謝 玲，張洪濤，王 杏，高 旭，戰(zhàn)衛(wèi)星，趙明星

(青島達(dá)能環(huán)保設(shè)備股份有限公司，青島 266300)

0 引 言

目前國(guó)外對(duì)于濕法脫硫白色煙羽的治理由于政策要求寬松，僅有部分國(guó)家采用了GGH/MGGH技術(shù)，并未大范圍進(jìn)行治理，對(duì)技術(shù)的探討也較為局限，遠(yuǎn)不能解決國(guó)內(nèi)機(jī)組紛繁復(fù)雜的情況。自上海市2016年發(fā)布政策要求燃煤電廠消除石膏雨后，浙江省、天津市、河北省等各地也陸續(xù)發(fā)布相關(guān)政策，濕法脫硫白色煙羽治理在電廠及鋼鐵等相關(guān)行業(yè)內(nèi)被正式提上日程。由于國(guó)內(nèi)改造范圍大、情況復(fù)雜多變，同時(shí)環(huán)保政策要求高(明確要求煙囪入口及出口煙氣的溫度、濕度)，亟需提出有針對(duì)性的、高效環(huán)保的創(chuàng)新型技術(shù)路線[1]。

1 白色煙羽形成及消除機(jī)理

圖1濕度-溫度曲線所示為白色煙羽形成與消除機(jī)理。假設(shè)脫硫塔出口煙氣溫度為50 ℃，則其位于濕飽和曲線上，如點(diǎn)A所示。假設(shè)環(huán)境溫度為10 ℃，濕度5 g/kg，位于濕飽和線之下。當(dāng)脫硫塔出口濕飽和煙氣排入大氣時(shí)，狀態(tài)點(diǎn)位于濕飽和線以上，煙氣中水蒸氣將會(huì)發(fā)生凝結(jié)，產(chǎn)生白煙，如圖中A-C線所示。[4]。

圖1 白色煙羽形成及消除機(jī)理圖

為了避免煙氣擴(kuò)散過(guò)程狀態(tài)發(fā)生過(guò)飽和，應(yīng)設(shè)法將擴(kuò)散過(guò)程向飽和線右下方移動(dòng)。目前常見(jiàn)的方式有直接加熱技術(shù)、熱風(fēng)混合技術(shù)、冷凝加再熱技術(shù)、冷凝技術(shù)。以上幾種技術(shù)煙氣的擴(kuò)散路徑分別為A-B-C、A-F-C、A-D-E-C、A-D-C。

在各種消白技術(shù)路線中，煙氣降溫除濕段可采用在脫硫塔出口煙道布置間壁式換熱器(煙道冷凝)實(shí)現(xiàn)。將冷卻水通入換熱管內(nèi)，與脫硫塔出口濕飽和煙氣換熱，使蒸汽凝結(jié)，煙氣溫度濕度降低。其原理圖如圖2所示[2]。

圖2 間壁換熱冷凝取水原理圖

該技術(shù)路線系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全穩(wěn)定，維護(hù)量小。布置在脫硫塔后，對(duì)脫硫塔運(yùn)行無(wú)影響。煙氣在冷凝器冷卻降溫，水蒸氣發(fā)生凝結(jié)，產(chǎn)生相變凝聚效果，提高除塵除霧效率。冷凝水水處理工藝較簡(jiǎn)單，僅需沉淀及調(diào)節(jié)PH值即可即進(jìn)入脫硫塔工藝水箱使用。但是，冷凝換熱器工作條件惡劣，需要防腐蝕性能較強(qiáng)的材質(zhì)[3]。

2 新型“塑料合金”性能研究

脫硫塔出口濕煙氣中含有大量的S、N、Cl、P、F的氧化物，當(dāng)煙氣溫度降到露點(diǎn)以下時(shí)，煙氣結(jié)露形成冷凝液，冷凝液中會(huì)含有硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸和氫氟酸五種腐蝕介質(zhì)，這種混合酸液具有極強(qiáng)的腐蝕性，經(jīng)電力系統(tǒng)多年現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證，金屬材料中除哈氏合金與鈦合金外，其它均不耐煙氣冷凝液的腐蝕破壞，哈氏合金與鈦合金由于價(jià)格昂貴而很難得到大量使用[4]。

近些年，在煙氣再熱器(MGGH升溫段)等低溫尾部煙道中，氟塑料管由于很好地解決了腐蝕問(wèn)題而得到了較多的應(yīng)用，逐漸得到了業(yè)主的認(rèn)可。后來(lái)，在煙氣冷凝器材質(zhì)的選擇中，氟塑料管也成為首選。

雖然采用氟塑料管解決了腐蝕問(wèn)題，但其導(dǎo)熱性差、耐壓低、用于換熱器時(shí)與金屬間的連接密封可靠性低易發(fā)生泄漏且質(zhì)量可靠的原材料價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，限制了它的推廣使用。

能否找到更宜于應(yīng)用于煙氣冷凝工作環(huán)境的材料，已成為管式換熱器大量推廣使用的關(guān)鍵難題。

圍繞此難題，針對(duì)煙氣冷凝液腐蝕介質(zhì)多樣、腐蝕機(jī)理復(fù)雜、腐蝕性強(qiáng)以及換熱面積大的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整配方、改進(jìn)設(shè)備、提升工藝等方法，我們突破常規(guī)的生產(chǎn)技術(shù)，與華北電力大學(xué)經(jīng)過(guò)三年技術(shù)攻關(guān)，聯(lián)合研發(fā)出一種強(qiáng)度高、換熱性能好的耐腐蝕高導(dǎo)熱復(fù)合材料——特種工程塑料合金[5]。

特種工程塑料合金是由聚四氟乙烯和碳纖維材料在一定比例下通過(guò)高溫、高壓復(fù)合而成的新材料。它是添加了數(shù)種納米級(jí)特殊材料，且在特殊的工藝條件下由專有設(shè)備復(fù)合而成的高導(dǎo)熱納米復(fù)合材料。高導(dǎo)熱復(fù)合材料是由于與塑料相比，其具有金屬的強(qiáng)度硬度等特性，因此稱之為“塑料合金”。塑料合金通過(guò)大量的腐蝕、高溫、高溫急變、磨損等試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)了各項(xiàng)嚴(yán)格的腐蝕、溫度、力學(xué)破壞的試驗(yàn)驗(yàn)證，具有以下優(yōu)良的性能：

(1)優(yōu)良的耐腐蝕性

可在170 ℃ 15%的鹽酸、45%的硫酸、15%的硝酸和磷酸、5%的氫氟酸介質(zhì)中長(zhǎng)期無(wú)腐蝕；

(2)優(yōu)良的耐溫性能

最高使用溫度260 ℃，長(zhǎng)期可靠使用溫度200 ℃；

(3)優(yōu)良的導(dǎo)熱性能

各向異性材料，最小導(dǎo)熱系數(shù)為4 W/(mK)，是氟塑料的15倍，不銹鋼的1/4。

(4)優(yōu)良的阻燃性能

阻燃性能級(jí)別V-0。

(5)強(qiáng)度高，抗?jié)B性強(qiáng)

通過(guò)高溫高壓成型，使材料的致密性和結(jié)合強(qiáng)度大大提高，從而大幅提高換熱管的強(qiáng)度和承壓性能。最高使用壓力2.0 MPa，長(zhǎng)期可靠使用壓力1.6 MPa。水壓2.0 MPa，保壓24小時(shí)，管子外表無(wú)滲漏，表壓無(wú)變化。

(6)優(yōu)良的阻垢性和較好的耐磨性能

成型工藝的改進(jìn)，新研制的換熱管表面非常光滑，且在高溫、高壓成型時(shí)形成的表面層非常致密。另外，配方中添加的無(wú)機(jī)材料又具有優(yōu)良潤(rùn)滑性能。所以，這種換熱管不僅耐磨性高，且表面非常光滑，阻垢性也特別好。特別在腐蝕環(huán)境下使用，比碳鋼管的阻垢性能更加優(yōu)良。

(7)質(zhì)量輕

此材料生產(chǎn)的換熱管的比重為1.7～1.8 g/cm3，碳鋼為7.8 g/cm3，316 L為7.98 g/cm3。使得設(shè)備重量大幅降低，節(jié)省大量安裝費(fèi)用。

(8)加工性能好

塑料合金可采用注塑加工工藝，加工成螺旋翅片管，增大氣側(cè)換熱面積，提高整體換熱效率，減小換熱器的體積。

(9)根據(jù)現(xiàn)有材料性能參數(shù)計(jì)算及充分考慮到電廠煙氣的工況推斷，此材料制作的換熱裝置可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行達(dá)15年以上。

塑料合金的研發(fā)成功，徹底解決了管式換熱器換熱管材料導(dǎo)熱性能差、不耐煙氣冷凝液腐蝕以及耐磨性能差的問(wèn)題，與哈氏合金管、鈦合金管、雙相不銹鋼管、氟塑料等相比，具有很大的性能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

塑料合金與氟塑料相比較，在導(dǎo)熱系數(shù)、密度、工作壓力、強(qiáng)度等方面性能優(yōu)勢(shì)明顯，是更適宜制作鍋爐尾部煙道換熱器的材質(zhì)，兩者的性能指標(biāo)對(duì)比詳見(jiàn)表1[6]。

表1 塑料合金與氟塑料性能對(duì)比表

圖3 塑料合金管圖示

3 塑料合金冷凝器應(yīng)用效果

3.1 應(yīng)用項(xiàng)目介紹

2018年10月，以塑料合金為換熱元件的煙氣冷凝器設(shè)備在山西某鋼鐵廠成功投入運(yùn)行，目前為止運(yùn)行良好。

該項(xiàng)目白色煙羽治理采用“煙氣冷凝+MGGH”的技術(shù)路線。其中冷凝段設(shè)計(jì)工況將煙氣溫度由59 ℃降至54 ℃，設(shè)計(jì)回收水量17 t/h。

系統(tǒng)投入運(yùn)行后，煙氣經(jīng)過(guò)冷凝器后煙氣溫度由57.2 ℃降低至48.6 ℃，煙溫降幅達(dá)8.6 ℃(設(shè)計(jì)降幅5 ℃)，煙氣含濕量降低34%。加上后續(xù)MGGH煙氣再熱升溫段，升溫后進(jìn)入煙囪排入大氣。改造后，在環(huán)境溫度為5 ℃時(shí)，幾乎無(wú)白煙出現(xiàn)，達(dá)到了環(huán)保政策要求。同時(shí)，煙氣冷凝器每小時(shí)收集水量達(dá)25 t，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

該項(xiàng)目煙氣消白系統(tǒng)DCS運(yùn)行畫(huà)面如圖4所示。

圖4 煙氣消白系統(tǒng)運(yùn)行截圖

3.2 運(yùn)行效果及腐蝕情況

運(yùn)行效果及腐蝕情況，如圖5所示。

圖5 改造前后排煙情況對(duì)比圖

設(shè)備投運(yùn)半年后，停爐查看塑料合金換熱器設(shè)備內(nèi)部情況，發(fā)現(xiàn)塑料合金換熱管無(wú)任何積灰、腐蝕、磨損等情況，運(yùn)行良好，如圖6所示。

圖6 塑料合金管投運(yùn)3個(gè)月后實(shí)拍圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)電廠及鋼鐵等相關(guān)行業(yè)的濕法脫硫白色煙羽治理問(wèn)題，關(guān)鍵技術(shù)路線中存在的材料耐腐蝕性及性價(jià)比低的難題，本文提出一種新型塑料合金材料，針對(duì)其性能及耐腐蝕性與氟塑料及其他材料進(jìn)行了對(duì)比分析。

(1)描述了白色煙羽形成及消除機(jī)理，提出當(dāng)前治理白色煙羽技術(shù)路線中亟需解決的問(wèn)題。

(2)分析總結(jié)了塑料合金材料良好的耐腐蝕性、導(dǎo)熱性能等，為其更適合做耐腐蝕的換熱器原件提供了一定的理論依據(jù)。

(3)對(duì)實(shí)際工程中塑料合金在煙氣冷凝器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行效果進(jìn)行了說(shuō)明，相關(guān)性能得以驗(yàn)證。

(4)塑料合金相對(duì)氟塑料及2205或其他不銹鋼來(lái)說(shuō)，性價(jià)比較高，值得推廣應(yīng)用，在燃煤電廠、鋼鐵廠及相關(guān)行業(yè)煙羽治理中應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。