吳 江

(江蘇新海發(fā)電有限公司，江蘇 連云港 222023)

目前火電廠煙氣脫硫已成為環(huán)保強(qiáng)制要求，其中以濕式石灰石－石膏煙氣脫硫工藝最為常用，濕式石灰石-石膏脫硫煙氣進(jìn)入脫硫塔的溫度約80℃，鍋爐空氣預(yù)熱器出口的煙氣經(jīng)過噴淋減溫或煙氣換熱器（GGH）后進(jìn)入脫硫塔。其中回轉(zhuǎn)式GGH由于存在漏煙、堵塞，影響脫硫效率等缺陷已較少采用。工程脫硫島不設(shè)置GGH，電除塵器出口煙氣溫度約125℃，如果采用噴水對煙氣減溫至80℃進(jìn)入脫硫塔，機(jī)組熱耗率驗(yàn)收（THA）工況噴水量約74 t/h，不僅耗水量較大，煙氣量增加約3%，而且還損失煙氣減溫的熱量。文中參考日本1000 MW機(jī)組煙氣余熱二級換熱器，以及外高橋三期工程低溫省煤器的設(shè)計(jì)思路，探討工程煙氣進(jìn)脫硫塔之前與部分凝結(jié)水進(jìn)行換熱，從而降低脫硫煙氣溫度，并利用余熱提高機(jī)組效率的可行性與經(jīng)濟(jì)性。

1 煙氣余熱換熱器的應(yīng)用現(xiàn)狀

國外煙氣余熱換熱器的應(yīng)用較早。如德國黑泵（Schwaree Pumpe）電廠加熱給水的煙氣冷卻器布置在電除塵器和脫硫裝置之間，其設(shè)置類似于爐外布置的省煤器，煙氣通過煙氣冷卻器從170℃降到130℃后進(jìn)入脫硫裝置[1]。德國科隆Nideraussem電廠1000 MW機(jī)組采用分隔煙道系統(tǒng)充分降低排煙溫度，將低溫省煤器加裝在空氣預(yù)熱器的旁路煙道中，在煙氣熱量足夠的前提下引入部分煙氣到旁路煙道加熱鍋爐給水。日本常陸那柯電廠采用水媒方式的管式GGH，煙氣放熱段的GGH布置在電除塵器上游，煙氣被循環(huán)水冷卻后進(jìn)入低低溫除塵器（煙氣溫度在90～100℃左右），煙氣加熱段的GGH布置在煙囪入口，由循環(huán)水加熱煙氣。

國內(nèi)第1臺設(shè)置煙氣余熱換熱器的電廠為西北院設(shè)計(jì)的龍口電廠（2×100 MW）。目前外高橋三期、營口熱電廠也設(shè)置了煙氣余熱換熱器，系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，均為上海成套設(shè)計(jì)研究所設(shè)計(jì)，運(yùn)行良好。由于國內(nèi)煙氣余熱換熱器投運(yùn)機(jī)組不多，所以煙氣余熱換熱器的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和維護(hù)需要結(jié)合具體工程進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2 煙氣余熱換熱器的設(shè)計(jì)

2.1 材料選擇

回收煙氣熱量，首先應(yīng)考慮煙氣余熱換熱器的低溫腐蝕問題。其腐蝕有2種情況，一是由于煙氣結(jié)露造成的低溫腐蝕，另一是高溫環(huán)境下的氧化腐蝕。對于換熱器來說，第一種腐蝕是最主要的，其中對于煙氣酸露點(diǎn)的確定是判斷換熱器低溫腐蝕的重要依據(jù)。煙氣露點(diǎn)溫度與SO3濃度密切相關(guān)，SO3的生成直接影響煙氣露點(diǎn)的溫度。對于煙氣露點(diǎn)的計(jì)算，前人總結(jié)了很多方法，較常用的有下列3個(gè)公式，分別是前蘇聯(lián)73標(biāo)準(zhǔn)、98標(biāo)準(zhǔn)推薦公式以及我國馮俊凱院士的計(jì)算公式[2]。

式中：tDp.o為煙氣中純水露點(diǎn)溫度；Sar為收到基折算硫份；αfh為表征與飛灰含量對酸露點(diǎn)影響程度的系數(shù)，對于煤粉爐αfh取0.8～0.9；Aar為收到基折算灰份；Β為與爐膛出口過剩空氣系數(shù)有關(guān)參數(shù)，文中β取121。根據(jù)工程燃用設(shè)計(jì)煤種空氣預(yù)熱器出口煙氣的水蒸氣和煤質(zhì)資料，這3種公式計(jì)算結(jié)果分別為92.4℃，88.4℃，82.1℃。為保證機(jī)組及煙氣余熱換熱器長期運(yùn)行的安全可靠性，建議換熱器煙氣側(cè)出口溫度不低于3種計(jì)算公式中露點(diǎn)溫度最高的，因此工程煙氣余熱換熱器煙氣側(cè)出口溫度暫定為95℃。

采用有限腐蝕的煙氣余熱換熱器系統(tǒng)，換熱器壁面溫度最低點(diǎn)基本等同于換熱器凝結(jié)水進(jìn)口溫度，因此該溫度需要高于煙氣中水蒸氣飽和溫度才能保證酸露腐蝕的影響盡量小。經(jīng)研究金屬壁溫高于水蒸氣露點(diǎn)溫度20℃以上時(shí)，鋼材腐蝕速度為0.1～0.25 mm/a。根據(jù)工程煤種特點(diǎn)，水蒸氣露點(diǎn)為42.6℃，因此建議煙氣換熱器水側(cè)溫度不低于70℃為宜。

參考已投入使用的煙氣余熱換熱器運(yùn)行狀況，選用奧氏體不銹鋼TP316L、TP304L或考登鋼作為換熱器材料，可保證煙氣換熱器長期安全使用。換熱器采取何種材料還需根據(jù)工程煤質(zhì)與制造廠商溝通后確定，煙氣余熱換熱器暫按耐腐蝕的低合金碳鋼考慮。

2.2 煙氣余熱換熱器的選型

該換熱器的介質(zhì)是煙氣和凝結(jié)水，工作特性類似于鍋爐內(nèi)的省煤器?？晒┻x擇的換熱器型式有管式換熱器和板式換熱器2種。

管式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于檢修，容易清理堵灰，制造技術(shù)成熟，可靠性高。管式換熱器有光管和高頻焊翅片管2種。翅片管的優(yōu)勢是換熱效率較高，可減少換熱器材料用量。光管的優(yōu)勢是制造工藝簡單，抗磨損、堵灰性能較好。有關(guān)研究表明，在相同的換熱條件下，翅片管的管壁溫度較高，抗腐蝕能力強(qiáng)。引風(fēng)機(jī)后的煙氣含塵量已很低，選用翅片管基本沒有磨損和堵灰的問題。管式換熱器的缺點(diǎn)是占地面積大，檢修維護(hù)不方便。

板式煙氣－水換熱器是近年來新開發(fā)的換熱器。其優(yōu)點(diǎn)是在相同的換熱面積下，換熱效率較高，節(jié)省占地面積，節(jié)省材料用量，可在線清洗或檢修人員從檢修口進(jìn)入用高壓水槍清洗。板片可抽出檢修或更換。板式換熱器的使用壽命優(yōu)于管式換熱器，檢修周期長。

2種換熱器均可滿足設(shè)計(jì)需要。營口熱電廠、外高橋三期工程均采用管式換熱器，板式換熱器目前國內(nèi)還無生產(chǎn)及投運(yùn)經(jīng)驗(yàn)，整套設(shè)備需進(jìn)口，價(jià)格較高。因此，工程暫按管式換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

2.3 煙氣系統(tǒng)布置和設(shè)置

2.3.1 煙氣系統(tǒng)布置

工程如裝設(shè)煙氣余熱換熱器，有2種布置方案。方案一是將余熱換熱器布置在空氣預(yù)熱器出口之后，除塵器入口之前；方案二是將余熱換熱器布置在2臺引風(fēng)機(jī)出口煙道匯合之后，脫硫塔入口之前。

方案一。煙氣在空氣預(yù)熱器出口之后就被減溫至80℃，其體積流量也相應(yīng)減少約11.3%，可以減少除塵面積，減少除塵器的占地面積和用材。電除塵器的除塵效率隨溫度的降低而增高，但是煙氣溫度的降低增加了電除塵器防腐蝕的難度，同時(shí)增加了除塵器內(nèi)堵灰的可能性?？紤]到國內(nèi)電除塵器低溫防腐技術(shù)尚無投運(yùn)的實(shí)例，而除塵器又是煙氣處理中不可缺少的環(huán)節(jié)，一旦除塵器因堵灰或腐蝕嚴(yán)重需要檢修可能影響整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行。而且余熱換熱器內(nèi)的煙氣含有大量飛灰，換熱器低溫側(cè)將會面臨較嚴(yán)重的的磨損和堵灰問題。因此不采用這種布置方案。

方案二。將煙氣換熱器放置在引風(fēng)機(jī)出口之后，脫硫塔入口之前，此處煙氣中的絕大部分飛灰已被除塵器除去，對換熱器來說基本不存在磨損和堵灰的問題，因此換熱器內(nèi)可以使用翅片管式或板式以提高傳熱系數(shù)，而且可以免去蒸汽吹掃裝置。置于引風(fēng)機(jī)之后可避免由于換熱器一旦腐蝕泄漏后，凝結(jié)水漏入引風(fēng)機(jī)的問題，引風(fēng)機(jī)葉片也不需要考慮低溫防腐。該布置方案的運(yùn)行可靠性和維護(hù)成本都優(yōu)于第一種方案，而且占用空間少，可取代常規(guī)脫硫島的GGH的位置。

2.3.2 煙氣系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)工程煙氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合煙氣余熱換熱器有1×100%與3×35%容量2種方案可供選擇。

方案一。煙氣余熱換熱器采用1×100%容量換熱器，煙氣從3臺引風(fēng)機(jī)出口接出后匯成一路，進(jìn)入煙氣余熱換熱器與凝結(jié)水換熱后，煙氣進(jìn)入吸收塔脫硫后排入煙囪。

方案二。煙氣余熱換熱器采用3×35%容量換熱器，煙氣從3臺引風(fēng)機(jī)出口接出后分別進(jìn)入各自獨(dú)立的煙氣余熱換熱器與凝結(jié)水換熱后，煙氣再匯成一路進(jìn)入吸收塔脫硫后排入煙囪。

根據(jù)工程的煙風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)、主廠房布置情況，推薦采用方案二，主要理由有以下幾點(diǎn)：（1）3×35%容量煙氣余熱換熱器容量小，易于設(shè)計(jì)制造、安裝檢修，占地面積小。（2）與3×35%風(fēng)機(jī)系統(tǒng)相匹配，系統(tǒng)可靠性高，當(dāng)1臺煙氣換熱器停運(yùn)時(shí)，只需切斷相應(yīng)煙氣支路，即可進(jìn)行檢修維護(hù)，不會對機(jī)組負(fù)荷產(chǎn)生較大的波動。（3）從工程主廠房爐后布置情況看，1×100%方案換熱器布置位置緊張，且換熱器前后煙道直管段較短，煙氣易產(chǎn)生旋流，降低換熱效果，增加換熱器磨損；而3×35%方案換熱器前煙道有較長直管段，煙氣流動均勻性也較好。

2.4 凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)置及換熱器的熱平衡計(jì)算

工程選用陜西彬長大佛寺煙煤作為設(shè)計(jì)煤種，晉北煙煤作為校核煤種。以下均按照工程1臺機(jī)組燃用設(shè)計(jì)煤種的THA工況計(jì)算。裝設(shè)煙氣余熱換熱器之前的各級低壓加熱器部分熱平衡如圖1所示。

根據(jù)工程燃料熱平衡計(jì)算書和汽機(jī)熱平衡，換熱器將電除塵器出口煙氣溫度127℃降至95℃進(jìn)入脫硫塔。從圖1可以看出，煙氣余熱換熱器水側(cè)進(jìn)水從6號、7號、8號低加進(jìn)口接出，水側(cè)出水接入6號、7號低加出口均是可行的。如上所述，金屬壁溫在70℃以上可有效減緩低溫腐蝕現(xiàn)象，工程換熱器進(jìn)口水溫暫按不低于70℃考慮。因此，換熱器進(jìn)水從7號低加出口凝結(jié)水接出。

圖1 裝設(shè)煙氣余熱換熱器前熱平衡

在換熱器設(shè)計(jì)中，為了盡量減小換熱器面積，獲得更大的傳熱溫差，保證換熱的正常進(jìn)行，換熱器只能采取逆流模式[3]。為了盡量利用煙氣余熱的熱量，凝結(jié)水從高一級加熱器抽出，節(jié)省的抽汽品質(zhì)越高，做功能力也越強(qiáng)。從7號低加出口分流部分凝結(jié)水至換熱器，凝結(jié)水在換熱器內(nèi)從83.9℃加熱至110℃后，通過加壓泵加壓返回6號低壓加熱器入口，其凝結(jié)水流量由熱平衡計(jì)算確定。凝結(jié)水在換熱器內(nèi)吸收的熱量抵消了在6號低壓加熱器內(nèi)的吸熱，6級抽汽量相應(yīng)減少，減少的抽氣量使低壓缸做功增加，從而提高了熱量利用效率，凝結(jié)水系統(tǒng)流程如圖2。受影響的6級抽汽流量也由熱平衡計(jì)算重新確定。裝設(shè)了煙氣換熱器之后的熱平衡見圖3。

圖2 凝結(jié)水系統(tǒng)流程

增設(shè)煙氣余熱換熱器后，低壓缸各級抽汽通過自我平衡達(dá)到新的平衡點(diǎn)，參數(shù)會有細(xì)微調(diào)整。由于抽汽量改變不大，各級抽汽焓的抽汽焓變化也不大。因此，為方便經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，低壓缸各級抽汽溫度、壓強(qiáng)按不變考慮，凝結(jié)水流經(jīng)各級加熱器的進(jìn)出口溫度也沒有變化。根據(jù)余熱換熱器煙氣側(cè)的放熱量計(jì)算出換熱器的水側(cè)流量，再根據(jù)熱量平衡計(jì)算出各段低壓抽氣量流量。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

考慮風(fēng)機(jī)功率增加、排汽能耗增加和加壓泵能耗增加的影響后，供電標(biāo)煤耗可節(jié)省1.67 g/kW·h，具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

2.5 換熱管面的積灰

圖3 裝設(shè)煙氣余熱換熱器后熱平衡

表1 煙氣余熱換熱器工況計(jì)算結(jié)果

煙氣余熱換熱器的換熱面管可以采用光管、螺旋肋片管和高頻焊翅片管。與普通光管相比，螺旋肋片管和高頻焊翅片管傳熱性能好，在滿足同樣換熱性能時(shí)，其換熱面積比同種規(guī)格的光管要小。因此，采用螺旋肋片管或高頻焊翅片管可有效降低煙氣余熱換熱器的外形尺寸和管排數(shù)，減少煙氣流動阻力。但是螺旋肋片管或高頻焊翅片管易于積灰，在設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)提高煙速，對于除塵器前布置煙氣余熱換熱器，煙氣流速推薦10m/s左右；對于除塵器后布置煙氣余熱換熱器，煙氣流速推薦15 m/s左右。螺旋肋片管或翅片管可選擇合適的間距以減少換熱器管壁積灰。

表2 煙氣余熱換熱器節(jié)煤計(jì)算結(jié)果

此外，在煙氣余熱換熱器管排間需增設(shè)聲波吹灰器或者蒸汽吹灰器，且采用可拆卸的型式，設(shè)置水清洗系統(tǒng)，利用機(jī)組停用檢修階段進(jìn)行水清洗。

3 煙氣余熱換熱器經(jīng)濟(jì)性分析

設(shè)置煙氣余熱換熱器后，脫硫島可減少噴水量50 t/h，全年節(jié)約用水25萬t。考慮脫硫島工業(yè)水制備、噴淋設(shè)備投用等綜合成本，水價(jià)按1元/t計(jì)，每臺機(jī)組每年可節(jié)省水費(fèi)25萬元。

設(shè)置煙氣余熱換熱器所增加的靜態(tài)投資費(fèi)用包括：（1）每臺機(jī)組換熱器本體造價(jià)在1300萬元左右（含吹灰裝置）；（2）煙氣余熱換熱器增加的進(jìn)出口煙道長度以及支撐換熱器和煙道所增加的土建基礎(chǔ)費(fèi)用總共約100萬；（3）引風(fēng)機(jī)按0.05萬/kW的造價(jià)估算，需要增加45萬元引風(fēng)機(jī)造價(jià)；（4）增加300 m左右的凝結(jié)水管道和相關(guān)閥門，同時(shí)需要對其進(jìn)行放水保溫處理，增加費(fèi)用約75萬元；（5）增設(shè)凝結(jié)水加壓水泵及其基礎(chǔ)費(fèi)用約20萬元；（6）考慮煙氣余熱換熱器后煙溫降低，換熱器后煙道采取防腐措施，根據(jù)布置情況爐后增加防腐面積約1700 m2，脫硫部分增加防腐面積約2000 m2，按防腐采用耐高溫玻璃鱗片500元/m2計(jì)算，需增加防腐費(fèi)用185萬元；（7）煙氣換熱器冷段腐蝕，約每8年需要更換冷段受熱面，每次更換需要費(fèi)用約400萬元；（8）每年的安裝運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用按設(shè)備投資的1.5%計(jì)算，每年需要約20萬元。

綜上所述，設(shè)置煙氣余熱換熱器需要增加靜態(tài)投資1725萬元。每8年需要400萬元更換冷段受熱面，加上每年安裝運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，折合至每年約需70萬元運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

煙氣余熱換熱器經(jīng)濟(jì)性分析見表3所示。

表3 煙氣余熱換熱器經(jīng)濟(jì)性分析

4 結(jié)束語

綜上所述，設(shè)置煙氣余熱換熱器的方案有效降低了煙氣進(jìn)入脫硫塔的溫度，并且回收了煙氣的余熱。設(shè)計(jì)方案充分考慮了尾部煙氣腐蝕、磨損、堵灰的問題，可以安全穩(wěn)定運(yùn)行。煙氣換熱器投入運(yùn)行每臺機(jī)組每年每年可節(jié)省燃料費(fèi)用446.35萬元，節(jié)省脫硫島用水25萬t，按初始投資1725萬元計(jì)算，4.66年可收回動態(tài)投資。

[1]VON MANDE L H,EURICH K,TIELSCH P.德國黑泵電廠兩臺800 MW供熱機(jī)組的設(shè)計(jì)及試運(yùn)行驗(yàn)收情況簡介[J].上海電力，2001（9）：56-59.

[2]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及計(jì)算[M].北京：科學(xué)出版社，1992.

[3]楊世命，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005.