我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中，燃煤超過(guò)70%比重，其中大部分用于發(fā)電。2014年，全國(guó)火電裝機(jī)容量91569萬(wàn)千瓦，占全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量的67.4%。全年火力發(fā)電量42049億千瓦時(shí)，占全國(guó)總發(fā)電量的76.96%。全國(guó)6000千瓦及以上火電機(jī)組供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗318克/千瓦時(shí)。到2015年中國(guó)電力行業(yè)煤炭消耗量將超過(guò)14億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。2012年，中國(guó)燃煤量已經(jīng)超過(guò)全球燃煤量的一半以上。

目前我國(guó)電廠雖然普遍設(shè)置了脫硫、脫銷、除塵等設(shè)施，但是根據(jù)《污染物排放系數(shù)及排放量計(jì)算方法》，2015年電煤燃燒將排放0.23億噸SO2、0.22億噸NOx、0.135億噸煙塵等污染物及9.38億噸CO2，是霧霾、酸雨、熱污染及全球暖化等產(chǎn)生的根本原因之一。發(fā)電行業(yè)面臨的環(huán)保及節(jié)能壓力日益增加，而降低電站鍋爐排煙溫度是最有效的降低供電煤耗、降低污染物排放的方法之一。為此科技部于2011年立項(xiàng)啟動(dòng)了“鍋爐低溫?zé)煔庥酂嵘疃壤玫幕A(chǔ)研究”“973”計(jì)劃項(xiàng)目，力求為我國(guó)燃煤電站鍋爐余熱利用的奠定科學(xué)基礎(chǔ)、解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)，在鍋爐低溫?zé)煔庥酂崂没A(chǔ)理論研究及示范化工程實(shí)踐方面均取得了顯著的進(jìn)展。

鍋爐低溫余熱利用極限判據(jù)——工程酸露點(diǎn)

我國(guó)電站鍋爐設(shè)計(jì)的排煙溫度一般在115~130℃之間，高于煙氣熱力學(xué)酸露點(diǎn)10~15℃。在此排煙溫度下，煙氣溫度高于煙氣熱力學(xué)酸露點(diǎn)，可避免換熱設(shè)備設(shè)備的低溫腐蝕，提高設(shè)備可靠性。

課題組通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，創(chuàng)新性地提出了工程酸露點(diǎn)的概念，不同于熱力學(xué)酸露點(diǎn)，其本質(zhì)是換熱管束污垢熱阻突變管壁溫度。當(dāng)煙氣溫度高于此突變溫度，換熱管束外側(cè)為松散型積灰，通過(guò)傳統(tǒng)的吹灰方式即可清除，保持高效的傳熱效果。同時(shí)，通過(guò)松散型積灰成分分析表明，硫化物含量非常低，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)未見(jiàn)管壁腐蝕現(xiàn)象。當(dāng)煙氣溫度低于此突變溫度，管束外側(cè)為板結(jié)性積灰，極難清除，嚴(yán)重影響了管束的傳熱效果。在板結(jié)性積灰內(nèi)層，發(fā)現(xiàn)管壁嚴(yán)重腐蝕。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，工程酸露點(diǎn)比不同熱力學(xué)酸露點(diǎn)計(jì)算公式所得數(shù)據(jù)低35~70℃。低溫?zé)煔庥酂崂脴O限判據(jù)就是保持煙氣換熱器管壁溫度為工程酸露點(diǎn)左右，盡可能降低排煙溫度。在保證較高傳熱效果的前提下，有效避開(kāi)嚴(yán)重的低溫腐蝕區(qū)域。相比傳統(tǒng)排煙溫度，工程酸露點(diǎn)的設(shè)定可降低至少30℃煙氣余熱排放溫度。

此方法已經(jīng)獲得國(guó)家發(fā)明專利兩項(xiàng)，實(shí)用新型專利一項(xiàng)。

電站鍋爐低溫?zé)煔庥酂崂孟到y(tǒng)——能級(jí)提升系統(tǒng)

電站鍋爐低溫余熱利用傳統(tǒng)系統(tǒng)就是利用煙氣低溫余熱加熱凝結(jié)水。由于受到排煙溫度的限制，只能將低溫?zé)煔庥酂醾鬟f為溫度更低的凝結(jié)水，代替部分低壓加熱器的熱源，排擠低壓加熱器抽汽，抽汽返回汽輪機(jī)多做功。由此在總輸入熱量不變的前提下，提高了機(jī)組發(fā)電效率，降低了發(fā)電煤耗。

課題組通過(guò)建立電站鍋爐排煙余熱利用的通用收益模型，分析發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)電站鍋爐排煙余熱利用系統(tǒng)存在較大火用損的缺陷，提出了大型電站鍋爐排煙余熱能級(jí)提升系統(tǒng)。該系統(tǒng)將鍋爐空氣預(yù)熱器及汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)有機(jī)耦合為一體，利用電站低溫?zé)煔庥酂崽嵘疹A(yù)器入口風(fēng)溫，通過(guò)空預(yù)器變工況及熱平衡，可將120℃左右的低溫?zé)煔庥酂徂D(zhuǎn)變?yōu)榭疹A(yù)器入口370℃左右高能級(jí)煙氣熱量，顯著提升了余熱的能級(jí)。這樣，低溫?zé)煔庥酂岵皇芘艧煖囟鹊南拗?，可加熱鍋爐給水，代替部分高壓加熱器的熱源，排擠高壓加熱器抽汽。針對(duì)某典型百萬(wàn)機(jī)組計(jì)算表明，相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，可提高發(fā)電效率0.75%左右。

電站鍋爐余熱利用新型管材——開(kāi)縫H型翅片橢圓管束

燃煤煙氣中含有大量的煙塵，鍋爐尾部受熱面經(jīng)常受到煙塵磨損和積灰的困擾，導(dǎo)致效率降低，并引發(fā)爆管等安全事故。課題組綜合考慮粉塵環(huán)境下?lián)Q熱設(shè)備的傳熱性能、流動(dòng)阻力、防磨損積灰及低溫腐蝕特性，在目前常用的圓管換熱器基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了H型翅片橢圓管束及新型開(kāi)縫H型翅片橢圓管束。相對(duì)于圓管形式，橢圓管能顯著降低尾流區(qū)，提高綜合傳熱性能，綜合性能指標(biāo)提高20%左右，而新型開(kāi)縫H型翅片橢圓管相對(duì)于H型翅片橢圓管還能提高20%。新型開(kāi)縫能夠造成煙氣串流，減輕受熱面積灰。對(duì)磨損嚴(yán)重的順排管束的第一排管，受到沙漠巖蜥的表皮結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，在迎流側(cè)布置仿生凸起，能顯著降低磨損，數(shù)值模擬結(jié)果表明第一排管的磨損值降低到原來(lái)值的8%左右。數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)均證明了該新型管型換熱器在煙氣余熱深度利用中的高效性能。

二次再熱百萬(wàn)機(jī)組煙氣余熱利用工程示范化項(xiàng)目

山東萊蕪發(fā)電廠2×1000MW超超臨界二次再熱塔式鍋爐余熱利用項(xiàng)目《大型電站鍋爐余熱的高能級(jí)深度利用技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化示范工程》，于2013年被發(fā)改委列為電力行業(yè)低碳技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化示范工程項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2015年12月投產(chǎn)，預(yù)計(jì)年節(jié)標(biāo)煤16500噸，折合人民幣1100萬(wàn)元。

該項(xiàng)目將排煙溫度為114℃的余熱，通過(guò)能級(jí)提升系統(tǒng)，轉(zhuǎn)移到空氣預(yù)熱器入口370℃的能級(jí)，排擠汽輪機(jī)高能級(jí)抽汽，提高節(jié)能效果。預(yù)測(cè)排煙溫度將從114℃降低到85℃，供電煤耗可以降低3g/kWh，發(fā)電效率能夠提高1.15%左右。