高硫煤機組低低溫省煤器設計及應用

鄒小剛，張知翔，李 楠，車宏偉，李文鋒，周 飛，徐黨旗

（1.西安西熱鍋爐環(huán)保工程有限公司，陜西 西安 710054；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

燃煤電站鍋爐設計排煙溫度一般為120~140 ℃，實際運行排煙溫度一般為120~150 ℃[1]。排煙熱損失是鍋爐熱損失中最主要的一項，約為4%~8%，通常鍋爐排煙溫度每升高12 ℃，排煙熱損失增加1%[2]。為充分回收煙氣余熱，提高機組經(jīng)濟性，低低溫省煤器近年來在中低硫煤機組（war(S)＜3.0%）中得到了廣泛應用[3-10]。低低溫省煤器可降低煙氣溫度20~80 ℃，減少煙氣體積流量，降低粉塵比電阻，增加電除塵器比集塵面積，提高除塵效率，降低脫硫水耗，節(jié)能環(huán)保效益顯著[11-12]。

但低低溫省煤器在高硫煤機組（war(S)≥3.0%）上鮮有應用。我國高硫煤占已探明資源總量的6.38%，主要分布于貴州、四川、重慶等西南地區(qū)[13]，大多機組的燃煤收到基硫分為3%~6%。高硫煤機組限于爐型、煤質(zhì)、堵灰、腐蝕等原因，其排煙溫度達140~170 ℃。超低排放改造后，尾部設備黏灰、低溫腐蝕等更趨嚴重，增加了低低溫省煤器在高硫煤機組上推廣應用的風險。

本文在某高硫煤機組低低溫省煤器中試試驗臺上對不同翅片間距、不同換熱管型式、不同煙氣溫度下的低低溫省煤器阻力進行了測試，研究了上述因素對低低溫省煤器積灰的影響，提出了適用于高硫煤機組的低低溫省煤器主要設計參數(shù)和設計原則，并在某高硫煤機組上成功應用。

1 試驗系統(tǒng)

某電廠360 MW機組鍋爐由法國STEIN公司制造，為W型火焰、亞臨界參數(shù)、中間再熱、強制循環(huán)、雙拱爐膛、固態(tài)排渣、平衡通風、倒“U”型露天布置、燃煤汽包爐。鍋爐尾部煙氣通過2臺雙室四電場靜電除塵器和濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫塔進行處理。鍋爐設計燃煤硫分為4.02%，灰分為30.53%，2013—2016年期間實際燃用煤質(zhì)數(shù)據(jù)平均值見表1。由表1可見，該鍋爐實際燃用煤質(zhì)收到基硫分平均值為3.11%，收到基灰分平均值為28.36%，屬于典型的高硫高灰煤機組。

表1 2013—2016年期間鍋爐煤質(zhì)數(shù)據(jù)平均值Tab.1 The average values of the boiler coal quality data in 2013—2016

試驗臺煙氣流程如圖1所示，試驗臺主要設計參數(shù)見表2。

圖1 試驗臺煙氣流程Fig.1 The flow chart of test-bed flue gas

表2 試驗臺主要設計參數(shù)Tab.2 Main design parameters of the test bench

煙氣從機組電除塵器前煙道抽取，經(jīng)過低低溫省煤器后進入除塵器及風機，回至機組電除塵器前煙道。除塵器底部灰斗設置在線輸灰系統(tǒng)。煙氣量通過變頻風機調(diào)節(jié)。水側(cè)系統(tǒng)為閉式循環(huán)，外接水水換熱器與機組工業(yè)水換熱，釋放熱量。

2 試驗結(jié)果

2.1 換熱管選型

低低溫省煤器大多布置于空氣預熱器（空預器）和除塵器之間的煙道內(nèi)，不僅能夠回收煙氣余熱，而且能夠提高電除塵器效率。該區(qū)域換熱溫壓小，煙氣粉塵濃度高、易黏附，布置空間狹小，因此，低低溫省煤器宜選用自清灰能力強的擴展受熱面，以提高換熱能力，減小整體尺寸，避免發(fā)生嚴重堵灰現(xiàn)象。目前，應用于低低溫省煤器的擴展受熱面主要有H型翅片管和螺旋翅片管，2種翅片管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

表3 翅片管主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Main structural parameters of the finned tube

本文對這2種常規(guī)的換熱管型在不同出口煙氣溫度下的煙氣差壓進行了測試，每個工況運行時間不低于24 h，以達到阻力平衡狀態(tài)，測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可見：在105~170 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，H型翅片管阻力在1.0~1.2 kPa之間，且較為穩(wěn)定，隨著出口煙氣溫度的降低，煙氣流速略有降低，其阻力有所降低；在135~170 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，螺旋翅片管阻力在1.6~2.0 kPa之間，隨著煙氣溫度的降低有所降低；當出口煙氣溫度降低至135 ℃以下時，螺旋翅片管的阻力急劇上升，且隨著運行時間的增加而增加，試驗約進行了5 h仍無法達到平衡狀態(tài)，只能終止試驗。這主要是由于135 ℃以下SO3冷凝量增加，飛灰黏性增加，螺旋翅片管抗黏性積灰能力差，換熱器的積灰狀況隨時間增加急劇惡化。由此可見，在高硫煤機組的低溫高硫高灰煙氣條件下，H型翅片管的阻力整體低于螺旋翅片管，H型翅片管更適用于更低煙氣溫度下的高硫煤機組低低溫省煤器。

圖2 不同換熱管型低低溫省煤器阻力與出口煙氣溫度關(guān)系Fig.2 The relationship between resistance and flue gas outlet temperature with different finned tubes

2.2 翅片間距

對于擴展受熱面而言，翅片間距越小，其翅化率越高，成本越低。但翅片間距越小，換熱系數(shù)越小，越容易堵灰。高硫煤機組在實施超低排放改造后，其空預器出口煙氣黏性增加，堵灰風險增加。因此，選取一個合適的翅片間距對低低溫省煤器的應用至關(guān)重要。圖3為不同翅片間距的H型翅片管運行阻力測試結(jié)果。

圖3 H型翅片不同間距下低低溫省煤器阻力與出口煙氣溫度關(guān)系Fig.3 The relationship between resistance and flue gas outlet temperature with different fin spacings

由圖3可見：3種翅片間距的H型翅片管運行阻力隨著出口煙氣溫度的降低略有降低，主要是煙氣流速變化的影響；翅片間距越大，低低溫省煤器阻力越低，翅片間距為15、19、23 mm的低低溫省煤器阻力分別為1.15、1.00、0.80 kPa左右。為將低低溫省煤器阻力設計在合理范圍內(nèi)，同時兼顧低低溫省煤器的造價和換熱效率，建議高硫煤機組低低溫省煤器的H型翅片管翅片間距不低于19 mm。

2.3 出口煙氣溫度選擇

低低溫省煤器可回收煙氣余熱，其出口煙氣溫度越低，回收的熱量越多，根據(jù)計算，該機組低低溫省煤器出口煙氣溫度每降低10 ℃，可降低機組煤耗0.41 g/(kW·h)，但初始投資越高。隨著除塵器入口煙氣溫度的降低，粉塵比電阻降低，電除塵器效率升高[12,14]。國內(nèi)外大多中低硫煤機組配置的低低溫電除塵器入口煙氣溫度一般為85~95 ℃。

從圖3可以看出，出口煙氣溫度在105 ℃以上時，低低溫省煤器阻力主要與煙氣溫度相關(guān)。在試驗過程中，當煙氣溫度降低至105 ℃以下時，除塵器出現(xiàn)灰斗板結(jié)、疏灰管道堵塞、疏灰困難等現(xiàn)象。分析原因主要是由于此時大量SO3冷凝并被灰吸附，部分SO3與逃逸的NH3結(jié)合形成硫酸氫銨，灰的黏附性大大增強，導致輸灰困難所致。因此，建議高硫煤機組低低溫省煤器出口煙氣溫度設計值或運行值不低于105 ℃。

2.4 換熱管腐蝕特性

低低溫省煤器將煙氣溫度降低至酸露點以下，其換熱管存在較大的腐蝕風險。本試驗針對3種常規(guī)的低低溫省煤器換熱管制作材料，即20G、ND鋼（09CrCuSb）、316L（022Cr17Ni12Mo2），在低溫高硫高灰煙氣條件下進行了6個月的腐蝕特性試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同材料換熱管平均腐蝕層厚度與出口煙氣溫度關(guān)系Fig.4 The relationship between average corrosion layer thickness and flue gas outlet temperature

由圖4可見，ND鋼的腐蝕層厚度與20G的腐蝕層厚度基本相當，而316L的腐蝕層厚度遠低于其他2種材料。經(jīng)計算，20G的最大腐蝕速率為0.24 mm/a，ND鋼的最大腐蝕速率為0.22 mm/a，316L的最大腐蝕速率為0.044 mm/a。對于5 mm厚的換熱管（理論壁厚1.8 mm），316L材質(zhì)的腐蝕壽命超過30年，ND鋼材質(zhì)的腐蝕壽命為17.8年，20G材質(zhì)的腐蝕壽命為13.9年。因此，建議高硫煤機組低低溫省煤器高溫段換熱管材質(zhì)可選用20G和ND鋼，低溫段換熱管材質(zhì)應選用316L及以上。

3 工程應用

基于低低溫省煤器中試試驗臺的主要試驗結(jié)果，2016年12月至2017年6月對某電廠2臺360 MW機組進行了低低溫省煤器改造，并分別于2017年2月和7月投運。該廠低低溫省煤器布置于空預器和除塵器之間，回收的煙氣余熱一部分加熱脫硫塔后凈煙氣，一部分加熱空預器進風。另外，系統(tǒng)配置輔助蒸汽加熱器和凝結(jié)水加熱器，平衡系統(tǒng)熱量。低低溫省煤器系統(tǒng)示意如圖5所示，低低溫省煤器主要設計參數(shù)見表4。

圖5 低低溫省煤器系統(tǒng)示意Fig.5 The system diagram of the low-temperature economizer

表4 低低溫省煤器主要設計參數(shù)Tab.4 Main design parameters of the ultra-low temperature economizer

性能測試結(jié)果指出：360 MW負荷工況下，2臺機組低低溫省煤器實際入口煙溫分別為156.16 ℃和159.21 ℃，實際出口煙溫分別為96.15 ℃和105.90 ℃，修正后出口煙溫分別為91.68 ℃和92.33 ℃，阻力分別為0.73 kPa和0.68 kPa。停機期間對低低溫省煤器受熱面進行檢查發(fā)現(xiàn)，受熱面入口（煙氣高溫段）換熱管表面較為干凈，受熱面出口（煙氣低溫段）換熱管表面有輕微黏灰。

低低溫省煤器實際運行出口煙氣溫度控制在105 ℃左右。經(jīng)計算，額定工況下，低低溫省煤器降低發(fā)電煤耗約2.1 g/(kW·h)，全年節(jié)省標煤3 334 t。同時，煙溫降低后，脫硫塔水耗減少36.8 t/h。按有效運行小時數(shù)4 410 h，標煤單價600元/t，水單價2.5元/t計算，節(jié)煤收益和節(jié)水收益總計為240.64萬元/a。

另外，低低溫省煤器對SO3的脫除率在85%左右，其出口SO3質(zhì)量濃度在7.5~11.5 mg/m3[15-16]。低低溫省煤器每年減少CO2排放10 098 t，減少SO2排放1.32 t，減少NOx排放1.88 t，減少粉塵排放0.38 t。此外，該系統(tǒng)將空預器入口風溫提升至50 ℃，將綜合冷端溫度提升至105 ℃以上，有效緩解了空預器冷端堵塞和腐蝕。

4 設計原則

根據(jù)中試試驗臺及工程應用研究結(jié)果，提出了高硫煤機組低低溫省煤器設計原則，主要內(nèi)容包括：1）換熱管型選用H型翅片管，翅片間距不小于19 mm；2）出口煙氣溫度不低于105 ℃；3）換熱管采用順列布置，高溫段換熱管材質(zhì)可選用20G和ND鋼，低溫段換熱管材質(zhì)選用316L；4）受熱面采用豎直布置，煙氣由上至下流經(jīng)低低溫省煤器，受熱面熱力計算選取適當?shù)奈廴鞠禂?shù)；5）優(yōu)先選用聲波吹灰，除塵器灰斗需要進行伴熱改造，人孔門等易漏風的部位進行防腐改造；6）引風機需進行防腐處理，以免出現(xiàn)腐蝕。

5 結(jié) 論

1）高硫煤機組低低溫省煤器應選用H型翅片管，翅片間距不小于19 mm，出口煙氣溫度控制在105 ℃以上，高溫段受熱面材質(zhì)選用20G和ND鋼，低溫段材質(zhì)選用316L。

2）某電廠高硫煤機組實施低低溫省煤器改造后，鍋爐運行狀況良好，每年節(jié)煤收益和節(jié)水收益總計約為240.64萬元，每年減少CO2排放10 098 t，減少SO2排放1.32 t，減少NOx排放1.88 t，減少粉塵排放0.38 t，經(jīng)濟和環(huán)保效益顯著。