熱管式低溫省煤器在鍋爐節能減排應用

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摘要：采用熱管式低溫省煤器技術降低鍋爐排煙溫度，可達到余熱利用的效果，同時可提高靜電除塵器的除塵效率，實現煙氣達標排放，取得了很好的經濟效益和社會效益。對熱管式低溫省煤器在鍋爐節能減排方面的應用進行了探討。

關鍵詞：低溫省煤器；熱管；節能減排

隨著環境污染和能源緊張問題日益嚴峻，人們在加速開發可再生能源的同時，更加重視傳統工業的節能降耗工作。經濟的發展離不開工業的支持，而工業生產過程排放的污染物又是PM2.5的主要來源，因此，控制和減少工業生產排放就成為控制PM2.5排放和減少霧霾的重要途徑。工業的發展和人類的現代化生活都離不開能源，特別是對電力的需求。而中國的一次能源主要是煤炭，煤炭的燃燒必然會產生大量的污染物，其中包括煙塵及SO2，NOx等化學物質。中國的電力主要靠燃煤的火電機組提供，因此電力行業成為各種污染物排放之首。嚴峻的環境形勢和巨大的社會需求是必須面對的現實。中國的能源結構決定了中國會長期倚重煤炭為社會提供一次能源。簡單的限制使用只為權宜，節能減排、提高能源利用率才是長久之計。燃煤的電力生產需要燃燒大量的煤炭，因而產生各種污染物，但電力又是現代社會不可或缺的優質能源和清潔能源。為了減少分散的燃煤生產、生活方式對環境的污染，人們將會更多地使用電力，因此電力行業既是優質能源的提供者，又是污染的治理者。火力發電廠既是發電企業，也是耗能企業。如何提高火力發電廠的運行經濟性、減少能量損失和污染物排放已成為國內外研究的熱點課題。在火電廠中，鍋爐的排煙余熱問題（即鍋爐排煙溫度高）一直是困擾著人們的一個難題。因為僅鍋爐排煙余熱這一項損失所造成的能源消耗就相當可觀。據統計，在火力發電廠中，鍋爐排煙熱損失占鍋爐熱損失的70%～80%。受熱面污染程度隨鍋爐運行時間加劇，且由于燃燒煤種的變化，實際排煙溫度要比設計溫度高20～30℃。鍋爐的排煙溫度升高，造成了火力發電廠燃煤消耗量增加，同時污染物的排放量也增加了。火電機組一般采用靜電除塵，而靜電除塵器對煙氣溫度有一定的要求。高溫煙氣使飛灰比電阻增高，易形成反電暈，造成除塵效率下降。嚴峻的環境形勢下，國家不斷加大治理環境的力度，其中煙氣含塵質量濃度排放標準提高到30mg/m3，重點地區要達到20mg/m3。減少燃煤量可有效減少污染物的排放，降低煙氣溫度可提高除塵設備效率，這是排放達標的技術保證。在這種背景下，低溫省煤器有關技術應運而生。

1低溫省煤器的功能和作用

有關研究表明，低溫省煤器的應用可有效降低鍋爐排煙溫度。該技術采用在靜電除塵器之前的煙道加裝換熱器的方法吸收煙氣余熱，有效降低鍋爐排煙溫度，達到降低機組能耗的功效。煙氣經該換熱器放出熱量、降溫后進入靜電除塵器；低溫凝結水或熱網回水流經該換熱器吸熱、溫度升高后返回熱力系統。低溫省煤器技術通過降低煙氣溫度，在降低飛灰比電阻及減小煙氣體積流量的共同作用下可明顯提高靜電除塵器效率，具有降低能耗的功能[1]。有關實踐表明，在煙溫140℃的工況下，經低溫省煤器后的煙氣降溫幅度平均可達50℃以上，飛灰比電阻下降明顯。并且在增設低溫省煤器后，粉塵排放質量濃度從約50mg/m3下降到約20mg/m3，降溫冷卻后的煙氣流量可縮減10%，可提高靜電除塵器的功率。低溫省煤器布置于鍋爐的最后一級受熱面（空氣預熱器）后，其傳熱行為對鍋爐一切受熱面的傳熱均不會產生影響，因此既不會降低入爐熱風溫度而影響鍋爐燃燒，也不會使空氣預熱器的傳熱量減少而削弱排煙溫度的降低效果。

2傳統低溫省煤器存在的問題

雖然近些年來已有不少火力發電廠采用了低溫省煤器，但是傳統的低溫省煤器在使用過程中仍存在一些問題，主要表現為：a)為降低進入靜電除塵器煙氣的溫度，需要較大體積的換熱器，這使得一般的換熱形式難以發揮效果。為了解決上述問題，傳統的辦法是在換熱管上焊接翅片或H形鋼片以增加換熱面積，減小設備體積。但由于低溫省煤器安裝于鍋爐尾部煙道，其復雜的結構一方面增加了煙氣流動阻力，另一方面成為增加積灰的因素。積灰是換熱元件的技術難點，其會使換熱元件的換熱效率大大降低，以至不能換熱，且清理難度很大。b)受鍋爐運行負荷和季節變化等因素的影響，煙氣參數處在不斷的變化中，這會對低溫省煤器的運行產生影響。c)低溫省煤器布置于鍋爐尾部煙道，煙氣溫度較低，基本處于酸露點以下，導致低溫省煤器容易發生低溫腐蝕。而且鍋爐排煙溫度會受到鍋爐運行負荷及環境溫度等因素的影響，同時受燃煤中含硫量不斷變化的影響，酸露點會發生變化。高硫煤的使用也使得低溫省煤器難以發揮效能[2]。綜合以上情況，選用合理的換熱形式及采用先進的防腐措施是保證低溫省煤器高效和安全運行的前提。經過多年研究和論證，熱管式低溫省煤器能以其獨特的性能解決傳統低溫省煤器存在的腐蝕、積灰、低溫換熱、運行安全問題。

3熱管式低溫省煤器的節能減排優勢

3.1熱管換熱技術簡介

熱管換熱技術是隨著近些年來對余熱利用的需要應運而生的。熱管由于其通過自身工質液-汽相變傳熱的特點，具有良好的傳熱性能。處于煙道中受熱段內的工質受熱后迅速汽化，攜帶大量潛熱向處于水箱中的放熱段放出熱量后冷凝為液態回流到受熱段并被再次汽化，就這樣余熱被高效回收。由于熱管中的換熱工質處于真空狀態，可在較低的溫度下汽化而產生潛熱，特別適用于低溫環境下的換熱。另外，熱管不需要吸液芯，具有制作簡單、成本低廉的優點。因此，國內余熱回收用的低溫省煤器大多采用熱管形式[3]。熱管換熱原理如圖1所示。

3.2熱管式低溫省煤器的基本構造

熱管式低溫省煤器中包含由若干支獨立的熱管組成的換熱單元。根據所需換熱量，數組換熱單元可進行優化組合。可根據用戶的實際情況和需求對換熱單元采用不同的設計方案。換熱單元主要由上下聯箱、箱板和受熱面蛇形管構成。將4塊鋼板用螺栓螺母緊固并圍成長方體形狀，形成省煤器換熱單元的箱體。熱管式低溫省煤器設備體積小，更適用于場地有限的發電廠改造項目。煙氣和冷凝段冷卻水集箱之間由絕熱段的隔板分隔，煙氣于絕熱隔板下方流通，冷卻水于絕熱隔板上方流通，隔板采用特制的管板結構，以保證整個換熱模塊全密封。冷卻水側每根套管設置套管組件進行獨立隔離，套管與絕熱段隔板互不相通，可實現雙重物理隔離。

3.3熱管式低溫省煤器的技術優勢

與其他形式的低溫省煤器相比，熱管式低溫省煤器能在鍋爐余熱利用領域得到廣泛應用，是因為其具有以下主要優點：a)運行更安全。熱管式低溫省煤器由若干支獨立的熱管組成換熱單元，每支熱管獨立完成換熱工作。與傳統低溫省煤器整組換熱單元比較，可大大降低換熱單元故障的風險，因此有效保證了低溫省煤器整體的安全。同時由于流經熱管式低溫省煤器的冷凝水等換熱水媒介質處于煙道外的水箱中，與煙道隔絕，保障了鍋爐系統的安全運行。b)耐低溫腐蝕。熱管式低溫省煤器由于采用了搪玻璃防腐工藝，具有極佳的抗低溫腐蝕性能。采用靜電噴涂的方式將釉料均勻地涂于低碳鋼換熱元件上，通過850℃的高溫搪燒，使瓷釉密著于金屬鐵胚表面，形成無機材料與碳素鋼的復合材料，使換熱元件既具有碳素鋼的原有傳熱性能和機械強度，又能保證金屬具有類似玻璃的良好耐腐蝕性能，特別是耐低溫酸性物質對金屬的腐蝕，同時可有效解決金屬換熱材料的積灰問題，提高換熱效率。經過搪玻璃防腐工藝處理的熱管不受壁溫影響，可適應機組鍋爐運行負荷及季節的變化，不受燃煤含硫量引起的酸露點變化制約。c)不易積灰。熱管式低溫省煤器的熱管采用了光管結構，盡量簡化了低溫省煤器換熱元件的結構形式，減少了換熱元件積灰的結構因素（熱管高效的低溫換熱能力為低溫省煤器采用光管結構提供了條件，傳統的間壁換熱為了減小低溫省煤器體積需在換熱管上增加各種形式的翅片以提高換熱效率）。熱管式低溫省煤器的熱管垂直于煙道，光滑的表面在合理設計的煙氣流速下可實現不積灰。d)裝置結構簡潔高效，不需要外部配置其他裝置。熱管是通過自身管內工質在受熱和放熱之間相變完成換熱過程，無需外源動力消耗，且無需旋轉裝置，因此該換熱系統沒有漏風的隱患，可避免工作區域環境被二次污染。e)長周期運行更可靠。常規省煤器一般都是間壁換熱，冷熱流體分別在器壁的兩側流過，如果管壁或器壁有泄漏，則將造成停產損失。而熱管式低溫省煤器是二次間壁換熱，即熱流要通過熱管的蒸發段管壁和冷凝段管壁才能傳到冷流體，熱管的蒸發段和冷凝段一般不可能同時被損壞，因此大大增強了設備運行的可靠性[4]。f)優化煙氣溫度控制。在低溫余熱回收或熱交換的過程中，通過適當的熱流變換可調節熱管管壁的溫度到低溫煙氣露點以上。因此搪玻璃熱管式低溫省煤器的控制系統最為簡潔。通過監測搪玻璃熱管式低溫省煤器出口煙氣設定溫度，調整變頻水泵的水量來控制換熱量，從而控制搪玻璃熱管式低溫省煤器出口煙氣溫度，這樣不僅保證進入靜電除塵器的煙氣溫度符合設計溫度，保證除塵器正常工作及安全，還能防止低溫腐蝕，避免煙氣灰塵在管壁上黏結，從而保證了鍋爐的長期運行，并且提高了鍋爐效率。g)現場安裝布置更靈活。由熱管組成的低溫省煤器受熱部分和換熱部分的結構設計和位置布置非常靈活，可適應各種復雜的場合。由于結構緊湊、占地空間小，其特別適用于工程改造及地面空間狹小和設備擁擠的場合，并且大大減少了維修工作量。h)提高電除塵效率。進入靜電除塵器的煙氣溫度降低，降低了飛灰比電阻，煙氣體積流量減小（一般可減小10%以上），兩者均使靜電除塵器的效率提高。

3.4熱管式低溫省煤器的經濟性

熱管式低溫省煤器具有較高的經濟性，主要表現為：a)換熱煙氣中的熱量被進入熱管式換熱器上部水箱的冷凝水或熱網回水吸收，被加熱后的冷凝水或熱網回水通過管道被送入低壓加熱器或直接送入鍋爐。b)置于靜電除塵器前的熱管式低溫省煤器通過換熱將煙氣降溫，使煙氣體積流量減小，同時煙阻也相應降低，因此在該處設置低溫省煤器不會對系統阻力帶來不利影響。c)熱管式低溫省煤器由于采用搪玻璃防腐工藝，不受煙氣溫度變化和燃煤含硫量變化的制約，可大大簡化工藝流程，為設備運行提供便利。

4熱管式低溫省煤器在鍋爐中的應用實例

4.1技術改造目的

山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城電廠為了進一步降低鍋爐排煙溫度以提高除塵效率，同時加大鍋爐余熱回收利用的力度，降低機組運行整體能耗水平，決定充分利用鍋爐本體以外的場地空間，布置熱管式低溫省煤器，并留有足夠的檢修維護空間。

4.2項目基本情況

陽城電廠的鍋爐為東方鍋爐廠DG480/13.7-Ⅱ2型循環流化床鍋爐，超高壓中間一次再熱，單汽包自然循環，單爐膛單布風板平衡通風，固態排渣，露天布置。鍋爐主要由爐膛、高溫汽冷旋風分離器、自平衡“J”閥雙路回料器和尾部對流煙道組成。熱管式低溫省煤器布置在空氣預熱器至靜電除塵器入口的豎直煙道內。熱管式低溫省煤器的換熱管采用鉛垂、順列布置，水側逆流進入換熱器本體，熱管采用SiO2復合搪瓷材料噴涂光管形式。布置換熱面積相同的2層換熱器，每層4組管束，換熱器整體傾斜20°。省煤器內冷卻水采用集箱逆流串聯形式，煙道內熱管采用錯列結構。4.3技術方案熱管式低溫省煤器系統的管內冷卻水與主凝結水為并聯布置。其進水取自冷渣器出水，水溫60℃，流量120t/h，經Φ159mm×6mm管（材質為20號鋼）進入低溫省煤器，經過與煙氣換熱，水溫升至95.5℃，經回水管返回5號低壓加熱器入口。Φ159mm×6mm回水管上裝有變頻泵（型號為150-350）調整水量，以滿足出口排煙溫度要求。熱管式低溫省煤器布置在空氣預熱器與靜電除塵器之間的煙道內（見圖2），采用鋼結構支撐。一般150MW機組進入靜電除塵器之前有2個煙道，因此熱管式低溫省煤器設計為6臺，每個煙道內并聯布置3臺。熱管式低溫省煤器可將煙氣溫度從140℃降到110℃，煙氣飛灰比電阻降低，最大限度地提高除塵效率，又可以保證除塵設備安全運行。為了盡可能降低煙氣中飛灰對低溫省煤器換熱管的磨損，保證省煤器的使用壽命，在低溫省煤器入口前設置可更換防磨管排，避免飛灰對換熱管正面的沖刷磨損。此外，將以SiO2為主要成分的釉料涂搪在金屬表面，經過高溫燒制形成了特殊的復合材料，可防止熱管式低溫省煤器換熱管發生低溫腐蝕。熱管式低溫省煤器實現了介質、煙氣的逆向流動，大大提升了低溫省煤器的換熱效果，減小了換熱面積，而且可使排煙溫度的降低不受介質出口水溫限制，最大限度地降低了排煙溫度。另外，經過熱管式低溫省煤器加熱后的冷凝水被送回低壓加熱器管路系統，減少了低壓加熱器的用氣量和汽輪機的抽氣量，達到節能的目的。

5結語

陽城電廠150MW機組通過在鍋爐尾部加裝熱管式低溫省煤器，有效利用了鍋爐余熱，減少了煙氣排放，提高了機組的整體經濟性。排煙溫度從140℃降至110℃，TRL（TechnologyReadinessLevel，機組銘牌額定功率）工況下可降低發電標準煤耗率2.4g/(kW·h)，年利用時間按6000h計算，年節約2160噸標準煤，年節約燃料費1.73×106元。由于企業每節約1噸標準煤政府給予200～250元的政策補貼，節約2160噸標準煤，可獲得政府補貼約4.86×105元（按每噸標準煤225元補貼計算），因此該項目取得了良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

［1］紀紹斌，李生生.熱管技術的應用與發展［J］.山西建筑，2005，31(13)：140-141.

［2］謝慶亮，袁素華，王正陽，等.燃煤電廠低溫省煤器應用現狀與改進［J］.節能與環保，2020(12)：44-45.

［3］李瓊，張穎，安國銀，等.電站鍋爐煙氣余熱回收利用裝置的試驗分析及研究［J］.電站系統工程，2016，32(2)：34-36．

［4］毛雙華，多文明，姜國強，等.氟塑料低溫省煤器在熱電廠煙氣余熱回收中的應用［J］.化工生產與技術，2015，21(5)：50-52.

作者:劉煒 單位:山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城電廠