燃煤鍋爐爐后煙氣受熱面改進技術及應用

張躍 張華聰 陳亮 福建龍凈環(huán)保股份有限公司 國家電投集團重慶合川發(fā)電有限公司

國內(nèi)鍋爐中爐后輔機中配套的空氣預熱器（以下簡稱空預器）常見的有管箱式、回轉(zhuǎn)式兩種，其中火力發(fā)電廠最常使用的空預器是受熱面回轉(zhuǎn)式的三分倉空預器。三分倉空預器安裝在鍋爐尾部豎直煙道內(nèi)，工作時空預器的受熱面緩慢旋轉(zhuǎn)，空預器中的蓄熱元件在煙氣中，吸收了煙氣中的熱量后，旋轉(zhuǎn)至空氣側(cè)，再將煙氣中吸收的熱量傳遞給進入鍋爐前的空氣，從而實現(xiàn)煙氣出口余熱的回收利用。從空預器出口蓄熱元件流出的煙溫約在155～180℃之間，在鍋爐燃用高硫燃料時，在空預器空氣進口冷端可能會引起空預器低溫腐蝕，造成蓄熱元件嚴重損壞。同時，由于空預器冷端壁溫低而凝結(jié)出的液態(tài)硫酸會粘結(jié)煙氣中的灰份粒子，造成煙道堵灰，嚴重時將影響鍋爐滿負荷運行?？疹A器低溫腐蝕增加了設備檢修維護費用，嚴重影響鍋爐的安全經(jīng)濟運行。

為了解決空預器冷端低溫腐蝕的問題，目前國內(nèi)常規(guī)做法，主要采用了蒸汽暖風器或者熱風再循環(huán)的技術方式。但是，蒸汽暖風器需要使用大量的汽機抽汽，提高了汽輪機抽汽量，降低了汽輪機的經(jīng)濟性。而熱風再循環(huán)會使一次風機或二次風機的風量加大，導致風機電耗增加，同時空預器風側(cè)阻力也會增大，系統(tǒng)能耗增加；此外，對于回轉(zhuǎn)式空預器，當由煙氣側(cè)轉(zhuǎn)向空氣側(cè)時，不可避免將煙氣中的粉塵帶入空氣側(cè)，此時由于空氣側(cè)風量變大，顆粒物含量高，會對空氣側(cè)的設備磨損加劇。

低溫省煤器可以進一步降低鍋爐排煙溫度，提升電除塵器的除塵效率，作為超低排放鍋爐的標配設備，目前常見的管殼式低溫省煤器，長期受煙氣沖刷，不可避免的會出現(xiàn)磨損、泄漏的問題。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)燃煤機組配套的低溫省煤裝置在設備投運后3年內(nèi)會出現(xiàn)不同程度的磨損而造成泄漏。根據(jù)統(tǒng)計，低溫省煤器的泄露故障中，換熱管磨損造成的泄漏比例為42.2%。

鑒于空預器低溫腐蝕和低溫省煤器損壞泄漏、堵塞問題，通過專業(yè)計算機數(shù)值仿真技術，結(jié)合燃煤鍋爐爐后煙氣特點及實際條件，一種應用零泄漏、高效率、低流阻真空熱管低溫省煤器+前置空預器的復合技術，將低溫省煤器的煙氣取熱與凝結(jié)水吸熱進行有機的分段分區(qū)設計，實現(xiàn)高效換熱的同時可確保設備在運行過程中有效隔離凝結(jié)水吸熱段，實現(xiàn)煙氣余熱高效安全利用，并穩(wěn)定提高低低溫電除塵效率，通過前置空預器，提高空預器冷端入口風溫，降低引風機電耗，滿足低投資、小能耗低、系統(tǒng)適應性好等要求的高效余熱利用系統(tǒng)的成功投運，在“雙碳”目標的指引下，為國內(nèi)燃煤鍋爐的節(jié)能、減排、降碳改造提供了良好的示范效果。

1 技術原理

真空熱管低溫省煤器是以重力式熱管為基礎換熱單元，若干熱管通過有序組合，集成制作的真空熱管換熱器。典型的熱管由管殼和封蓋組成，將熱管管殼內(nèi)充以適量的工質(zhì)液體，并設法形成一定負壓值后加以密封，則熱管內(nèi)空間形成真空狀態(tài)，從而成為一根合格的熱管。真空熱管的一端為蒸發(fā)段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據(jù)結(jié)構(gòu)應用需求在兩段中間可布置絕熱段，同時，為了延長熱管使用周期，在靠近冷凝段的上端還可以再設置儲氣段。當熱管的蒸發(fā)段受熱時熱管內(nèi)部的工質(zhì)液體蒸發(fā)汽化，蒸汽態(tài)的工質(zhì)流向冷凝段放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿熱管管壁流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)往復，熱量由熱管的一端（蒸發(fā)段）傳至另—端（冷凝段）。

熱管在實現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下六個相互關聯(lián)的主要過程：①蒸發(fā)段吸收的熱量從熱管外部的熱源通過熱管管壁傳遞到熱管內(nèi)部工質(zhì)；②熱管內(nèi)部工質(zhì)液體在蒸發(fā)段內(nèi)吸收熱量后開始蒸發(fā)、汽化；③工質(zhì)蒸汽在熱管真空腔內(nèi)從蒸發(fā)段穿過絕熱段到達冷凝段；④工質(zhì)蒸汽在冷凝段內(nèi)釋放熱量，從蒸汽態(tài)冷凝為液態(tài)；⑤工質(zhì)釋放出來的熱量通過熱管管壁傳給冷凝段的冷源；⑥在重力作用下冷凝為液態(tài)的工質(zhì)液體順著管壁回流到蒸發(fā)段。

真空熱管低溫省煤器以重力熱管作為熱管換熱器的主要換熱元件，蒸發(fā)吸熱區(qū)在煙氣內(nèi)吸熱，冷凝放熱區(qū)以冷卻水為換熱介質(zhì)帶走熱管從煙氣中吸收的熱量，再通過管板和冷凝段換熱管壁將真空熱管換熱裝置的蒸發(fā)吸熱區(qū)和冷凝放熱區(qū)進行雙重物理隔離，徹底杜絕傳統(tǒng)低溫省煤器的管殼式換熱器由于磨損導致的冷卻水泄漏、堵塞并引發(fā)電除塵器堵灰、跳閘等影響除塵設備安全運行等問題，可以確保實現(xiàn)火力發(fā)電機組鍋爐排煙治理系統(tǒng)的整體安全運行環(huán)境，為燃煤電廠行業(yè)內(nèi)煙氣余熱利用設備的升級改造提供新的替代裝備。

2 工程應用

重慶某電廠4# 鍋爐原有低溫省煤器為建廠初期配套的常規(guī)管殼式換熱器，經(jīng)過幾年運行后，出現(xiàn)了嚴重的磨損泄漏、換熱器大面積堵塞，最終不得不退出低溫省煤器運行。由于低溫省煤器長期退出運行，還造成了機組排煙溫度高，煙氣阻力大，機組運行經(jīng)濟性差。同時，廠內(nèi)原有暖風器采用了蒸汽暖風器，受早期蒸汽暖風器結(jié)構(gòu)原因影響，原蒸汽暖風器阻力大，機組經(jīng)濟性差。同時，暖風器內(nèi)部疏水無法及時排出，產(chǎn)生了水沖擊及汽水共振，暖風器內(nèi)部沖蝕嚴重。上述這些問題，對廠內(nèi)機組設備的安全、經(jīng)濟運行造成了極大的困擾，急需一種可以徹底解決換熱面腐蝕、磨損、積灰等問題的高效換熱裝備，進行技術升級改造。

2023 年，為了踐行國家“雙碳”目標，降低機組發(fā)電煤耗，提高機組的經(jīng)濟性，電廠與國內(nèi)某環(huán)保企業(yè)合作開發(fā)的真空熱管低溫省煤器+前置空預器的組合系統(tǒng)，提高了機組的經(jīng)濟性，擺脫了長期困擾廠里的低溫省煤器可靠性差，長期退出運行的問題。

2.1 工程現(xiàn)狀

廠內(nèi)4 號機組于2014 年6 月份投產(chǎn)，機組在設計初期已經(jīng)配套了低溫省煤器和蒸汽暖風器，目前，合川電廠4#鍋爐原有低溫省煤器損壞泄漏、堵塞嚴重，高負荷工況下空預器出口煙氣溫度達到150℃以上，最高達到170℃左右。過高的排煙溫度不僅損失了大量的熱量，降低了機組效率，同時還導致除塵器效率降低，脫硫系統(tǒng)入口煙氣含塵量過高、水耗增加、腐蝕泄漏更嚴重等問題，對脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運行、脫硫效率、石膏脫水均產(chǎn)生了不利影響。

本工程采用專業(yè)計算機數(shù)值仿真技術，結(jié)合機組實際煙氣特點及現(xiàn)場場地條件，應用零泄漏、高效率、低流阻真空熱管低溫省煤器復合技術，將低溫省煤器的煙氣取熱與凝結(jié)水吸熱進行有機的分段分區(qū)設計，實現(xiàn)高效換熱的同時可確保設備在運行過程中有效隔離凝結(jié)水吸熱段，實現(xiàn)煙氣余熱高效安全利用，并穩(wěn)定提高低低溫電除塵效率，最終實現(xiàn)降低引風機電耗；同時，利用吸熱后的高溫凝結(jié)水進入前置空預器加熱空預熱入口空氣，提高空預器入口風溫，降低空預熱冷端低溫腐蝕的風險。

2.2 真空熱管低溫省煤器+前置空預器改造方案

本工程改造采用一路取水、一路回水的工藝路線，真空熱管低溫省煤器主體換熱器采用具有零泄漏特性的真空熱管換熱裝置，在原低溫省煤器布置區(qū)域進行原位更換，即在電除塵器入口的水平煙道上鉛垂布置。通過真空熱管換熱裝置吸收煙氣中的熱量，由循環(huán)水將煙氣中的熱量攜帶至前置空預器對一、二次風進行加熱，從而實現(xiàn)降低鍋爐尾部排煙溫度的情況下，提高空預器進口風溫，緩解空預器冷端低溫腐蝕。

經(jīng)過廠內(nèi)技術人員與設備廠家多次進行現(xiàn)場場地踏勘，多方案對比分析，充分論證后，最終確認了4#爐真空熱管低溫省煤器改造及前置空預器的技術方案，充分利用了煙氣余熱加熱一、二次風溫，實現(xiàn)節(jié)能高效，系統(tǒng)靈活調(diào)控。

真空熱管低溫省煤器+前置空氣預熱器的整體設計參數(shù)參考表1。

表1 設計參數(shù)表

2.3 運行效果

經(jīng)過近1 個月的施工安裝及調(diào)試，本項目克服了工期緊張，供貨壓力等種種困難，真空熱管低溫省煤器+前置空預器系統(tǒng)在2023 年7 月份正式投運。經(jīng)由第三方檢測，真空熱管低溫省煤器+前置空預器運行測試數(shù)據(jù)見表2。由于本項目投運為夏季，環(huán)境溫度高，為保證機組安全，防止高負荷下一二次風溫過高造成機組安全隱患，在機組投運后，僅在50%及以下負荷投運前置空預器。從表2 可知：實測真空熱管低溫省煤器平均降溫幅度分別為48.3℃，性能參數(shù)優(yōu)于設計值。同時，在設計工況條件下，前置空預器在50%工況下的升溫幅度經(jīng)折算至滿負荷工況，其換熱性能也同樣優(yōu)于設計值。

表2 煙/空氣溫度測試數(shù)據(jù)表

3 結(jié)語

真空熱管低溫省煤器+前置空預器組合系統(tǒng)的成功應用，對于“雙碳”政策下火力發(fā)電機組的節(jié)能減排升級改造有明顯的借鑒效果，尤其對于北方地區(qū)，空預器存在較嚴重低溫腐蝕的火力發(fā)電機組的升級改造，將帶來更明顯的示范意義。