分離式相變省煤器在電廠抗低溫腐蝕中的應用

虞 斌，付 杰，孫海彤，涂善東，孫 維,秦敬虎

(1.南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816; 2.華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237; 3.南京加諾能源設備有限公司，江蘇 南京 210037)

分離式相變省煤器在電廠抗低溫腐蝕中的應用

虞 斌1，付 杰1，孫海彤1，涂善東2，孫 維3,秦敬虎3

(1.南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816; 2.華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237; 3.南京加諾能源設備有限公司，江蘇 南京 210037)

針對高含硫煙氣降溫對換熱設備造成的低溫腐蝕難題，根據(jù)熱管的“相變段”壁溫可控可調(diào)的特性，分析了壁面低溫腐蝕的原因與分離式相變省煤器應用的可行性，并成功應用在某熱電廠2×660 MW機組空預器和除塵器間的煙氣余熱回收系統(tǒng)，得出了相變省煤器系統(tǒng)的熱力參數(shù)，也提供了系統(tǒng)的安裝措施。通過調(diào)控管壁溫高于酸露點來有效避開了低溫腐蝕，同時提高了除塵器效率，降低了排煙溫度，減少了脫硫的水耗，更大幅度地節(jié)約標煤和減少了CO2與SO2的排放量。設備安裝，解列檢修靈活，為熱電廠深度超低排放余熱回收系統(tǒng)提供了工程借鑒。

分離式相變省煤器；壁溫；酸露點；低溫腐蝕；節(jié)能；超低排放

0 引言

隨著我國超低排放工作的推進，中低溫區(qū)余熱回收帶來的設備腐蝕難題愈發(fā)凸顯，盡管針對鍋爐設備的抗低溫腐蝕的理論方面已開展許多研究，而對熱電廠中低溫段余熱回收設備抗腐蝕的設計研究相對較少。針對此問題，本文根據(jù)熱管“相變段”壁溫的可控可調(diào)的特性，將分離式相變省煤器應用于某熱電廠高含硫煙氣余熱回收系統(tǒng)。

1 分離式相變省煤器的理論分析

在某熱電廠2×660 MW超臨界機組煙氣余熱利用的改造工程中，脫硫前工藝設計需要大幅降低煙溫，因此在空氣預熱器(空預器)出口到除塵器進口之間安裝分離式相變省煤器，既避免了高含硫煙氣的露點腐蝕，同時又達到了國家超低排放的要求。新標準要求重點地區(qū)灰塵含量小于20 mg/m3,二氧化硫含量小于50 mg/m3[1]。

1.1 煤的硫含量高

該熱電廠的動力煤成分如表1所示。

表1 煤質(zhì)及灰成分表

表中動力煤灰分參照標準[2]，屬中高灰分煤；

(1)

式中：Std折算為折算后的干燥基全硫，%;Qgr.d實測為實測干燥基高位發(fā)熱量，MJ/kg;St,d實測為實測的干燥基全硫，%。硫分分級時，按動力煤的發(fā)熱量進行折算，規(guī)定基準發(fā)熱量值為24 MJ/kg，干燥基全硫按式(1)進行折算后，屬高含硫煤(HS)。

1.2 煙氣酸露點公式選取及估算

酸露點與煙氣中硫含量、全水分含量、灰分量及低位發(fā)熱量等因素關聯(lián)，經(jīng)驗公式有較多文獻涉及，考慮低溫腐蝕的主要因素是硫、灰分和全水分，采用前蘇聯(lián)《鍋爐機組熱力計算標準方法》(1973版)煙氣露點溫度計算如式(2)～(3)，且計算的酸露點在誤差允許的范圍內(nèi)與實際測量值吻合[3]。

Tsl=-1.210 2+8.406×VH2O-0.474 9×

(2)

(3)

李鈞博士考慮了自脫硫效應,把Sar,zs修正為KSar,net(其中K為煙氣中SO2排放系數(shù)，即煙氣中SO2實際排放量占按可燃硫全部生成SO2總量的百分比)，結(jié)果更加精確[4]。通過修正，K取0.85，計算煙氣的露點溫度為115.9℃。

1.3 低溫腐蝕原理

因動力煤中的硫，在燃燒過程中生成硫氧化物，并與水蒸汽反應成為H2SO4蒸汽。當鍋爐尾部的金屬壁面溫度低于煙氣的酸露點，會在其表面不斷地液化結(jié)露并生成許多淺黃色FeSO4·H2O的現(xiàn)象，稱為低溫腐蝕[5]。低溫腐蝕屬于一種全面性腐蝕，它使金屬壁面漸漸變薄最終破壞，此為腐蝕內(nèi)層；同時液態(tài)酸還會與煙氣中飛灰耦合，反應生成酸鹽，此為腐蝕外層，是腐蝕最嚴重的一種工況[6]。

工藝上一般采用低溫省煤器或相變省煤器。傳統(tǒng)的低溫省煤器系統(tǒng)通過提高排煙溫度，以犧牲余熱的代價來減緩腐蝕，同時也增加了脫硫中的水耗量[7-8]。當然，若壁溫低于酸露點較大時，即使排煙溫度再高，仍腐蝕嚴重。為了預防煙氣換熱器壁面的腐蝕，采用了分離式相變省煤器系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以管壁溫作為第一設計要素[9]，通過控制壁溫高于煙氣的酸露點來實現(xiàn)的。

1.4 分離式相變省煤器的工作原理

分離式相變省煤器在分離式熱管的基礎上提出了“相變段”，如圖1所示，中間的煙氣換熱器、上升(下降)管和汽水換熱器三部分組成了分離式相變省煤器系統(tǒng)。煙氣通過煙氣換熱器的雙H型翅片管加熱管內(nèi)工質(zhì)水，使其汽化后進入到蒸汽集箱，在壓差作用下沿著上升管進入汽水換熱器的殼程，釋放汽化潛熱來加熱汽水換熱器管程內(nèi)的凝結(jié)水，自身冷凝為液態(tài)水，并在重力作用沿下降管回到煙氣換熱器，內(nèi)循環(huán)工質(zhì)水因為反復循環(huán)相變，完成煙氣與凝結(jié)水的高效率的熱量交換。要求汽水換熱器必須高于煙氣換熱器，液體下降管與蒸汽上升管之間會形成一定的密度差,其所能提供的壓頭與汽水換熱器和煙氣換熱器的高度差密切相關，用以平衡蒸汽流動和液體流動的壓力損失，維系著自然循環(huán)系統(tǒng)的正常運行。

圖1 分離式相變省煤器的深度余熱回收系統(tǒng)工藝圖

2 分離式相變省煤器的工程應用

2.1 管壁面溫度控制的計算

將煙氣余熱回收用來加熱鍋爐給水，即根據(jù)“能級匹配原則”，用于加熱系統(tǒng)凝結(jié)水以期回收熱量最大化[13]。煙氣換熱器中的煙氣由165 ℃降低至130 ℃，通過內(nèi)循環(huán)工質(zhì)的相變將95 ℃的凝結(jié)水加熱到125 ℃。煙氣換熱器的管壁溫的確定受翅片管束結(jié)構與布置位置，煙氣，凝結(jié)給水的物理化學性質(zhì)的影響。

由兩相流等得知，忽略內(nèi)循環(huán)工質(zhì)水的傳熱熱阻和相變熱阻，管壁溫近似等于飽和蒸汽的溫度。在工程上，飽和蒸汽的溫度一般用Antoine方程來確定，確定熱管內(nèi)工質(zhì)的飽和溫度ts(℃)與蒸汽壓P(MPa)的關系計算如式(4)：

(4)

式中：a=9.387 6,b=3 826.36,c=227.68,適用于17～227 ℃[10]，對應的飽和壓力是0.001 94～2.65 MPa?！跋嘧兌巍钡娘柡驼羝麖臒煔鈸Q熱器到汽水冷凝器產(chǎn)生極小的壓降，由Clausuis-Clapeyon方程得知溫差也很小，同時調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量找到最佳管壁溫，實現(xiàn)了對受熱面的最低壁溫閉環(huán)控制。分離式相變省煤器的溫度及傳熱變化如圖2所示。

由圖可知，煙氣與凝結(jié)水間接換熱，內(nèi)循環(huán)工質(zhì)水通過煙氣換熱器時煙溫降低了35 ℃，相變后在汽水換熱器將凝結(jié)水提高了30 ℃。按0.25 MPa壓力得到的飽和溫度為127.9 ℃。劉效洲博士[11]從理論上給出通過優(yōu)化汽水換熱器傳熱面積及調(diào)節(jié)冷凝水的流量，能一定程度上提高管壁溫。一般換熱器的壁溫穩(wěn)定地高出酸露點10～15 ℃，以免腐蝕，延長了設備壽命。

圖2 分離式相變省煤器的溫度及傳熱變化

2.2 分離式相變省煤器的設計

依據(jù)質(zhì)量、動量、能量守恒和熱平衡原理，設計的分離式相變省煤器的熱力參數(shù)如表2所示。

表2 分離式相變省煤器熱力參數(shù)表

2.3 雙H型翅片管束的傳熱系數(shù)及壓力降

煙氣換熱器雙H型翅片管采用順列布置[12]，如圖3所示。

圖3 雙H翅片管結(jié)構圖

翅片厚度是t,翅片間距為H，寬度為b,用雙H型翅片當量直徑代替圓管直徑，其當量直徑為De，對應的換熱能力與壓力降分別用Nu和ζ，可以用式(5)～(7)來計算。

(5)

(6)

(7)

式中：A為流通的截面積；S為浸潤周邊長；Z為管排數(shù)；Cz為管排數(shù)修正系數(shù)，因Z≥4,取Cz=1[13]；考慮管子幾何形狀布置校正系數(shù)Cs，因在該設計中，橫向節(jié)距s1與縱向節(jié)距s2等同，所以s2/d>2,取Cs=1。

2.4 分離式相變省煤器的制造和安裝

分離式相變省煤器自身由于體積和質(zhì)量大，需要考慮裝配尺寸，采用模塊化設計，各模塊制造后到現(xiàn)場組裝，煙氣換熱器模塊化結(jié)構如圖4所示。工程現(xiàn)場如圖5所示。

汽水換熱器的頂部設有放空閥，能及時排放出不凝性氣體以解決老化問題。分離式相變省煤器系統(tǒng)兩端換熱器布置靈活，若某根管損壞，解列更換無需停車，提高設備運行的經(jīng)濟性。一般分離式相變省煤器系統(tǒng)連接管路散熱損失約占總換熱負荷的2%～3%。同時系統(tǒng)的管子內(nèi)是兩相流，須滿足兩相流對管路的規(guī)定，以確保氣液兩相均勻地分布到每個管箱，所以要求對稱布置管道。

圖4 煙氣換熱器模塊化結(jié)構簡圖

圖5 分離式相變省煤器系統(tǒng)的工程現(xiàn)場圖

3 節(jié)能分析

分離式相變省煤器的煙氣換熱器的煙氣根據(jù)“能級匹配原則”回收熱量，用于加熱#6低加的凝結(jié)水。按一年正常運行7 800 h，得到的節(jié)省標煤和少排污染物如表3所示。

表3 單臺鍋爐節(jié)能減排量

4 結(jié)論

(1)安全性：分離式相變省煤器的控溫特性可有效地調(diào)控高含硫煙氣換熱器管壁溫高于煙氣酸露點，從而避免了低溫腐蝕，延長了設備的壽命。

(2)經(jīng)濟性：熱電廠煙氣余熱回收系統(tǒng)每年節(jié)能折算為標煤33 050 t。

(3)環(huán)保性：每年可以少排63 033 t二氧化碳和3 261 t二氧化硫，煙溫的降低，降低了煙塵比電阻，從而提高除塵器效率。改造大大減少了有害氣體和粉塵的排放量，達到國家節(jié)能減排的要求，極大地改善了周邊環(huán)境。

在火電廠超低排放和提高發(fā)電效率的形勢下，分離式相變省煤器應用于深度節(jié)能減排改造工程中，不僅可以避免高含硫煙氣的露點腐蝕，延長設備壽命，又可以提高系統(tǒng)除塵效率和脫硫效果，達到了超低排放的社會環(huán)保要求。

[1] GB13223—2011，火電廠大氣污染物排放標準[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2011.

[2] GB/T 15224.2—2010，煤炭質(zhì)量分級[S].北京：中國標準出版社，2010.

[3] 宋景慧，宋杰.燃煤鍋爐煙氣酸露點溫度計算與分析[J]. 電站系統(tǒng)工程.2015(5):37-39.

[4] EBARA R,TANAKA F,KAWASAKI M.Sulfuric acid dew point corrosion in waste heat boiler tube for copper smelting furnace[J].Engineering Failure Analysis,2013,33(5): 29-36.

[5] 張基標，郝衛(wèi)，趙之軍，等.鍋爐煙氣低溫腐蝕的理論研究和工程實踐[J].動力工程學報,2011,31(10):730-738.

[6] 陳生斌，方亞雄，徐鋼. 300 MW機組CFB鍋爐低溫再熱器改造方案研究[J].電力科學與工程,2014,30(4):52-56.

[7] 黃新元，王家明，孫啟超，等.鍋爐加裝低壓省煤器改造技術研究[J].電力建設,2008,29(3):98.

[8] 馬宗慶.熱管煙氣換熱器在濕法脫硫工藝中的應用及比較[J].電力建設,2005,26(2): 55-57.

[9] 孫杰，尹金亮，白炎武，等.一種鍋爐煙氣余熱利用的高效循環(huán)系統(tǒng)分析[J].熱力發(fā)電,2013,42(8):22-33.

[10] 陳志新，蔡振云，錢超.化工熱力學[M].第4版.北京: 化學工業(yè)出版社, 2015.

[11] 劉效洲，惠世恩，徐通模，等.分離式熱管換熱器的工作原理及其在電廠余熱回收中的應用[J].熱能動力工程. 2001,16(4):375-376.

[12] 王賀軍，郭運庚，李勛. WG670/13.72-1型鍋爐采用H型鰭片省煤器的設計和運行[J].電力科學與工程.2008, 24(4):72-74.

[13] 林宗虎，汪軍，李瑞陽,等.強化傳熱技術[M].第1版.北京:化學工業(yè)出版社,2007:100-101.

Development of Separate Type Phase Change Economizer Against Low Temperature Corrosion in Power Plants

YU Bin1, FU Jie1, SUN Haitong1, TU Shandong2, SUN Wei3, QIN Jinghu3

(1. School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing Technology University，Nanjing 211816，China; 2. School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237,China; 3. Nanjing Canuo Energy Equipment Co.Ltd.，Nanjing 210037，China)

: In order to solve the corrosion problem caused by the cooling high-sulfur flue gas in the air preheaters and other equipment, a separate type phase change economizer was designed and successfully applied in practical. It has been installed between air preheater and precipitator in the flue gas waste heat recovery system in a thermal power plant with two 660 MW units, according to the controllable and adjustable characteristics of the wall temperature of the heat pipes in the phase-change segment. Calculations were carried out for thermal system parameters, while some measures of installation were also provided. It was found that the dew point corrosion was effectively avoided after transformation, due to the fact that the temperature of the wall is higher than that of the acid dew point. Moreover, the efficiency of the dust collector is improved greatly by reducing the exhaust gas temperature. Amount of standard coal was saved, and then the emissions of CO2and SO2as well as the water consumption of desulfurization were reduced significantly. The present work provides a successful case for energy saving and emission reduction in waste heat recovery systems of a power plant.

separate type phase change economizer; wall temperature; acid dew point; low temperature corrosion; energy saving; ultra low emission

鄒包產(chǎn)(1982-)，男，高級工程師，主要從事火力發(fā)電機組自動控制方面的生產(chǎn)服務和調(diào)試工作。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.05.013

2016-12-08。

TM621.9

A

1672-0792(2017)05-0065-05