文_鐘志良 福建龍凈環(huán)保股份有限公司

鈦及鈦合金具有熔點(diǎn)高、強(qiáng)度高、密度比高、韌性好等特點(diǎn)，綜合性能比碳鋼和常規(guī)不銹鋼強(qiáng)。鈦在空氣或含氧介質(zhì)中親和力大，易于在表面生成一層致密、附著力強(qiáng)、惰性大的氧化膜，在氯化物、硫化物等苛刻的腐蝕介質(zhì)環(huán)境中，都表現(xiàn)出良好的耐蝕性。在腐蝕性環(huán)境中使用鈦材，可以延長設(shè)備的使用壽命、減少維護(hù)成本、防止腐蝕產(chǎn)生的二次污染。因此，對于具有較強(qiáng)腐蝕性的燃煤鍋爐濕法脫硫后濕煙氣，其處理裝置可以采用鈦材這種防腐材料。

高俊峰等對TA2鈦管與爆炸復(fù)合板S30408Ⅲ+TA1管板采用輕脹對中+強(qiáng)度焊+貼脹，管束和管板焊接采用手工鎢極氬弧焊、兩道焊的工藝進(jìn)行連接試驗(yàn)，結(jié)果表明連接質(zhì)量合格；王旭等對應(yīng)用在石化行業(yè)海水冷卻器中的鈦管進(jìn)行了分析，闡明了鈦管在防腐方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性；紀(jì)騰飛等對鈦材在海水淡化領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用進(jìn)行了分析，并提出了建議。在煙氣深度冷凝除濕技術(shù)應(yīng)用中，面對濕法脫硫后強(qiáng)腐蝕性的復(fù)雜環(huán)境，冷凝換熱器材質(zhì)的選擇成為關(guān)鍵，環(huán)保工作者將目光投向了鈦管。

1 鈦管表面濕煙氣冷凝過程與計算

一般來說，冷凝換熱是一種高效換熱過程，例如水蒸氣膜狀凝結(jié)時換熱系數(shù)大致有5000～15000W/m2·℃。但當(dāng)含有不凝性氣體時，即使含量極微也會對換熱產(chǎn)生重大影響，例如，水蒸氣中質(zhì)量含量占1%的空氣能使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低60%。而常規(guī)燃煤電廠濕法脫硫后濕煙氣中的不凝性氣體份額超過80%。含不凝性氣體濕煙氣在管壁表面冷凝放熱過程詳見圖1。

圖1 含不凝性氣體濕煙氣在管壁表面冷凝放熱過程示意圖

如圖1所示，燃煤電廠濕法脫硫后凈煙氣達(dá)到近濕飽和狀態(tài)，此時管內(nèi)流動著低溫循環(huán)冷卻水的鈦管外壁面溫度低于煙氣溫度，即低于煙氣的飽和溫度。煙氣中氣相的水蒸氣分壓和液膜溫度對應(yīng)的飽和蒸汽壓力之間的壓差驅(qū)動著水蒸氣向換熱器管壁擴(kuò)散。在換熱開始階段，煙氣中的水蒸氣在鈦管的冷凝作用下凝結(jié)，凝結(jié)液附著在鈦管外表面，由于此時凝結(jié)液量比較小，凝結(jié)液在鈦管表面呈現(xiàn)出珠狀凝結(jié)狀態(tài)。獨(dú)立的珠狀凝結(jié)液在表面張力的作用下吸附在鈦管表面，隨著換熱過程的持續(xù)，鈦管表面的珠狀凝結(jié)液聚集，重力作用開始大于珠狀凝結(jié)液與鈦管表面的張力，凝結(jié)液在鈦管表面以連續(xù)的液膜狀態(tài)存在。同時煙氣流過液膜表面所產(chǎn)生的力，促使液膜以疏散變薄，總凝結(jié)傳熱系數(shù)相應(yīng)增加。鈦管表面進(jìn)行對流、冷凝相變等過程所釋放的熱量被鈦管管側(cè)的冷卻水所帶走，煙氣溫度降低，同時冷凝過程使得煙氣的含濕量減少，煙囪出口的白煙現(xiàn)象得到緩解。

對于管壁表面的冷凝換熱計算，有研究者分別研究了不同工況下豎直光管管外含空氣蒸汽冷凝特性的計算模型，具有一定參考價值。但在工程上一般需要通過簡化模型的方式對冷凝過程進(jìn)行熱力計算，以便進(jìn)行快速的結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文具體通過熱阻分解的方式計算換熱系數(shù)K0，進(jìn)而根據(jù)總傳熱量獲得換熱面積。即整個傳熱過程熱阻包括煙氣側(cè)熱阻，表面液膜熱阻，管壁熱阻和管內(nèi)水側(cè)熱阻。其中煙氣側(cè)熱阻需要考慮冷凝放熱大幅增加換熱能力的影響，本文利用析濕系數(shù)來綜合考慮冷凝過程及不凝性氣體擴(kuò)散過程。

式中α1，α2-煙氣側(cè)，水側(cè)的對流換熱系數(shù)， W/m·℃；

Rf-液膜熱阻，按層流狀態(tài)計算，m2·℃/W；

Rw-管壁熱阻，m2·℃/W；2

C-考慮煙氣冷凝過程對換熱影響的析濕系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)獲得關(guān)聯(lián)式。

2 鈦管冷凝除濕方案

2.1 冷凝除濕工藝

以天津地區(qū)某項(xiàng)目（420t/h燃煤鍋爐）為例，在濕法脫硫出口煙道設(shè)置冷凝器（圖2），利用機(jī)組低溫循環(huán)水進(jìn)入冷凝器內(nèi)換熱，降低濕法脫硫后出口煙溫，加熱后的機(jī)組循環(huán)水返回至原回水母管，通過冷凝器實(shí)現(xiàn)脫硫出口煙溫從50℃降至48℃（非采暖季）/45℃（采暖季）。煙氣冷凝后會增加局部區(qū)域內(nèi)的霧滴濃度，冷凝后的霧滴部分會被煙氣帶走，因此在冷凝器后配套設(shè)置煙道除霧器深度去除冷凝霧滴。此項(xiàng)目中還增設(shè)有MGGH系統(tǒng)用于加熱除濕后煙氣，因本文主要分析鈦管冷凝器的應(yīng)用，故不贅述。

圖2 冷凝+MGGH消白工藝系統(tǒng)圖

2.2 鈦管冷凝器結(jié)構(gòu)

由于鈦材熔點(diǎn)高、熱容大、導(dǎo)熱差、化學(xué)活性高、焊接性能較差，安裝工藝和焊接質(zhì)量對其防腐質(zhì)量有重要影響。針對鈦材存在的問題，采取了以下創(chuàng)新措施（圖3）：

圖3 鈦管冷凝器結(jié)構(gòu)示意圖

①針對鈦材導(dǎo)熱性差、煙氣不凝氣體對換熱影響大等問題，冷凝器鈦管選用小直徑薄壁管（Φ25），且采用錯列布置結(jié)構(gòu)，以提高冷凝器的換熱效率。

②針對鈦管焊接性能差的問題，鈦管與2205管板之間采用“脹接+耐腐蝕O型圈”的密封結(jié)構(gòu)。一方面，管板采用2205的材質(zhì)即可滿足使用要求，能進(jìn)一步降低成本；另一方面，采用脹接工藝，大大減少了制造工作量，便于鈦管的檢修更換，降低維護(hù)費(fèi)用。經(jīng)水壓試驗(yàn)、振動試驗(yàn)證明，“脹接+耐腐蝕O型圈”的密封結(jié)構(gòu)工藝其可靠性強(qiáng)、不易漏水，非常適用于鈦管換熱器的低壓使用場合。

③為了便于鈦管的檢修更換，鈦管換熱器兩端的集水箱采用法蘭結(jié)構(gòu)和管板密封，其中，為解決法蘭平墊片密封性差的問題，采用了O型圈的密封結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)經(jīng)車間水壓試驗(yàn)證明，其密封性能比平墊片結(jié)構(gòu)優(yōu)越。

④采用非金屬材料作為中托板材料，具有密度小、耐腐蝕、費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步降低換熱器造價。同時中托板起到了及時排液的作用，有效控制了鈦管表面液膜厚度，提高換熱器換熱效率。

⑤參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB151-2014計算卡門渦流、穩(wěn)流抖振和臨界橫流速是否會引起振動，確定最大無支撐跨距，控制隔板之間的距離，并在換熱器中合理設(shè)置防振隔板，避免共振對鈦管造成破壞，保證換熱器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 冷凝水處理

由于循環(huán)冷卻水與煙氣不接觸，冷凝水質(zhì)只受煙氣的影響。對于目前能夠?qū)崿F(xiàn)超低排放的燃煤機(jī)組，其濕法脫硫出口的粉塵含量一般低于10mg/Nm3，溶解固體濃度也只有100～200mg/L。但由于脫硫出口煙氣中含有一定量的SO2、SO3、NO2、HCl、HF等酸性氣體，因此其冷凝水呈酸性（pH=3～4）。

采用鈦管冷凝技術(shù)回收的水經(jīng)過加堿性藥劑中和以后，冷凝水的再利用如圖4所示。通過冷凝水重復(fù)利用可降低廢水處理量，減少一次性投資成本，并起到機(jī)組節(jié)水的效果。

圖4 冷凝水處理再利用示意圖

3 應(yīng)用效果分析

鈦管冷凝器自2019年10月份投運(yùn)后，設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行，煙氣冷凝除濕效果顯著，煙囪出口白煙消除效果良好。為掌握改造后設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，對鈦管煙氣冷凝裝置相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測試（圖5）。鈦管煙氣冷凝器進(jìn)口測試位置布置在冷凝器前的水平煙道上，布置6個測孔；出口測試位置布置在冷凝器出口水平煙道上，在煙道頂部布置6個測孔。

圖5 鈦管冷凝器進(jìn)出口溫度分布

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷約為400t/h時，鈦管冷凝器煙氣側(cè)運(yùn)行參數(shù)如表1。從表中可知：實(shí)測鈦管冷凝器進(jìn)口煙氣流量為638550m3/h，進(jìn)出口測試斷面之間的壓差為278.1Pa，降溫幅度為4.1℃。其中鈦管冷凝器進(jìn)出口的水平煙道上的溫度場如圖5。測試結(jié)果表明鈦管冷凝器煙氣降溫至43.6℃，比原設(shè)計值45℃（采暖季）低1.4℃，有效降低煙氣含濕量，緩解煙囪出口白煙問題；同時鈦管冷凝器煙氣阻力比設(shè)計值（300Pa）小22Pa，符合預(yù)期。從煙氣中冷凝下來水量可達(dá)12.5t/h，冷凝水經(jīng)過加藥處理后可重復(fù)利用，達(dá)到一定的節(jié)水效果。

表1 冷凝器煙氣側(cè)運(yùn)行參數(shù)

脫硫后近飽和濕煙氣進(jìn)入鈦管冷凝器后，溫度下降，煙氣中的水蒸氣凝結(jié)，同時伴隨著顆粒、液滴間碰撞聚并，液滴尺寸變大。水蒸氣在鈦管外壁凝結(jié)形成水膜，細(xì)顆粒物在湍流或熱運(yùn)動的驅(qū)動下向鈦管冷凝器壁面運(yùn)動，最終被捕集；鈦管上冷凝液在中托板的排液作用下，形成局部“降雨”效應(yīng)，也起到捕集細(xì)顆粒及細(xì)小液滴的作用。該過程為細(xì)顆粒碰撞聚并過程，主要機(jī)制為布朗團(tuán)聚、湍流團(tuán)聚等。

為了驗(yàn)證鈦管冷凝器協(xié)同脫除污染物的能力，測定了鈦管冷凝器進(jìn)出口顆粒物、SO2、NOx濃度進(jìn)行比較，由表2可知，現(xiàn)場運(yùn)行工況鈦管冷凝器顆粒物脫除效率為31.579%，SO2脫除效率為22.5%，SO3脫除率為43.9%，NOx脫除效率為13.407%。

表2 鈦管冷凝器協(xié)同脫除污染物效果

4 結(jié)語

①鈦管冷凝器能夠適應(yīng)濕法脫硫后煙道復(fù)雜工況，滿足防腐、防震等要求。②鈦管冷凝器在400t/h負(fù)荷下，降溫幅度為4.1℃，最終煙溫低于設(shè)計值1.4℃，降低煙氣含濕量效果顯著，緩解了煙囪出口白煙現(xiàn)象。③鈦管冷凝器運(yùn)行阻力為278.1Pa，小于設(shè)計值22Pa。④鈦管冷凝器在協(xié)同脫除煙氣污染物方面表現(xiàn)良好，顆粒物脫除率為31.579%，SO2脫除率為22.5%，SO3脫除率為43.9%，NOx脫除率為13.407%。