金屬管換熱器在燃煤電廠應(yīng)用及存在問(wèn)題解析

壽志毅，徐旭東，李文華，劉含笑，趙 琳，馮國(guó)華，顏士娟，郭高飛

(1.浙江菲達(dá)環(huán)保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800；2.浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 樂(lè)清 325602)

我國(guó)燃煤電廠煙氣超低排放與節(jié)能改造已全面實(shí)施。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2016年底，我國(guó)超低排放改造已完成約60%，約4.5億kW，剩余約3億kW，2017～2020年煤電新增機(jī)組量約為1.6億kW。在超低改造及節(jié)能改造過(guò)程中，金屬管煙氣換熱器應(yīng)用越來(lái)越多，在應(yīng)用過(guò)程中也陸續(xù)有問(wèn)題暴露，如何正確認(rèn)清問(wèn)題的產(chǎn)生機(jī)理，并針對(duì)性的提出改進(jìn)措施，對(duì)設(shè)備后續(xù)的優(yōu)化改進(jìn)至關(guān)重要。

1 金屬管煙氣換熱器簡(jiǎn)介

根據(jù)煙氣溫度不同，金屬管煙氣換熱器可分為低溫?zé)煔鈸Q熱器(≤220℃)、中溫?zé)煔鈸Q熱器(220～450℃)和高溫?zé)煔鈸Q熱器(≥450℃)；根據(jù)換熱器翅片的型式不同，可分為H型翅片、螺旋翅片和針形翅片管換熱器等，如圖1所示。

圖1 不同翅片型式的煙氣換熱器

2 低溫金屬管煙氣換熱器常用布置位置

根據(jù)換熱器的功能不同，可將低溫金屬管煙氣換熱器分為煙氣冷卻器和煙氣再熱器兩種，煙氣冷卻器、煙氣再熱器的典型布置方式分別如圖2、圖3所示。其中，煙氣冷卻器可布置在電除塵器前，用于降低電除塵器入口煙氣溫度；也可以布置在濕法脫硫前，用于降低脫硫塔入口煙氣溫度。煙氣冷卻器回收的熱量可以作為電廠原有熱力系統(tǒng)的一級(jí)低溫?zé)嵩矗缙麢C(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的一級(jí)低加；也可以將這部分余熱用于煙囪前的煙氣再熱器，來(lái)加熱排煙溫度。

FGC：煙氣冷卻器；FGR：煙氣再熱器

圖2 典型的技術(shù)路線1

FGC：煙氣冷卻器；PCA：相變凝聚器；FGR：煙氣再熱器圖3 典型的技術(shù)路線2

3 電除塵器前煙氣冷卻器作用及存在問(wèn)題

電除塵器布置煙氣冷卻器，通過(guò)煙氣冷卻器降低電除塵器入口煙氣溫度至酸露點(diǎn)以下，一般在90℃左右，此時(shí)，煙氣中的大部分SO3會(huì)在煙氣冷卻器中凝結(jié)，并吸附在粉塵表面，使粉塵性質(zhì)發(fā)生很大變化，降低工況比電阻(如圖4所示)，促進(jìn)顆粒團(tuán)聚(如圖5所示)，大幅提高除塵效率(如圖6所示)，同時(shí)去除大部分的SO3。此時(shí)，電除塵器稱(chēng)為低低溫電除塵器，煙氣冷卻器(或包含煙氣再熱器)與低低溫電除塵器統(tǒng)稱(chēng)為低低溫電除塵系統(tǒng)。

圖4 比電阻大幅下降

圖5 細(xì)顆粒物降溫團(tuán)聚示意圖

圖6 提效幅度

根據(jù)實(shí)際工程調(diào)研，部分機(jī)組的煙氣冷卻器存在積灰、磨損等問(wèn)題。磨損是煙氣冷卻器運(yùn)行中常見(jiàn)的現(xiàn)象，對(duì)于燃燒高灰煤的電廠，其磨損現(xiàn)象更為嚴(yán)重，不容忽視，飛灰的濃度是導(dǎo)致磨損的主要因素之一。經(jīng)調(diào)研，磨損速度主要與煙塵濃度、煙氣流速、流場(chǎng)、飛灰的物理化學(xué)性質(zhì)、受熱面的布置、結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)行工況等因素有關(guān)。

在煙塵濃度方面，煙塵濃度越高，金屬避免所受到的煙塵沖刷越頻繁，磨損風(fēng)險(xiǎn)越高。

煙氣流速方面，受熱面金屬表面的磨損正比于飛灰顆粒的動(dòng)能和撞擊次數(shù)，飛灰顆粒的動(dòng)能和速度的平方成正比，而撞擊次數(shù)同速度的一次方成正比，煙氣冷卻器的磨損就同煙氣速度的三次方呈正比例。

流場(chǎng)方面，經(jīng)調(diào)查及研究表明，若煙氣和飛灰的流場(chǎng)不均勻，設(shè)備易發(fā)生局部磨損現(xiàn)象，這將導(dǎo)致煙氣冷卻器迅速損壞。

飛灰的物理化學(xué)性質(zhì)方面，飛灰顆粒的大小、形狀、軟硬、灰熔點(diǎn)大小等對(duì)磨損均有影響，因此，在磨損中起主要作用的是飛灰中那些大的顆粒；其次，具有足夠硬度和銳利棱角的顆粒要比球形顆粒磨損更嚴(yán)重些；飛灰顆粒磨損性能主要決定于飛灰中SiO2的含量，當(dāng)其含量超過(guò)60%時(shí)，磨損顯著加重；當(dāng)然，引起磨損的最主要因素是灰的濃度。因此，燃用高灰分，低發(fā)熱量的劣質(zhì)煤，煙氣冷卻器會(huì)發(fā)生嚴(yán)重磨損。

受熱面的布置方面，煙氣自上而下垂直布置的煙氣冷卻器中的飛灰受重力影響有加速向下沖刷換熱管的現(xiàn)象，但實(shí)際應(yīng)用中其磨損現(xiàn)象并不明顯，因?yàn)檩^細(xì)的飛灰顆粒受重力加速的效果并不突出；而對(duì)于煙氣自下而上垂直布置的煙氣冷卻器來(lái)說(shuō)，當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煙氣流速較低，煙氣攜帶飛灰的能力降低，較大的顆粒易在底部形成流化區(qū)域，造成流化磨損現(xiàn)象，其磨損情況比煙氣自上而下垂直布置的方式更嚴(yán)重。水平布置的煙氣冷卻器的磨損現(xiàn)象與煙氣自上而下垂直布置的煙氣冷卻器相差雖然不大，但水平布置時(shí)設(shè)備底部容易積灰，相當(dāng)于減小了煙氣流通截面面積，增大了煙氣流速，因此煙氣自上而下垂直布置的煙氣冷卻器磨損現(xiàn)象最輕。

結(jié)構(gòu)特性方面，管子的布置方式，如翅片形式；錯(cuò)列，順列；橫向間距，縱向間距，翅片節(jié)距均對(duì)磨損有影響。一般H型翅片的磨損現(xiàn)象輕于螺旋翅片，順列磨損現(xiàn)象輕于錯(cuò)列，節(jié)距的選擇應(yīng)結(jié)合換熱、積灰及磨損現(xiàn)象綜合考慮。運(yùn)行工況方面，鍋爐運(yùn)行時(shí)，隨著鍋爐負(fù)荷的增加，煙氣流速亦相應(yīng)增加，飛灰磨損亦就加快。對(duì)于負(fù)壓燃燒的鍋爐，煙道漏風(fēng)量增大時(shí)，因煙氣容積增大流速相應(yīng)增高，磨損也將加快。鍋爐燃燒時(shí)，因燃燒不良而使飛灰含碳量增高時(shí)，由于焦碳顆粒的硬度比飛灰的硬度高，因此磨損亦會(huì)增大。

通過(guò)調(diào)研，對(duì)于煙氣冷卻器的防磨問(wèn)題可從主動(dòng)防磨和被動(dòng)防磨兩方面進(jìn)行處理。主動(dòng)防磨方面，首先，在設(shè)計(jì)中嚴(yán)格控制煙氣流速，對(duì)于燃燒高灰煤的環(huán)境來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)時(shí)建議煙氣的設(shè)計(jì)流速低于8.5m/s；其次，煙氣及飛灰流場(chǎng)要均勻，均流系數(shù)至少小于0.2；最后，布置方式及設(shè)備結(jié)構(gòu)要合理，在有足夠布置空間的前提下，建議采用煙氣自上而下垂直布置的方式。被動(dòng)防磨方面，當(dāng)飛灰濃度較高時(shí)，在設(shè)備的迎風(fēng)側(cè)安裝至少2排與換熱管形式相同的假管，運(yùn)行時(shí)假管不參與換熱，其目的為防磨；另外可采取在前排換熱管上加裝防磨套等措施。

4 濕法脫硫前煙氣冷卻器作用及存在問(wèn)題

當(dāng)金屬管式煙氣冷卻器布置在濕法脫硫前時(shí)，可降低脫硫塔入口煙溫，減少脫硫塔水耗，同時(shí)減少煙氣量，減少風(fēng)機(jī)阻力電耗。但此時(shí)因煙氣中煙塵濃度較低，降溫幅度有限，當(dāng)煙氣溫度降至酸露點(diǎn)以下時(shí)，冷凝后的硫酸霧沒(méi)有足夠的飛灰吸附、中和，會(huì)引起換熱管壁的腐蝕、結(jié)垢，如圖7所示。

圖7 金屬管腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重

5 煙氣換熱器作用及存在問(wèn)題

煙氣再熱器可通過(guò)提升排煙溫度來(lái)減少電廠白煙排放。

日本一直采用高煙溫排放，以增強(qiáng)煙氣的擴(kuò)散能力。日本開(kāi)發(fā)應(yīng)用了金屬管水媒式煙氣換熱系統(tǒng)(包括煙氣冷卻器和煙氣再熱器)，即在電除塵器前設(shè)置煙氣冷卻器，用于降低進(jìn)入電除塵器的煙氣溫度，一方面可提高電除塵效率、降低脫硫水耗，另一方面，以水作為換熱介質(zhì)，將回收的煙氣余熱用到后端的煙氣再熱器，以提升排煙溫度，增強(qiáng)煙氣擴(kuò)散能力。煙氣冷卻器及煙氣再熱器的換熱管束多采用普通碳鋼，但需定期更換。

國(guó)內(nèi)在2014年開(kāi)始應(yīng)用金屬管水媒式煙氣再熱技術(shù)，達(dá)到了減少有色煙羽排放、消除市民視覺(jué)污染等效果，與電除塵前煙氣冷卻技術(shù)相結(jié)合，在電力行業(yè)取得了一定應(yīng)用。其中，煙氣再熱器安裝在煙囪入口，前端換熱材料采用2205，中段換熱材料采用316L，后端換熱材料采用ND鋼。國(guó)內(nèi)尚缺少長(zhǎng)期運(yùn)行工程經(jīng)驗(yàn)，金屬材料仍存在一定的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

低溫金屬管煙氣換熱器在燃煤電廠節(jié)能、減排中的作用日益凸顯，但實(shí)際工程中仍然存在一些問(wèn)題，如磨損、低溫腐蝕等，尚需更多試驗(yàn)及理論研究。