褐煤機組爐后煙氣提水可行性探討

段飛飛

（內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

1 項目研究的意義

錫林郭勒盟（以下簡稱“錫盟”）地區(qū)褐煤儲量豐富，但水資源匱乏、生態(tài)環(huán)境脆弱。為遵循國家能源局關(guān)于“注重環(huán)保，高度節(jié)水，集成應(yīng)用當(dāng)今最先進技術(shù)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展”的原則建設(shè)錫盟煤電基地。錫盟勝利煤田的高水分褐煤，全水含量高達(dá)35%～40%，甚至更高，內(nèi)水含量也在14%左右。針對錫林浩特地區(qū)嚴(yán)重缺水的現(xiàn)狀，將高水分褐煤燃燒后煙氣中的水分提取出來作為脫硫補水及機組制除鹽水水源具有重要的意義。

2 爐后煙氣提水原理及理論依據(jù)

煙氣在換熱器入口時處于過熱狀態(tài)，隨著煙氣溫度的降低，當(dāng)貼近壁面的煙氣局部溫度低于煙氣中水蒸汽飽和溫度的露點溫度時，水蒸汽因為過飽和而在壁面上發(fā)生凝結(jié)。冷凝下來的液滴不斷聚集，最終在壁面上形成一層液滴，匯集至提水收集器內(nèi)。經(jīng)測試表明，經(jīng)過氟塑料換熱器后的煙氣固體顆粒降低率為59.2%、三氧化硫去除率為14%、銨鹽去除率為83%。

煙氣氟塑料換熱器布置在濕法脫硫塔后的煙道中，煙氣在換熱管管外沖刷，通過熱交換使?jié)耧柡蜔煔鉁囟冉档?，并從煙氣中析出大量凝結(jié)水；熱媒循環(huán)水在換熱管管內(nèi)流動，換熱后由入口較低溫度到換熱器出口處較高的溫度；經(jīng)熱媒循環(huán)管路系統(tǒng)送入機械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)，通過冷卻塔使熱媒循環(huán)水的溫度由（塔）入口溫度降低到（塔）出口較低的（規(guī)定）溫度。凝結(jié)水收集系統(tǒng)包括提水換熱器煙道底部收集裝置，設(shè)置有管路輸送、水的加藥化學(xué)處理及蓄水池等設(shè)備。

3 煙氣提水系統(tǒng)簡介

該煙氣提水系統(tǒng)主要由4部分組成：煙氣氟塑料換熱器系統(tǒng)、熱媒循環(huán)管路系統(tǒng)、機械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)、冷凝水回收系統(tǒng)。

3.1 煙氣氟塑料換熱器系統(tǒng)

煙氣提水換熱器布置在脫硫吸收塔出口和煙囪煙道進口之間，脫硫吸收塔后的凈煙氣經(jīng)提水換熱器冷卻后進入煙囪，排入大氣。煙氣提水換熱器采用模塊分組拼裝，每臺爐14個可單獨隔離模塊，每個模塊為U型管束，設(shè)計單獨進回水管口。14個模塊共用兩根進回水母管。換熱器設(shè)在線噴淋沖洗系統(tǒng)。在機組運行過程中換熱器管束上不斷有水分析出流動，只會發(fā)生少量沾灰情況，不會聚集。因此，在換熱器本體上設(shè)在線噴淋系統(tǒng)，運行過程中可對管束定期噴淋，以防沾灰過多影響換熱效率。

3.2 熱媒循環(huán)管路系統(tǒng)

換熱器內(nèi)的換熱介質(zhì)采用閉式循環(huán)冷卻水。煙氣提水換熱器將煙氣中的熱量帶入系統(tǒng)閉式循環(huán)水系統(tǒng)中（使用除鹽水作為換熱介質(zhì)），循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計兩臺2500m3/h的循環(huán)泵，然后通過機械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)對閉式循環(huán)水進行冷卻降溫，循環(huán)水管道設(shè)有管道加藥裝置，保證循環(huán)水水質(zhì)的pH值。

3.3 機械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)

煙氣提水換熱器的換熱形式為煙氣-水換熱器，水側(cè)設(shè)置獨立的閉式循環(huán)水系統(tǒng)。煙氣提水機械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)的空冷散熱器所需散熱面積按環(huán)境空氣溫度為8.5℃、相對濕度58%、大氣壓力901.6hPa；外界10m高處平均環(huán)境風(fēng)速4.4m/s，風(fēng)機100%轉(zhuǎn)速條件進行設(shè)計，風(fēng)機采用變頻調(diào)速，循環(huán)水流量5000m3/h，機械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)閉式循環(huán)水進口溫度31.28℃；出口溫度21.61℃；輔助設(shè)施設(shè)有沖洗系統(tǒng)、充水泵及貯水箱。

3.4 冷凝水回收系統(tǒng)

凈煙氣在冷卻降溫過程中，部分濕飽和蒸氣將凝結(jié)成水，凝結(jié)水在煙氣提水換熱器底部的集水槽中不斷聚集，并通過管道自流至凝結(jié)水收集箱。煙氣凝結(jié)水收集箱中的凝結(jié)水再通過自流至廠區(qū)生產(chǎn)水池，冷凝水管道設(shè)置管道加藥裝置，將pH約等于2的冷凝水中和至pH=7，作為電廠脫硫補水及除鹽水制水水源。提水量按單臺機組每天提水量為78.8t/h×24h×5000h/7000h=1351t進行設(shè)計考慮。單臺機組全年提水量為78.8t/h×5000h=39.4萬t。

4 研究難點

4.1 氟塑料原材選擇

現(xiàn)階段國內(nèi)項目用于凈煙氣側(cè)的換熱器材料主要有不銹鋼316L涂搪瓷和氟塑料兩種。脫硫塔出口凈煙氣冷凝回收水的pH值約為3，水中攜帶SO2等形成稀硫酸，腐蝕性很高。若采用不銹鋼316L涂搪瓷材質(zhì)，耐磨性較好，但其焊縫處容易產(chǎn)生裂縫，進而發(fā)生腐蝕。因此該工程表面式換熱器管束擬采用抗腐性強的進口氟塑料材料（PTFE），其可熔性焊接性能較好，利于制作小口徑管，提高換熱系數(shù)。同時換熱器布置在脫硫除塵一體化設(shè)備之后，煙氣中的固體顆粒物含量極低（≤5mg/Nm3），煙氣攜帶的固體顆粒物對管道的磨損性較低，可通過加大流通截面、控制煙氣流速等來彌補氟塑料材料耐磨性能的不足。氟塑料換熱器采用美國杜邦PTFE（氟塑料）制造的換熱器。PTFE（氟塑料）換熱器耐煙氣酸露點腐蝕，可回收低溫?zé)煔猓透邷兀?60℃左右）；管束排布方向和煙道方向平行，煙阻很小；氟塑料管束表面光滑，使用時微有震動，不易積灰，且設(shè)有清灰裝置，以保證換熱器正常運行。

4.2 氟塑料管徑選擇

氟塑料管束設(shè)計中管子直徑、壁厚的選取，目前在國內(nèi)市場上尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識，有的公司采用內(nèi)徑≥10mm、壁厚≥1mm的管子，有的采用內(nèi)徑6～8mm、壁厚0.5～0.7mm的管子。通過計算研究和多方調(diào)研得出以下觀點：

（1）熱力方面：如從傳熱學(xué)的角度講，小管子有利于傳熱，如管長相同，小管徑需要的有效面積小。

（2）煙氣壓降方面：小管徑占有一定優(yōu)勢。

（3）水側(cè)壓降：大管徑占有一定優(yōu)勢。

（4）承壓方面：管子材料，壁厚一樣，管徑越小，環(huán)向應(yīng)力越低，管子承壓能力越低。另外，如果材料強度較低，就必須采用小管徑，否則承壓有問題。

材料的強度特性是材料的固有特性，只與材料本身的成分有關(guān)，與外載、管徑壁厚無關(guān)。有兩個參數(shù)：1）屈服強度σy：當(dāng)材料的實際應(yīng)力超過材料的屈服強度時，材料將發(fā)生塑性變形，即如果是φ14mm管，由于環(huán)向應(yīng)力超過了屈服強度，管徑變?yōu)棣?4.3mm，那么當(dāng)內(nèi)壓卸掉后，管徑回不到φ14mm。如環(huán)向應(yīng)力小于屈服強度，內(nèi)壓卸掉后，管子能恢復(fù)到φ14mm。2）斷裂強度σb：當(dāng)材料的應(yīng)力超過斷裂強度，材料會破壞。管道承壓能力設(shè)計是要保證環(huán)向應(yīng)力低于屈服強度，并有相當(dāng)?shù)脑Ａ浚Ａ吭酱?、管子越安全。σy、σb是材料的本有特性，通常只與溫度有關(guān)，溫度越高，σy、σb越低。塑料換熱器管子的剛度也是需考慮的問題，管子的剛度與管徑和壁厚有關(guān)，直徑越小，管徑越薄，其剛度就越差，管子如果膨脹不暢就會彎折。大管徑帶來的另一個好處是，管子數(shù)量降低，接口少，清洗更有效，從而有利于膨脹、順暢。

（5）抗彎能力（剛度）：在這一點上大直徑管有明顯的優(yōu)勢。由于氟塑料的熱膨脹是鋼的10倍，因此處理氟塑料的熱膨脹就是設(shè)計換熱器必須考慮的關(guān)鍵問題之一。小管如膨脹受阻，由于剛度差易發(fā)生彎折，會導(dǎo)致管子破損，而大管則更容易順利的脹開，不易被定位裝置卡住。而小管徑因管子數(shù)量較多，清洗效率也要差一些。

圓管的剛度與直徑和壁厚有關(guān)。

圓管的抗彎截面模量W =πD3（1-a4）/32；a = d/D =（D - 2s）/D。

其中D為管子外徑，s=壁厚，d為內(nèi)徑；φ14×1的管子W=123mm3；φ10×1的管子W=57mm3；8×1的管子W=34mm3。

可見φ14×1的抗彎模量為φ10×1管子的2倍，是φ8×1管子的3.6倍。彎曲應(yīng)力=彎矩/抗彎模量，也就是在同樣的彎矩下，φ10×1的彎曲應(yīng)力比φ14×1的彎曲應(yīng)力大1倍。而PTFE的屈服強度還比PFA、MFA高。因此，從抗彎特性來說，φ14×1的管子具很大優(yōu)勢。

（6）可靠性：由于小管需要更多的管子，因此管道和管板的接口數(shù)量大大增加，管子的定位更加繁復(fù)，可靠性也大大降低。

（7）抗磨損能力：壁厚越小，抗磨損能力就越差，容易導(dǎo)致管子和限位裝置之間因磨損而使管子磨漏的情況發(fā)生。目前國內(nèi)某些項目僅投運一周就出現(xiàn)了管子漏水的情況，與壁厚小有直接關(guān)系。

綜上所述，氟塑料換熱器是否能可靠運行，選材、管束設(shè)計都很重要，

4.3 影響提水量的主要因素研究

（1）流速對煙氣冷凝換熱過程的影響：由于塑料的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬低很多，因此與傳統(tǒng)金屬換熱器不同，在塑料換熱器中，傳熱過程的主要熱阻可能是塑料管外表面到內(nèi)表面的導(dǎo)熱熱阻，而不在煙氣側(cè)，所以改變煙氣流速、提高雷諾數(shù)對換熱系數(shù)影響不大，換熱系數(shù)本身也不大。同時由于煙氣流速變化，換熱系數(shù)變化不大，因此凝結(jié)水量也變化不大，但速度越高，進口煙氣量越大，帶入的水蒸汽質(zhì)量就越大，導(dǎo)致凝結(jié)效率下降。

（2）進口水溫對煙氣冷凝換熱過程的影響：隨著進口水溫的提高，凝結(jié)水量和凝結(jié)效率均呈下降趨勢。這是因為進口水溫越高，傳熱溫差越小，換熱系數(shù)基本無變化，但實際換熱量下降，所以凝結(jié)水量減少，凝結(jié)效率降低。

（3）進口煙溫對煙氣冷凝換熱過程的影響：隨著入口煙氣溫度升高，水蒸汽分壓變大、傳質(zhì)動力增強、進口煙溫提高、凝結(jié)水量增加、凝結(jié)效率提高。

（4）換熱面積對煙氣冷凝換熱過程的影響：隨著換熱面積的增加，換熱器進、出口煙溫差增大，凝結(jié)水量增加。

5 提水量的確定

影響提水量的自然環(huán)境不可控，如年最高溫度超過設(shè)計預(yù)期，或高溫持續(xù)時間過長，都會影響提水量。就此不可控因素，采用蓄水池的方式，分冬季和夏季兩個工況運行。表面污垢和制造誤差及可靠性導(dǎo)致的總體換熱性能影響，可利用水沖洗的方式，定期進行除污。

潛熱換熱在氟塑料提水器工作的過程中有重要作用。通過計算流體力學(xué)的仿真分析結(jié)果，管外壁綜合換熱系數(shù)為132W/m2·K，管內(nèi)壁換熱系數(shù)為157W/m2·K、平均換熱系數(shù)為140W/m2·K、傳熱面積需要約11,744m2，在煙溫降低（53℃～57℃）4℃的條件下，保證全年平均提水量78t/h。

6 煙氣提水回用方式

通過對若干項目脫硫后煙氣冷凝水進行水質(zhì)化驗如下表。

由上表可知，煙氣提水水質(zhì)偏酸性，pH值在2～6，需要進行加堿處理，將1%～5%濃度的NaOH溶液與煙氣提水冷凝液進行管道混合，加藥采用自動加藥方式，加藥根據(jù)提水流量和煙氣提水管pH信號控制加藥量。合格的冷凝液通過管道自流至煙氣提水蓄水池儲存，作為脫硫工藝水補水或制除鹽水原水。

7 結(jié)語

對于嚴(yán)重缺水的地區(qū)，采用爐后煙氣提水工藝可實現(xiàn)高度節(jié)水。爐后煙氣提水換熱器投運過程中，可進一步降低機組出口煙塵排放濃度，除塵效率可達(dá)50%左右。煙氣凝結(jié)水除了pH顯酸性同時水質(zhì)較好，可作為脫硫工藝補水及制備除鹽水的原水，爐后煙氣提水量為78t/h，年提水量為42.9萬t（年利用5500h），可節(jié)約201.6萬元（水價按4.7元/t計），具有較高的經(jīng)濟性，值得推廣。

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