真空熱管低溫省煤器在循環(huán)流化床機(jī)組的應(yīng)用

張 躍，謝慶亮，但振宇，任 磊，黃前鋒，鄧志瑋

（1.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建龍巖 364000；2.國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司分宜發(fā)電廠，江西新余 336600；3.國(guó)家電投集團(tuán)江西電力工程有限公司，江西南昌 330096）

0 引言

大型循環(huán)流化床鍋爐排煙溫度高，鍋爐熱效率下降，機(jī)組發(fā)電標(biāo)煤耗高、碳減排壓力大是當(dāng)前的突出問(wèn)題。其中，排煙溫度高還會(huì)導(dǎo)致布袋除塵器效率及使用壽命下降，影響布袋除塵器的安全運(yùn)行，也會(huì)導(dǎo)致脫硫耗水量高，脫硫能耗、物耗高的問(wèn)題。

目前常見(jiàn)的管殼式低溫省煤器，很難適應(yīng)循環(huán)流化床尾氣的大粒徑煙塵顆粒沖刷，其換熱管容易被磨損，換熱管一旦被磨穿將導(dǎo)致冷卻水泄漏，從而導(dǎo)致煙風(fēng)系統(tǒng)堵塞，甚至可能會(huì)危及除塵器的安全運(yùn)行。如何在取得經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，提高設(shè)備的安全性、可靠性，已成為一個(gè)亟需解決的技術(shù)問(wèn)題。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組配套的低溫省煤裝置在設(shè)備投運(yùn)后3 年內(nèi)會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損而造成的泄漏。常規(guī)低溫省煤器大部分是布置在除塵器前煙道的管殼式換熱器，這種布置形式的換熱器一旦發(fā)生泄漏，將對(duì)后端的除塵器安全運(yùn)行造成極其惡劣的影響：

（1）換熱管由于發(fā)生磨損泄漏，管內(nèi)冷卻水進(jìn)入煙道內(nèi)，從而造成煙道堵灰，甚至冷卻水進(jìn)入到除塵器或者灰斗內(nèi)，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

（2）換熱器泄漏后對(duì)換熱管排的隔離，造成低溫省煤器換熱面積大量減少，從而影響機(jī)組的節(jié)煤效益。

（3）局部發(fā)生泄漏的煙道由于積灰造成煙氣阻力變大，從而使引風(fēng)機(jī)的電耗增加，甚至風(fēng)機(jī)失速[1]。

鑒于大型循環(huán)流化床鍋爐的煙塵粒徑較大，磨損性較強(qiáng)，采用低溫省煤器進(jìn)行節(jié)能減排的成功應(yīng)用案例較少。但是，隨著碳配額與碳交易的實(shí)施，機(jī)組容量相對(duì)較低、煤耗較高的循環(huán)流化床鍋爐將面臨越來(lái)越大的碳減排壓力。因此，一種實(shí)現(xiàn)高效換熱、冷卻水零泄漏的真空熱管低溫省煤器技術(shù)將為國(guó)內(nèi)循環(huán)流化床鍋爐的節(jié)能減排改造提供很好的借鑒。

1 技術(shù)原理

真空熱管低溫省煤器是以重力式熱管為基礎(chǔ)換熱單元，集成制作的真空熱管換熱器（重力式熱管又稱(chēng)兩相流虹吸管），在結(jié)構(gòu)上分為蒸發(fā)側(cè)、絕熱段和冷凝側(cè)（圖1）。它是熱能工程中應(yīng)用最廣泛的一種換熱管，通過(guò)在全封閉真空腔管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等優(yōu)點(diǎn)。真空熱管主要工作過(guò)程包括4 個(gè)方面[2]：

圖1 真空熱管換熱器工作原理

（1）重力熱管的蒸發(fā)側(cè)放置于高溫流體端，通過(guò)源源不斷地吸收流經(jīng)蒸發(fā)側(cè)外部熱流體的熱量，并通過(guò)管壁傳遞給管內(nèi)工質(zhì)。

（2）在吸收蒸發(fā)側(cè)外部熱流體的熱量之后，管內(nèi)工質(zhì)發(fā)生相變、由液態(tài)變成蒸汽態(tài)。

（3）蒸發(fā)側(cè)內(nèi)部工質(zhì)吸收熱量蒸發(fā)之后，沿著熱管上升穿過(guò)絕熱段、進(jìn)入冷凝側(cè)，與冷凝側(cè)外部的冷流體通過(guò)管壁進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷流體的加熱。

（4）在冷凝側(cè)對(duì)冷流體進(jìn)行加熱之后，由于釋放自身熱量，管內(nèi)部工質(zhì)冷凝后變回液態(tài)，在重力的作用下回到蒸發(fā)側(cè)重新吸熱蒸發(fā)，周而往復(fù)、持續(xù)傳遞熱量（圖1）。

真空熱管低溫省煤器不僅換熱效率高，同時(shí)由于其冷卻水和煙氣在空間結(jié)構(gòu)上分別從真空熱管換熱器的上、下部分別流過(guò)，煙氣和冷卻水之間由絕熱段的管板分隔，煙氣和冷卻水兩種換熱介質(zhì)在不同的密封結(jié)構(gòu)內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)“串漏”現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)冷卻水在煙道中的“零泄漏”優(yōu)點(diǎn)。與常規(guī)管殼式換熱的低溫省煤器不同，真空熱管換熱器的每根熱管都是獨(dú)立的換熱元件，當(dāng)某根真空熱管在煙氣側(cè)發(fā)生磨損或腐蝕情況，只有單根真空熱管內(nèi)極少的管內(nèi)工作介質(zhì)泄漏進(jìn)入煙道，并在煙氣的高溫下快速汽化蒸發(fā)，而水側(cè)的冷卻水不會(huì)進(jìn)入煙道。常規(guī)的管殼式低溫省煤器中各換熱管之間連通在一起并置于煙道內(nèi)部，同時(shí)換熱管內(nèi)部流通有源源不斷的冷卻水，一旦換熱管被磨損或腐蝕，管內(nèi)的冷卻水將源源不斷地流入煙道，堵塞煙道、影響機(jī)組安全。因此，以重力式熱管為基礎(chǔ)換熱單元的真空熱管低溫省煤器，可避免管殼式換熱管低溫省煤器泄漏造成的煙道堵塞、電除塵排放超標(biāo)及灰斗堵灰等影響機(jī)組運(yùn)行的問(wèn)題。

2 工程應(yīng)用

江西某電廠是一座有著55 年歷史的老廠，廠內(nèi)現(xiàn)有330 MW 循環(huán)流化床燃煤機(jī)組，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，其穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性日益落后。2022 年，為提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、延長(zhǎng)布袋除塵器的使用壽命，電廠與國(guó)內(nèi)某環(huán)保龍頭企業(yè)合作開(kāi)發(fā)的真空熱管低溫省煤器，并在該廠的9 號(hào)機(jī)組落地。

2.1 工程現(xiàn)狀

該9 號(hào)機(jī)組為國(guó)內(nèi)首臺(tái)國(guó)產(chǎn)化循環(huán)流化床鍋爐的示范點(diǎn)，具有所有循環(huán)流化床鍋爐的弊端，鍋爐的排煙溫度高、熱效率低，并且隨著國(guó)家雙碳行動(dòng)的逐步深入，企業(yè)碳減排壓力逐步增大，這些成為廠內(nèi)技改工作中迫切需要解決的技術(shù)難題。鍋爐排煙溫度高還導(dǎo)致布袋除塵器效率及使用壽命下降，影響布袋除塵器的安全運(yùn)行，導(dǎo)致脫硫耗水量高，進(jìn)而出現(xiàn)脫硫能耗、物耗高的問(wèn)題。項(xiàng)目改造前，該廠鍋爐后布袋除塵器長(zhǎng)期工作在180 ℃左右，布袋的使用壽命降低。同時(shí)，由于夏季環(huán)境溫度高、負(fù)荷高，機(jī)組不得不解列高加運(yùn)行，造成煤耗增加，影響機(jī)組的安全性。因此，廠內(nèi)急需一種安全可靠的降低鍋爐排煙溫度的技術(shù)手段，來(lái)降低鍋爐排煙溫度、提高機(jī)組運(yùn)行的安全性。

2.2 改造方案

針對(duì)鍋爐高排煙溫度的特征，本項(xiàng)目在布袋除塵器前布置真空熱管低溫省煤器，有效降低布袋除塵器工作溫度。真空熱管低溫省煤器有零泄漏的特點(diǎn)，杜絕了傳統(tǒng)低溫省煤器因循環(huán)冷卻水泄漏而導(dǎo)致的煙風(fēng)系統(tǒng)堵塞情況。

本次改造采用雙路取水、一路回水的工藝路線，低溫省煤器主體換熱器采用具有零泄漏特性的真空熱管裝置。由于機(jī)組爐后煙道可利用空間較小，無(wú)法使用常規(guī)真空熱管換熱器的布置方案。廠內(nèi)技術(shù)主管與設(shè)備廠家多次組織現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地踏勘，經(jīng)組織專(zhuān)家論證后確定的技術(shù)方案為：采用了一種適用于豎直煙道有限空間的創(chuàng)新型斜置式真空熱管低溫省煤器，將其傾斜布置在布袋除塵器入口的豎直煙道上，在實(shí)現(xiàn)高效換熱的同時(shí)減少現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地的占用率（表1）。

表1 真空熱管低溫省煤器的設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 運(yùn)行效果

經(jīng)過(guò)近3 個(gè)月的施工安裝及調(diào)試，該真空熱管低溫省煤器在2022 年下半年正式投運(yùn)，第三方檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。受電網(wǎng)調(diào)峰影響，該機(jī)組常年運(yùn)行在低負(fù)荷段，因此本次測(cè)試是按照當(dāng)年9 號(hào)機(jī)組發(fā)電計(jì)劃，在計(jì)劃負(fù)荷的最高峰值（165 MW）開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。從表2 可知，真空熱管換熱器甲、乙側(cè)進(jìn)口煙氣的實(shí)測(cè)溫度分別為159.6 ℃、147 ℃，溫度場(chǎng)分布均勻性分別為3.3%、2.1%；甲、乙側(cè)出口煙氣實(shí)測(cè)溫度分別為121.0 ℃、126.6 ℃，溫度場(chǎng)分布均勻性分別為9.4%、0.9%；甲乙側(cè)測(cè)試斷面間降溫幅度分別為38.6、20.4 ℃，平均降溫幅度為29.5 ℃，性能參數(shù)優(yōu)于設(shè)計(jì)值。

表2 真空熱管換熱器煙氣溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

2.4 經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)

本工程的成功投運(yùn)，保證了布袋除塵器始終工作在安全運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)下，產(chǎn)生極為可觀的經(jīng)濟(jì)效益：

（1）通過(guò)真空熱管低溫省煤器對(duì)煙氣進(jìn)行有效降溫，實(shí)現(xiàn)煙氣余熱利用，節(jié)煤量達(dá)到每千瓦時(shí)1.1 g（標(biāo)準(zhǔn)煤）以上，單臺(tái)爐年總收益72 萬(wàn)元（有效利用2000 h，標(biāo)煤價(jià)1000 元/噸），提升了鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果。

（2）改造前，每年夏季機(jī)組不得不退出高加運(yùn)行，以降低排煙溫度，按照35 d（有效負(fù)荷率75%）計(jì)影響煤耗約166 萬(wàn)元，通過(guò)本改造可保證機(jī)組的正常穩(wěn)定運(yùn)行、無(wú)需高加解列，產(chǎn)生正收益166 萬(wàn)元。

（3）原布袋除塵器由于長(zhǎng)期處在高煙溫下工作，布袋更換頻率高，大約每3 年更換一次布袋，費(fèi)用約380 萬(wàn)元，年平均更換布袋費(fèi)用為127 萬(wàn)元；改造后布袋使用壽命延長(zhǎng)，預(yù)計(jì)每5 年更換一次，年平均更換布袋費(fèi)用為76 萬(wàn)元，年節(jié)省更換布袋費(fèi)用可達(dá)51 萬(wàn)元。

在本工程項(xiàng)目實(shí)施后，以上各項(xiàng)合計(jì)可以每年創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益289 萬(wàn)元以上，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

3 結(jié)束語(yǔ)

近兩年，在“雙碳”效應(yīng)刺激下，節(jié)能減排、超低排放在非電行業(yè)以及未完成超凈改造的煤電機(jī)組中，又掀起了一波小高潮。通過(guò)在江西某電廠在狹小空間內(nèi)布置熱管型低溫省煤器的工程應(yīng)用，為國(guó)內(nèi)循環(huán)流化床類(lèi)型機(jī)組煙氣余熱利用裝置的安全運(yùn)行技術(shù)升級(jí)改造提供示范。目前國(guó)內(nèi)各級(jí)地方政府已將環(huán)保改造的重點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)了當(dāng)?shù)劁撹F、焦化等非電行業(yè)，本工程的成功投運(yùn)對(duì)非電行業(yè)煙氣余熱利用的換熱器更新迭代也具有重要的參考意義。因此，本項(xiàng)目的真空熱管低溫省煤器成功應(yīng)用，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。