鍋爐煙氣余熱相變換熱器研究與應(yīng)用

辛 亮，安 洋

(吉林吉長(zhǎng)電力有限公司，吉林 四平 136001)

1 設(shè)備概況

吉林吉長(zhǎng)電力有限公司2號(hào)鍋爐是武漢鍋爐廠設(shè)計(jì)、制造的WGZ-4109.8-10型自然循環(huán)汽包爐，采用平衡通風(fēng)，鍋爐煙氣處理為兩級(jí)除塵系統(tǒng)，一級(jí)為電除塵器，二級(jí)為布袋除塵器，鍋爐設(shè)計(jì)排煙溫度為167.9 ℃，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，目前已達(dá)到210 ℃左右。由于機(jī)組建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng),機(jī)組受場(chǎng)地制約,只能選擇換熱效率高的換熱器,才能實(shí)現(xiàn)在有限空間內(nèi)將排煙溫度降低到預(yù)期目標(biāo)，從而改善布袋除塵器的使用條件和使用壽命，同時(shí)達(dá)到對(duì)回收熱量進(jìn)行梯形利用的目的。

2 相變式換熱器

2.1 技術(shù)原理

從余熱回收熱量的多少及提高電除塵效率等方面考慮，通常將余熱回收系統(tǒng)布置在2個(gè)電除塵器入口煙道前，因現(xiàn)場(chǎng)煙道的位置、空間尺寸、降溫幅度以及設(shè)計(jì)邊界條件選取等方面問(wèn)題，同時(shí)考慮有限空間可能導(dǎo)致煙道內(nèi)流場(chǎng)不均，從而加快磨損等，此外因結(jié)構(gòu)原因，在系統(tǒng)啟停過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)管道振動(dòng)[1-2]。鑒于以上問(wèn)題，同時(shí)考慮到其他電力企業(yè)低溫省煤器存在的問(wèn)題，為了確保機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，利用相變式換熱器對(duì)煙氣余熱裝置進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，形成新的系統(tǒng)。

本文借鑒熱管的原理，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)微正壓相變式換熱器。相變換熱器采取的兩相流換熱，當(dāng)加熱壁面的過(guò)熱度較小時(shí)，壁面上沒(méi)有汽泡產(chǎn)生，傳熱屬于自然對(duì)流工況，即單相流狀態(tài)[3-4]。隨著壁面溫度增加，壁面上汽化核心開(kāi)始產(chǎn)生汽泡。在汽泡擾動(dòng)下，邊界底層熱阻大幅減小，傳熱系數(shù)迅速提高，同時(shí)介質(zhì)吸收潛熱，熱流密度急劇增大，這也是核態(tài)沸騰換熱系數(shù)較單相流換熱大幾個(gè)數(shù)量級(jí)的原因[5-6]。

2.2 相變式換熱器優(yōu)點(diǎn)

a.通過(guò)調(diào)整進(jìn)入煙道換熱器工質(zhì)的溫度，來(lái)實(shí)現(xiàn)煙道換熱器壁溫的控制，既可解決低溫腐蝕問(wèn)題，也可最大限度回收余熱。

b.由于傳熱效率高，相同邊界條件下，換熱器換熱面積小，管間距增大，煙氣流速降低，既解決了由于煙速過(guò)快而導(dǎo)致的磨損問(wèn)題，又可提高效率，降低造價(jià)。

c.由于溫度可調(diào)可控，換熱器對(duì)鋼材綜合性能要求相對(duì)低，成本小。

d.相變換熱器內(nèi)的傳熱工質(zhì)為有機(jī)物等混合物，即使發(fā)生泄漏，也可以氣體狀態(tài)隨煙氣進(jìn)入脫硫吸收塔，不會(huì)發(fā)生換熱器堵塞問(wèn)題。

e.系統(tǒng)調(diào)整手段較多，可以根據(jù)負(fù)荷情況、煤的硫含量來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入煙道換熱器的工質(zhì)溫度，從而調(diào)控?zé)煔鉁囟取?/p>

煙氣余熱回收利用系統(tǒng)見(jiàn)圖1，鍋爐尾部煙氣余熱回收裝置采用的相變式換熱器，通過(guò)采用有機(jī)工質(zhì)作為中間介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)取熱和放熱。鍋爐煙氣余熱回收通過(guò)2個(gè)回路實(shí)現(xiàn)，一個(gè)回路為工質(zhì)回路，也稱(chēng)內(nèi)回路或取熱回路；另一個(gè)回路為冷凝回路，也稱(chēng)外回路或放熱回路。內(nèi)回路吸熱段采用相變式換熱器布置于煙道內(nèi)，相變介質(zhì)吸取煙氣熱量由液態(tài)變成氣態(tài)，經(jīng)導(dǎo)氣管流入外回路；外回路放熱段換熱器單獨(dú)布置在煙道外側(cè)，氣態(tài)介質(zhì)在放熱段換熱器中放熱，加熱冷卻水，相變介質(zhì)冷凝成液態(tài)回儲(chǔ)液罐，在工質(zhì)泵驅(qū)動(dòng)下往復(fù)相變循環(huán)。吸熱段換熱器與放熱段換熱器具有獨(dú)立通道，相變介質(zhì)作為中間介質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱量的梯形轉(zhuǎn)移利用。

圖1 煙氣余熱回收利用系統(tǒng)

3 余熱回收裝置系統(tǒng)組成

2號(hào)機(jī)組煙氣余熱回收裝置系統(tǒng)見(jiàn)圖2，本裝置由吸熱段換熱器及放熱段換熱器、工質(zhì)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、凝結(jié)水、熱網(wǎng)水管路系統(tǒng)和吹灰系統(tǒng)等6部分組成。

圖2 2號(hào)機(jī)組煙氣余熱回收裝置系統(tǒng)

3.1 吸熱段換熱器

該系統(tǒng)主要是吸收煙氣的熱量將鍋爐排煙溫度由210 ℃降至160 ℃(冬季)，鍋爐左右煙道內(nèi)部各布置1組煙道內(nèi)部換熱器，每組煙道內(nèi)部換熱器各由4組換熱器構(gòu)成，每組換熱器出入口布置截止門(mén)，每組換熱器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)均能夠獨(dú)立切斷與主系統(tǒng)的連接。同時(shí)，系統(tǒng)還配置了吹火器，定期清除受熱面可能積存的干灰，確保受熱面清潔，以保證設(shè)備高效的換熱效果。吸熱段換熱器主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 吸熱段換熱器主要參數(shù)

3.2 放熱段換熱器

放熱段換熱器由凝結(jié)水換熱器、熱網(wǎng)水換熱器構(gòu)成，型式為臥式、管殼式表面加熱器。凝結(jié)水換熱器、熱網(wǎng)水換熱器設(shè)計(jì)工況及主要數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表2—表4。

表2 凝結(jié)水換熱器設(shè)計(jì)工況

表3 熱網(wǎng)水換熱器設(shè)計(jì)工況

表4 換熱器主要數(shù)據(jù)匯總

3.3 相變工質(zhì)系統(tǒng)

a.相變工質(zhì)理化特性

外觀與特性：無(wú)色透明液體,具有刺激性氣味，腐蝕性較小；pH值：7.8～11.7(與設(shè)計(jì)有關(guān))；熔點(diǎn)：-77～-10 ℃；沸點(diǎn)：65～96 ℃(與設(shè)計(jì)有關(guān))；相對(duì)密度(水為1)：0.91～0.98；相對(duì)蒸氣密度(空氣為1)：0.6～0.87；臨界壓力：與設(shè)計(jì)有關(guān)。

b.穩(wěn)定性和反應(yīng)性

穩(wěn)定性：穩(wěn)定；禁配物：酸類(lèi)、鋁、銅；危險(xiǎn)的分解產(chǎn)物：無(wú)。

c.環(huán)境影響

大氣臭氧損耗潛能值(ODS)為零；全球溫室效應(yīng)潛能值(GWP)小于1。

d.其他

相變工質(zhì)因在煙道換熱器內(nèi)實(shí)現(xiàn)單相流與兩相流轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換溫度與系統(tǒng)壓力及系統(tǒng)輸入的熱量有關(guān)，這些相關(guān)條件都應(yīng)在設(shè)計(jì)中統(tǒng)籌考慮。

工質(zhì)系統(tǒng)由工質(zhì)泵、閥門(mén)、管道、吸熱段、放熱段、儲(chǔ)液罐、液位計(jì)構(gòu)成。工質(zhì)泵共設(shè)置3臺(tái)，2運(yùn)1備，系統(tǒng)可以進(jìn)行切換互供。流程如下：工質(zhì)泵輸送液態(tài)工質(zhì)進(jìn)入煙道內(nèi)部吸熱段換熱器，工質(zhì)吸熱相變成氣態(tài)通過(guò)管道輸送進(jìn)入放熱段換熱器(凝結(jié)水換熱器和熱網(wǎng)水換熱器)，通過(guò)與凝結(jié)水、熱網(wǎng)水換熱后，工質(zhì)由氣態(tài)變成液態(tài)回流進(jìn)入儲(chǔ)液罐，完成工質(zhì)系統(tǒng)的循環(huán)，此循環(huán)往復(fù)進(jìn)行。

3.4 控制系統(tǒng)

3.4.1 煙氣側(cè)換熱器出口煙氣溫度

出口煙氣溫度取決于煙道換熱器的換熱效果，因此關(guān)鍵是工質(zhì)在換熱器汽化過(guò)程，工質(zhì)液位高度受負(fù)荷波動(dòng)影響，需要控制工質(zhì)泵的轉(zhuǎn)速來(lái)控制液位，最終達(dá)到排煙溫度：進(jìn)口為200～210 ℃；出口為155～165 ℃。

3.4.2 冷凝側(cè)換熱器水量控制

降低煙氣側(cè)溫度，關(guān)鍵是工質(zhì)攜帶熱量能否被冷凝側(cè)吸收，凝結(jié)水量為決定條件。煙氣換熱器出口溫度、煙氣換熱器液位高度、工質(zhì)泵轉(zhuǎn)速、凝結(jié)水量形成閉環(huán)回路，即煙氣溫度升高時(shí)，提高工質(zhì)泵轉(zhuǎn)速增加，工質(zhì)流量攜帶更多的熱量，同步增加凝結(jié)側(cè)凝結(jié)水或熱網(wǎng)回水流量，確保出口煙氣溫度在160 ℃左右，并且越低越好，但不能低于110 ℃。

3.4.3 其他保護(hù)設(shè)置

a.煙氣換熱器泄漏

煙氣側(cè)換熱器泄漏保護(hù)設(shè)計(jì)主要是每組4個(gè)模塊差壓變化，低于平均值時(shí)設(shè)計(jì)成報(bào)警提醒功能。

b.外置換熱器泄漏

凝結(jié)水或熱網(wǎng)回水泄漏主要反映在儲(chǔ)液罐液位，當(dāng)液位突升時(shí)可判斷換熱器是否發(fā)生泄漏。

c.工質(zhì)泵

當(dāng)儲(chǔ)液罐液位低于一定高度時(shí)停止工質(zhì)泵運(yùn)行；當(dāng)工質(zhì)泵電流、振動(dòng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值也要停止工質(zhì)泵運(yùn)行。

3.5 凝結(jié)水、熱網(wǎng)水管路系統(tǒng)

從1號(hào)入口引出的部分凝結(jié)水進(jìn)入放熱段凝結(jié)水換熱器管程，吸收了工質(zhì)帶出的煙氣熱量，凝結(jié)水溫度升高后回流至出口，完成外循環(huán)過(guò)程。冬季從熱網(wǎng)循環(huán)泵引出部分熱網(wǎng)水進(jìn)入放熱段熱網(wǎng)水換熱器管程，吸收了工質(zhì)帶出的煙氣熱量，熱網(wǎng)水溫度升高后回流至熱網(wǎng)水母管混合，完成外循環(huán)。

4 結(jié)語(yǔ)

吉林吉長(zhǎng)電力有限公司完成了2號(hào)鍋爐尾部煙氣余熱回收裝置改造。裝置采用相變式換熱技術(shù)，分為吸熱段和放熱段2部分。吸熱段設(shè)置2組H型翅片式煙氣換熱器；放熱段設(shè)置2組相變式換熱器，釋放出回收的熱量。

冬季供熱工況下，熱網(wǎng)換熱器及凝結(jié)水換熱器均投入使用，回收余熱全部用于 1號(hào)機(jī)組。鍋爐蒸發(fā)量為256 t/h時(shí)，煙氣換熱器兩側(cè)煙氣平均溫降為51.6 ℃，煙氣換熱器總回收功率為6377 kW，等效1號(hào)機(jī)組熱效率提高0.723個(gè)百分點(diǎn),煙氣余熱系統(tǒng)總體影響供電煤耗降低2.76 g/kWh。夏季純凝典型工況下，僅凝結(jié)水換熱器投入使用，回收余熱全部用于3號(hào)機(jī)組。鍋爐蒸發(fā)量為373 t/h時(shí)，煙氣換熱器兩側(cè)煙氣平均溫降為51.8 ℃，總回收凈功率為9801.3 kW，等效3號(hào)機(jī)組熱效率提高0.776個(gè)百分點(diǎn)，供電煤耗降低3.15 g/kWh。

相變換熱與單相流換熱相比，其傳熱系數(shù)同比提高3～5倍，綜合考慮煙道換熱器換熱管內(nèi)外部因素，其綜合傳熱系統(tǒng)為單相流換熱的1.5～2.4倍。采用相變式換熱器可以在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大幅度降溫的效果。