基于重力熱管的煙氣余熱利用低低溫電除塵系統(tǒng)

文_黃元進(jìn) 國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司景德鎮(zhèn)發(fā)電廠

燃煤火力發(fā)電當(dāng)前仍然是我國(guó)電力的主要來(lái)源之一，在燃煤機(jī)組排放的煙氣中，含有大量污染物，其中許多排放的污染物是引起酸雨、霧霾的主要污染源，需要對(duì)這些污染物進(jìn)行綜合治理。而隨著燃煤電廠煙氣超低排放全面實(shí)施，常規(guī)大氣污染物的排放已經(jīng)得到了有效控制。以低低溫電除塵系統(tǒng)為核心的煙氣協(xié)同治理技術(shù)路線作為我國(guó)燃煤煙氣超低排放典型技術(shù)路線之一，可經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)燃煤電廠煙氣超低排放、煙氣余熱利用及提高除塵效率，且兼具較高的SO3脫除效率，因而被廣泛應(yīng)用，為減少霧霾天氣、改善大氣環(huán)境作出了積極貢獻(xiàn)。而低溫省煤器是低低溫電除塵系統(tǒng)最重要設(shè)備之一，同時(shí)肩負(fù)著煙氣余熱回收和保障電除塵系統(tǒng)高效安全穩(wěn)定運(yùn)行的雙重任務(wù)。

1 低低溫電除塵系統(tǒng)

低低溫電除塵系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是在現(xiàn)有靜電除塵器前增設(shè)低溫省煤器，對(duì)煙氣進(jìn)行冷卻處理，使得進(jìn)入電除塵器內(nèi)的煙氣溫度降至酸露點(diǎn)以下（一般為90±5℃），同步對(duì)電除塵器進(jìn)行適應(yīng)性改造。而當(dāng)?shù)蜏厥∶浩鲗煖亟档偷?0℃左右的低低溫狀態(tài)時(shí)，不但使得煙氣體積流量減少達(dá)到降低電場(chǎng)風(fēng)速的目的，還可以降低煙塵比電阻，能夠有效提高電除塵器電場(chǎng)二次電壓，充分發(fā)揮電除塵荷電與收塵作用，從而大幅度提高除塵效率。另外，還可以通過(guò)低低溫電除塵系統(tǒng)，對(duì)煙氣中的SO3、Hg等污染物進(jìn)行高效的協(xié)同捕集。圖1為傳統(tǒng)低低溫電除塵系統(tǒng)。

圖1 傳統(tǒng)低低溫電除塵系統(tǒng)

傳統(tǒng)低低溫電除塵系統(tǒng)，在電除塵器前安裝有傳統(tǒng)低溫省煤器，即低溫省煤器采用管殼式（即冷卻介質(zhì)于管內(nèi)流通，煙氣于管外殼側(cè)流通）換熱器。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在一些致命缺陷：由于低溫省煤器必須運(yùn)行在電除塵的煙氣入口端，因而難以避免較高濃度的煙塵環(huán)境，其在含塵氣流沖刷磨損、低溫腐蝕、交變應(yīng)力破壞(應(yīng)力腐蝕)、水沖擊等作用下，換熱管逐漸減薄，最終將出現(xiàn)冷卻介質(zhì)的泄漏問(wèn)題。更為嚴(yán)重的是，一旦泄漏，由于很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，換熱管內(nèi)的冷卻介質(zhì)將源源不斷的泄漏進(jìn)入煙道，并通常會(huì)順著煙道泄漏到電除塵電場(chǎng)內(nèi)的下部灰斗，引發(fā)煙風(fēng)道系統(tǒng)及灰斗輸灰堵塞，進(jìn)而危害低低溫電除塵系統(tǒng)的安全運(yùn)行，甚至整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行。

2 重力熱管低低溫電除塵系統(tǒng)應(yīng)用

某660MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組為了實(shí)現(xiàn)煙氣余熱利用及提高電除塵的除塵效率，安裝有傳統(tǒng)低低溫電除塵系統(tǒng)，但其低溫省煤器運(yùn)行幾年后，換熱管因磨損嚴(yán)重使得機(jī)組凝結(jié)水泄漏，影響了機(jī)組安全運(yùn)行，不得不停運(yùn)該低溫省煤器，最終低低溫電除塵器進(jìn)口煙溫高于設(shè)計(jì)值，夏季高達(dá)145℃，冬季130℃，造成鍋爐熱損失增大、排煙體積流量增大，在此情況下基于重力熱管的煙氣余熱利用低低溫電除塵系統(tǒng)得到了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

2.1 重力熱管低低溫電除塵系統(tǒng)

為了徹底解決原有低低溫除塵系統(tǒng)存在的諸多弊端，研究應(yīng)用了基于重力熱管的低低溫電除塵系統(tǒng)，如圖2所示。主要是在電除塵器前安裝一套重力熱管低溫省煤器，換熱管采用鉛垂、順列布置，煙氣流經(jīng)重力熱管低溫省煤器后進(jìn)入電除塵器，冷卻水與煙氣呈逆流方向進(jìn)入換熱器，最終實(shí)現(xiàn)煙氣從145℃降至95℃的降溫要求。

圖2 重力熱管低低溫電除塵系統(tǒng)

為了減少投資成本，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重力熱管低溫省煤器可利用原低溫省煤器凝結(jié)水管路系統(tǒng)，并進(jìn)行適應(yīng)性改造。熱管低溫省煤器水側(cè)與機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)串聯(lián)，從凝結(jié)水系統(tǒng)引出全部凝結(jié)水，進(jìn)入電除塵前4臺(tái)熱管低溫省煤器吸收煙氣余熱，加熱后的凝結(jié)水返回至機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有安全穩(wěn)定、無(wú)泄漏的特點(diǎn)，主要得益于重力熱管低溫省煤器的特有結(jié)構(gòu)。圖3為其結(jié)構(gòu)示意圖，熱管的煙氣側(cè)和冷卻水側(cè)兩部分由絕熱隔板分隔，隔板采用特制的管板組件結(jié)構(gòu)，可以保證整個(gè)換熱模塊全密封，煙氣和冷卻水在各自區(qū)域流通，互不干擾。此外，冷卻水側(cè)每根熱管均設(shè)置了水套管組件進(jìn)行獨(dú)立隔離，水套管與絕熱段隔板互不相通，最終實(shí)現(xiàn)了雙重物理隔離，并且可確保水套管滿足較高的冷卻水壓力使用要求。由于每根重力熱管管內(nèi)工質(zhì)互不相通，假設(shè)某根熱管煙氣側(cè)某點(diǎn)發(fā)生穿孔泄漏，只會(huì)造成該重力熱管內(nèi)部少量工質(zhì)泄漏，該泄漏的工質(zhì)會(huì)被熱煙氣快速蒸發(fā)帶走，對(duì)機(jī)組運(yùn)行無(wú)影響。同時(shí)，由于熱管固有的自適應(yīng)特性，少量重力熱管的失效對(duì)整個(gè)設(shè)備的換熱效果影響很小。

圖3 重力熱管低溫省煤器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 重力熱管低低溫電除塵系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

相比于原有低低溫電除塵系統(tǒng)，重力熱管低低溫電除塵系統(tǒng)具有多方面的優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)低低溫電除塵系統(tǒng)的一次重大升級(jí)。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①重力熱管低低溫系統(tǒng)的低溫省煤器采用重力熱管形式，每根熱管都能夠獨(dú)立運(yùn)行，不會(huì)互相干擾，即使部分熱管出現(xiàn)問(wèn)題，不影響剩余熱管工作，也不存在冷卻介質(zhì)泄漏問(wèn)題，可以確保重力熱管省煤器的高效運(yùn)行。

②重力熱管低低溫電除塵系統(tǒng)的熱管省煤器采用模塊化、可拆卸設(shè)計(jì)。每個(gè)模塊的冷卻段均設(shè)有單獨(dú)的進(jìn)出口集箱，單個(gè)煙道低溫省煤器沿?zé)煔夥较蚍?～3個(gè)換熱區(qū)，各區(qū)之間留檢修空間，每個(gè)區(qū)分成若干組換熱模塊。相鄰換熱模塊之間有一定間隙，每個(gè)換熱模塊均必須能夠單獨(dú)抽出，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的快速檢修、更換處理功能，提高了便捷性和實(shí)用性。

③重力熱管低低溫電除塵系統(tǒng)具有智能檢測(cè)功能?？蓪?duì)鍋爐負(fù)荷、煙氣量、低溫省煤器的吹灰頻率、進(jìn)出口煙溫、進(jìn)出口水溫、進(jìn)出口壓差、進(jìn)出口流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)并預(yù)警設(shè)置。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)目標(biāo)算法，建立優(yōu)化模型，模型根據(jù)當(dāng)前工況數(shù)據(jù)，推送最優(yōu)化操作方案，實(shí)現(xiàn)集中顯示及報(bào)警等功能，快速的監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況并及時(shí)提供運(yùn)維技術(shù)指導(dǎo)。

④對(duì)重力熱管低低溫電除塵系統(tǒng)相關(guān)煙道進(jìn)行改造，采取CFD軟件優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)流場(chǎng)，應(yīng)用流線型煙道技術(shù)，確保減少煙氣流阻，避免出現(xiàn)煙氣走廊、煙氣偏流及產(chǎn)生煙氣渦流，并通過(guò)按流線型煙風(fēng)道技術(shù)整體更換煙道、加裝氣流均布裝置，確保加裝熱管低溫省煤器后整個(gè)低低溫電除塵系統(tǒng)流量均衡，保證換熱效率，減小熱管磨損及積灰。

⑤從重力熱管低低溫電除塵系統(tǒng)的省煤器材質(zhì)、擴(kuò)展受熱面結(jié)構(gòu)、優(yōu)化煙氣流速、增設(shè)聲波吹灰裝置等多方面改進(jìn)，防止積灰和減輕磨損。重力熱管低溫省煤器可根據(jù)不同煙氣參數(shù)調(diào)整冷熱兩側(cè)的傳熱面積，避免了由于壁溫過(guò)低導(dǎo)致的腐蝕問(wèn)題。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 檢測(cè)方法

3.1.1 溫度檢測(cè)

在重力熱管低溫省煤器進(jìn)口水平煙道上布置進(jìn)口煙氣測(cè)點(diǎn)，測(cè)試斷面尺寸為9.408m（寬）×2.608m（深），在每支煙道的寬度方向上均勻布置了8個(gè)測(cè)孔，每個(gè)測(cè)孔均勻布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。電除塵器出口測(cè)試位置布置在靠近電除塵器出口喇叭型煙箱的水平煙道上，測(cè)試斷面尺寸為4.20m（寬）×4.20m（深），在每支煙道的寬度方向上均勻布置了8個(gè)測(cè)孔，每個(gè)測(cè)孔均勻布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)。

測(cè)試重力熱管低溫省煤器進(jìn)口和電除塵器出口的煙氣溫度，按（1）式計(jì)算其降溫幅度。

式中 Δt—降溫幅度，℃；ts,i—進(jìn)口平均煙氣溫度，℃；ts,o—出口平均煙氣溫度，℃。

3.1.2 顆粒物濃度

測(cè)點(diǎn)位置與上述溫度測(cè)點(diǎn)相同，采用皮托管平行采樣自動(dòng)跟蹤原理在重力熱管低溫省煤器進(jìn)口和電除塵器出口測(cè)試位置等速采集顆粒物樣品，每個(gè)斷面采樣不少于三只，其中電除塵器出口每只樣品的增重不小于1mg或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)干煙氣采樣體積不少于1m3。將采集的灰樣放入105℃的烘箱中烘1h，然后放入恒溫恒濕室平衡24h，用十萬(wàn)分之一天平稱重。

采樣體積按（2）式計(jì)算：

式中 Vsnd—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)干煙氣采樣體積，L；Vs—工況條件下干煙氣采樣體積，L；Ba—測(cè)定期間大氣壓，Pa；Pr—流量計(jì)前壓力，Pa； tr—流量計(jì)前溫度，℃。

顆粒物濃度按（3）式計(jì)算:

式中 C—實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)干煙氣顆粒物濃度，mg/m3；m—所采集的樣品質(zhì)量，mg。

3.2 結(jié)果分析

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷為600MW時(shí)，投運(yùn)重力熱管低溫省煤器前后的測(cè)試結(jié)果列于表1。從表1可知：投運(yùn)基于重力熱管的低低溫電除塵系統(tǒng)后電除塵器出口溫度降幅達(dá)到47.4℃，電除塵器出口煙氣顆粒濃度由原來(lái)的24.9mg/m3降低到15.5mg/m3，降低幅度為9.4mg/m3。從數(shù)據(jù)中表明基于重力熱管的低低溫電除塵系統(tǒng)的投運(yùn)不僅使得煙氣余熱得到了充分的利用，也提高了整個(gè)系統(tǒng)的除塵效率，降低了電除塵器的耗電量，性能能夠滿足設(shè)計(jì)要求，真正做到節(jié)能減排，同時(shí)也符合當(dāng)前降低碳排放的時(shí)代背景。

4 結(jié)語(yǔ)

基于重力熱管的煙氣余熱利用低低溫電除塵系統(tǒng)相比于原有的低低溫電除塵系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，重力熱管低低溫電除塵系統(tǒng)徹底解決了傳統(tǒng)低低溫電除塵系統(tǒng)因低溫省煤器泄漏導(dǎo)致的一系列問(wèn)題，保證機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。其次，重力熱管低低溫電除塵系統(tǒng)在回收煙氣余熱、提高系統(tǒng)除塵效率以及降低電耗方面表現(xiàn)突出。重力熱管低低溫電除塵系統(tǒng)在660MW燃煤機(jī)組的成功運(yùn)行也標(biāo)志著該技術(shù)日趨成熟，為燃煤發(fā)電機(jī)組低低溫電除塵系統(tǒng)升級(jí)換代和大規(guī)模推廣應(yīng)用提供了較好的示范作用。

表1 重力熱管低溫省煤器系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果