曲文龍

(威海環(huán)境再生能源有限公司，山東 威海 264200)

0 引言

垃圾焚燒發(fā)電廠主要燃料為日常生活垃圾，而生活垃圾中含水率較高，為使垃圾在焚燒爐內(nèi)得到充分干燥，燃燒更加穩(wěn)定，鍋爐燃燒效率更高，需要對(duì)燃燒用的空氣進(jìn)行充分加熱。垃圾發(fā)電廠空氣預(yù)熱器一般采用蒸汽預(yù)熱器，主要因?yàn)槔l(fā)電廠煙氣中的酸性氣體多，低溫時(shí)易造成低溫腐蝕，所以加熱的熱源不能使用煙氣而采用蒸汽，空氣預(yù)熱器的出口風(fēng)溫直接影響焚燒爐的穩(wěn)定運(yùn)行，因此預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)形式，換熱效率的高低是優(yōu)化改造的關(guān)鍵點(diǎn)。

威海環(huán)境再生能源有限公司垃圾焚燒發(fā)電所采用的的一次風(fēng)空氣預(yù)熱器為傳統(tǒng)的兩段串聯(lián)式管式換熱器。預(yù)熱器分為低壓段和高壓段。減溫減壓器提供低壓段蒸汽，入口溫度300 ℃，壓力0.98 MPa;高壓段蒸汽為鍋爐出口新蒸汽，入口溫度400 ℃，壓力2.5 MPa；參數(shù)詳見(jiàn)表1，一次風(fēng)源取自垃圾坑內(nèi)的常溫空氣，加熱后的一次風(fēng)送入鍋爐，提供垃圾燃燒所需的氧氣。空氣預(yù)熱器換熱效率的高低、運(yùn)行的可靠性直接影響著鍋爐燃燒的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

威海環(huán)境再生能源有限公司目前使用的一次風(fēng)空氣預(yù)熱器工藝流程圖如下圖1所示。

預(yù)熱器為了實(shí)現(xiàn)空氣的充分加熱，采用了兩段串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，分為低壓段(Ⅰ段)+高壓段(Ⅱ段)，技術(shù)特性見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)特性表

1 空氣預(yù)熱器運(yùn)行中存在的問(wèn)題

(1)預(yù)熱器內(nèi)部管道容易出現(xiàn)泄漏，特別是在預(yù)熱器下部區(qū)域位置，泄露后排查檢修困難，設(shè)備整體使用壽命短。

(2)預(yù)熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)上排管間距和鰭片間距過(guò)于密集，易積灰難清理(如圖3)，風(fēng)阻較大，影響換熱效率。

(3)預(yù)熱器高、低壓疏水母管運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)汽水沖擊，管路振動(dòng)并伴有異響；彎頭處汽水沖刷嚴(yán)重，極易泄漏(如圖4)，難以保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

(4)高壓段(Ⅱ段)的高溫高壓疏水目前是經(jīng)過(guò)連續(xù)排污擴(kuò)容器常壓閃蒸并氣水分離后，水蒸汽進(jìn)入除氧器作為熱源(量少時(shí)為了不影響除氧器的正常背壓直接從連續(xù)排污擴(kuò)容器排空放散)，閃蒸后的疏水直接排入疏水箱，導(dǎo)致疏水箱水溫升高至90 ℃以上，引起后續(xù)工藝設(shè)備疏水泵汽化，汽蝕，水泵不能穩(wěn)定安全運(yùn)行。需要通過(guò)排污并補(bǔ)充除鹽水來(lái)降低水溫，造成水能和熱能的大量浪費(fèi)。

2 技改設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過(guò)設(shè)備解體查看分析，通過(guò)熱力計(jì)算，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況，本著低風(fēng)阻、效率高、熱損失少、汽水沖擊小的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出一套技改優(yōu)化方案。

現(xiàn)場(chǎng)一次風(fēng)空氣預(yù)熱器設(shè)備采用兩段式逐級(jí)加熱，即低壓段和高壓段。這樣必將會(huì)有兩路疏水，且高壓段疏水的熱量難以回收。為從根本上解決此問(wèn)題，從空氣預(yù)熱器設(shè)備的源頭考慮，根據(jù)目前新的運(yùn)行參數(shù)(空氣量67 920 Nm3/h，溫度5～220 ℃)以及加熱蒸汽(2.35 MPa，390 ℃)，嘗試把空氣預(yù)熱器做成整體式加熱，并考慮在預(yù)熱器底部引入過(guò)冷段，將加熱蒸汽凝結(jié)水從飽和溫度220 ℃過(guò)冷至70 ℃。在疏水母管上安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過(guò)液位控制來(lái)調(diào)節(jié)疏水量，保證蒸汽完全換熱變成疏水，完成熱量交換，管道內(nèi)就只是疏水而不是汽水混合物，從而解決汽水混合沖刷管路的問(wèn)題；由于疏水已經(jīng)過(guò)冷至70 ℃，再進(jìn)入疏水箱，便不會(huì)導(dǎo)致疏水泵吸入溫度過(guò)高，造成泵的高溫氣蝕問(wèn)題，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的熱量得到最大限度的回收利用。新的整體式預(yù)熱器流程原理見(jiàn)圖5。

圖5中上部紅色部分為蒸汽過(guò)熱冷卻段，蒸汽在該段由400 ℃冷卻至飽和溫度220 ℃；

圖5中部黃色部分為蒸汽凝結(jié)段，蒸汽在該段由220 ℃飽和蒸汽凝結(jié)為220 ℃飽和水；

圖5中下部綠色部分為疏水過(guò)冷段，飽和水在該段由220 ℃冷卻至70 ℃；

三段總的翅片管冷卻面積約為2 050 m2。

右側(cè)蒸汽母管和疏水母管連接一個(gè)帶遠(yuǎn)傳功能的磁翻板液位計(jì)，將液位控制在正常水位，在疏水母管下游增加一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，可以根據(jù)疏水母管的出水溫度來(lái)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度從而調(diào)節(jié)液位高度。液位越高，疏水過(guò)冷段越大，即出水溫度越低；反之亦然。

預(yù)熱器管內(nèi)氣液兩相流在設(shè)計(jì)整體式預(yù)熱器中也不存在，由于預(yù)熱器出口的疏水已經(jīng)過(guò)冷至70 ℃，所以在下部不會(huì)出現(xiàn)汽化、閃蒸等現(xiàn)象。

3 技術(shù)實(shí)施方案

(1)將預(yù)熱器結(jié)構(gòu)由分體式改造為整體成型蛇形翅片管(如圖6)，避免常規(guī)的預(yù)熱器在U型彎處需要焊接的問(wèn)題，最大程度減少焊接漏點(diǎn)。整體式預(yù)熱器結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖7。

(2)針對(duì)汽水混合段的汽水沖刷爆管問(wèn)題，將汽水混合段設(shè)計(jì)為烤瓷噴涂，達(dá)到耐沖刷、延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

(3)預(yù)熱器的進(jìn)汽布置將采用十排管一個(gè)集箱一臺(tái)截止閥控制，形式分段控制隔斷，方便在不停運(yùn)設(shè)備的情況下就可以查漏檢修。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過(guò)HTRI熱傳遞計(jì)算軟件模擬換熱，得出原兩段式加熱計(jì)算書，見(jiàn)圖8～10。

從以上模擬計(jì)算數(shù)據(jù)分析，可以得到如下對(duì)比結(jié)果(見(jiàn)表2)。

表2 模擬計(jì)算數(shù)據(jù)分析

從計(jì)算結(jié)果得出，在一次風(fēng)壓力、流量各項(xiàng)參數(shù)相同的情況下，采用整體式結(jié)構(gòu)比兩段式結(jié)構(gòu)更加節(jié)能，鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性顯著，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1)改造后由壓力降引起的一次風(fēng)機(jī)功率節(jié)能年收益為：

W=0.526×1 000×67 920/(1 000×0.7×3 600×0.95)×1.15=17.2 kW

17.2 kW×24 h/天×30天/月×10月/年×0.5元/kWh=61 920元

(2)改造后由蒸汽耗量節(jié)省的年收益為：

Q=0.292×3.6 t/h×24 h/天×30天/月×10月/年×100元/t=756 864元

總的年收益為61 920元+1 513 728元=757 483.2元

(3)改造后空氣預(yù)熱器完全消除了汽水沖刷現(xiàn)象，降低了預(yù)熱器內(nèi)部蛇形管道及疏水母管的頻繁泄漏，有效延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

(4)改造后疏水箱水溫由90 ℃以上降到70 ℃ 以下，無(wú)需通過(guò)排放高溫疏水補(bǔ)充除鹽水來(lái)降溫；疏水泵運(yùn)行更加穩(wěn)定，無(wú)汽化汽蝕。

5 結(jié)論

將串聯(lián)式管式預(yù)熱器改造為整體式加熱器，能夠大量回收之前兩段式加熱器的疏水帶走的熱量，從而節(jié)約了加熱蒸汽耗量；整體式預(yù)熱器風(fēng)阻減少，一次風(fēng)機(jī)電耗降低；消除管道汽水沖刷，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，檢修工作量減少，設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定。

總之，整體式加熱器改造能從設(shè)備根源上解決高溫高壓的疏水沖刷、熱量損失、水泵汽化等問(wèn)題；并且與現(xiàn)有的除氧器設(shè)備不存在背壓干擾等問(wèn)題；熱力性能遠(yuǎn)勝于常規(guī)的兩段串聯(lián)式空氣預(yù)熱器，能夠達(dá)到節(jié)能降耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著。