，即煙氣余熱分兩級利用，高溫段與空氣預熱器并列設置旁路省煤器（換熱器），其中一部分用來(lái)加熱給水泵后的高壓給水，另一部分加熱低壓給水；低溫段是在除塵器后設置煙氣-水-空氣換熱器，用煙氣回收的熱量加熱冷空氣，作為空氣預熱器冷風(fēng)進(jìn)口的暖風(fēng)器。兩級回收系統投資高，但具有更好地節能效果，該項技術(shù)已于2002年在德國百萬(wàn)千瓦超超臨界機組上使用，增加設置了高效煙氣余熱回收系統后，發(fā)電標煤耗降低7克/千瓦時(shí)。煙氣余熱回收循環(huán)流程如下圖3所示：

 

  目前我國褐煤機組上還沒(méi)有使用過(guò)這樣的余熱回收系統，僅僅在600MW褐煤超臨界機組系統設計中開(kāi)始考慮采用該方案。初步預測常規煙氣余熱利用方案與無(wú)煙氣余熱利用方案相比，降低供電煤耗1.5克/千瓦時(shí)，而高效兩級煙氣余熱利用方案可降低供電煤耗5克/千瓦時(shí)以上。由此可見(jiàn)，對于褐煤機組煙氣余熱回收的經(jīng)濟社會(huì )效益更加顯著(zhù)。

 

  2 煙氣余熱利用換熱器產(chǎn)品介紹

 

  省煤器是鍋爐重要部件之一，是在鍋爐尾部煙道中加熱鍋爐給水的受熱面，起到節省燃料和降低排煙溫度的作用。而煙氣余熱利用換熱器為近年來(lái)的行業(yè)新產(chǎn)品，其既可以通過(guò)改造方式加裝在原有鍋爐上，也可以安裝在新建鍋爐上。從1985年開(kāi)始，我國開(kāi)始引進(jìn)國外“煙氣深度冷卻余熱利用”技術(shù)，進(jìn)行煙氣余熱利用換熱器的研究。進(jìn)入21世紀，針對行業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)，國內制造商加大了研究力度和投入，針對煙氣深度冷卻余熱利用技術(shù)所涉及的酸腐蝕和積灰問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)突破。隨著(zhù)國內材料技術(shù)、外擴展受熱面技術(shù)及火電行業(yè)整體技術(shù)水平的提高，鍋爐輔助設備行業(yè)技術(shù)也取得了重大進(jìn)展，“煙氣深度冷卻余熱利用”中的酸腐蝕和積灰等關(guān)鍵性難題得到突破。我國煙氣余熱利用換熱器制造開(kāi)始進(jìn)入技術(shù)創(chuàng )新和突破的新時(shí)期。

 

  近幾年，煙氣余熱利用換熱器原材料成本逐步走低，電煤價(jià)格卻步步攀升，火電行業(yè)最大的成本支出為煤等化石燃料，發(fā)電煤耗指標的高低決定著(zhù)火電行業(yè)的盈虧。同時(shí)在節能環(huán)保意識不斷增強、國家對火電廠(chǎng)節能減排工作要求不斷提升的情況下，實(shí)現節能降耗、減排環(huán)保對發(fā)電企業(yè)變得日益重要。降低排煙溫度成為火電行業(yè)實(shí)現節能降耗、減排環(huán)保的重要途徑之一。目前煙氣余熱利用換熱器在國內電廠(chǎng)的應用處于起步階段。

 

  煙氣余熱利用換熱器

 

  煙氣余熱利用換熱器采用翅片管作為傳熱元件，翅片管內通水，煙氣流經(jīng)翅片管外壁，因水溫低于煙氣溫度，水經(jīng)翅片管吸收煙氣的熱量，水溫升高的同時(shí)使煙氣溫度降低。煙氣溫度通過(guò)傳統省煤器的吸熱從400℃降至130℃，再通過(guò)煙氣余熱利用換熱器降到85℃左右，并將這部分煙氣余熱進(jìn)行利用，達到節能降耗、減排環(huán)保的目的。煙氣余熱利用換熱器通過(guò)降低鍋爐排煙溫度達到回收的煙氣余熱。

 

  2.1 節能降耗

 

  2.1.1 加熱凝結水。從某級低加取水（部分或者全部），經(jīng)煙氣余熱利用換熱器加熱后，回水至溫度更高一級的低加，可與某級低加并聯(lián)也可串聯(lián)于兩臺低加之間。通過(guò)減少低壓加熱器從汽輪機的抽氣量，提高汽輪機發(fā)電能力，達到改善機組整體循環(huán)效率的目的。

 

  2.1.2 加熱熱網(wǎng)水用于供熱，也可作為冷暖空調的熱源。

 

  2.1.3 用于加熱脫硫后的低溫煙氣（相當于GGH的功能）。布置在脫硫塔之前的煙氣冷卻器與脫硫塔之后的煙氣加熱器的工質(zhì)形成一個(gè)閉式循環(huán)系統。煙氣余熱利用換熱器加熱工質(zhì)，工質(zhì)在煙氣加熱器側放熱，加熱低溫煙氣，其具有降低煙囪的低溫腐蝕作用；同時(shí)有利于消除煙囪的“煙羽”（影像視覺(jué)效果）、“石膏雨”（污染環(huán)境）的現象。與GGH相比，換熱器無(wú)轉動(dòng)部件，具有不漏風(fēng)（原煙氣側與凈煙氣側實(shí)現完全隔離）、不易堵塞、換熱面易于清理的優(yōu)點(diǎn)。

 

  2.1.4 作為暖風(fēng)器的熱源，加熱鍋爐進(jìn)風(fēng)。

 

  2.2 節水

 

  除以上用途可實(shí)現節能降耗之外，將煙氣余熱利用換熱器安裝于脫硫塔之前，有利于降低脫硫系統為使煙塵溫度降至脫硫最佳工藝溫度的強制冷卻耗水量，具有“節水”的功效。

 

  2.3 減排

 

  在電除塵器之前加裝煙氣余熱利用換熱器，降低進(jìn)入電除塵器的煙氣溫度，可以降低煙氣體積流量，降低煙氣流速，同時(shí)降低飛灰比電阻，從而大大提高電除塵器的除塵效率。對電袋復合式除塵器或布袋除塵器而言，降低煙氣溫度，可提高除塵器濾袋的使用壽命，延長(cháng)濾袋的更換周期，減少電廠(chǎng)的維護費用。

 

  3 煙氣余熱利用換熱器行業(yè)發(fā)展推動(dòng)因素及需求情況3.1 火電行業(yè)的大發(fā)展帶來(lái)的市場(chǎng)新增需求

 

  隨著(zhù)我國經(jīng)濟的持續高速增長(cháng)和對電力的需求擴大，2011年火力發(fā)電量達到3.90萬(wàn)億千瓦時(shí)，電站鍋爐產(chǎn)量達到53.88萬(wàn)蒸發(fā)量噸。持續增長(cháng)的電力需求為煙氣余熱利用換熱器創(chuàng )造了市場(chǎng)空間。

 

  根據相關(guān)規劃，我國火力發(fā)電裝機量2015年將達9.28億千瓦，2020年裝機量將達11.7億千瓦，比2011年的7.07億千瓦有大幅提升。

 

  目前，全國火電裝機容量達7.7億千瓦，增長(cháng)38.8%。全國30萬(wàn)千瓦及以上大型火電機組占火電機組比重由62.5%提高到76%，其中，60萬(wàn)千瓦及以上清潔機組占火電機組比重已達39%。新建機組將以60萬(wàn)千瓦機組為主，30萬(wàn)千瓦機組居其次，100萬(wàn)千瓦機組將得到大力發(fā)展。

 

  國家“節能減排”政策推動(dòng)新型省煤器的發(fā)展節能減排是我國未來(lái)社會(huì )發(fā)展的重要工作。煙氣余熱利用換熱器通過(guò)對煙氣余熱的二次吸收，有效節約能源，提高煤利用效率，利于煤炭深加工利用的實(shí)現，將有效推動(dòng)煤電機組滿(mǎn)足《節能減排“十二五”》中對火電行業(yè)單位機組每千瓦時(shí)的發(fā)電耗煤量減少8克的節能要求。

 

  根據我國電力發(fā)展規劃，估算出我國在役火電機組增配煙氣余熱利用換熱器產(chǎn)品的市場(chǎng)容量。預計2012年市場(chǎng)規模約3.9億元，2013年為16億元，至2016年將達到24億元左右。具體如下圖7所示：

 

  4 我國煙氣余熱利用換熱器市場(chǎng)競爭情況

 

  目前我國煙氣余熱利用換熱器領(lǐng)域主要企業(yè)有青島達能環(huán)保設備股份有限公司、濟南達能動(dòng)力技術(shù)有限責任公司、上海格林熱能設備有限公司、北京沃德信實(shí)德環(huán)保科技有限公司、福建龍凈環(huán)保股份有限公司及江蘇海德節能科技有限公司。

 

  目前從事煙氣余熱利用換熱器產(chǎn)品設計和制造的企業(yè)數量較少，部分廠(chǎng)家原為除塵器生產(chǎn)廠(chǎng)家，其在煙氣余熱利用換熱器產(chǎn)品方面的技術(shù)儲備較少，專(zhuān)業(yè)性較弱，以上海成套、青島達能以及傳統省煤器生產(chǎn)廠(chǎng)家為代表的企業(yè)，其具有一定的技術(shù)儲備，研發(fā)實(shí)力較強，具有一定競爭優(yōu)勢。目前該領(lǐng)域投標也主要由上述幾個(gè)廠(chǎng)家最終入圍并參與，占據了絕大部分市場(chǎng)份額，其中青島達能環(huán)保設備股份有限公司在行業(yè)中占據優(yōu)勢位置。

 

  5 行業(yè)發(fā)展存在的主要問(wèn)題及對策建議

 

  節能減排是我國當前推動(dòng)工業(yè)可持續性發(fā)展的國策。隨著(zhù)《節能減排“十二五”規劃》的實(shí)施，我國火電行業(yè)在培養大型化、規?；拇笾行碗娬镜耐瑫r(shí)，向低能耗、低排放的方向發(fā)展，而煙氣余熱利用換熱器能夠在降低大型火電鍋爐能耗的基礎上進(jìn)一步提升除塵器的除塵效果，在政策和市場(chǎng)需求的雙重推動(dòng)下，煙氣余熱利用換熱器未來(lái)將迎來(lái)廣泛的市場(chǎng)空間。雖然國內開(kāi)展燃煤電廠(chǎng)余熱深度利用研究已有較長(cháng)時(shí)間，但煙氣余熱利用換熱器技術(shù)的成熟及應用始于近兩年，仍存在推廣及應用速度緩慢及市場(chǎng)機制不健全、產(chǎn)品標準不統一、技術(shù)交流欠缺等問(wèn)題。

 

  針對上述問(wèn)題，相關(guān)協(xié)會(huì )及政府部門(mén)應首先充分發(fā)揮政策的導向作用，積極扶持煙氣余熱利用換熱器骨干企業(yè)并提高其自主創(chuàng )新能力，健全行業(yè)的市場(chǎng)管理機制，規范監督管理；其次還應進(jìn)一步加強國際交流與合作，加強國內新型省煤器生產(chǎn)企業(yè)與國外同行業(yè)先進(jìn)企業(yè)的溝通交流，推動(dòng)技術(shù)引進(jìn)與吸收，不斷提高行業(yè)的整體水平。