氟塑料換熱器技術(shù)在燃煤電廠的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析

田　鑫，胡　清，孫少鵬，寧玉琴，朱文中

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.杭州華電能源工程有限公司，浙江杭州310030）

氟塑料換熱器技術(shù)在燃煤電廠的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析

田鑫1，2，胡清1，2，孫少鵬1，2，寧玉琴1，2，朱文中1，2

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.杭州華電能源工程有限公司，浙江杭州310030）

文章從燃煤火力發(fā)電廠的煙氣余熱回收及低低溫?zé)煔馓幚沓霭l(fā)，指出氟塑料換熱器相比于金屬換熱器具有耐腐蝕、傳熱系數(shù)大、重量輕等特點(diǎn)，闡述了氟塑料換熱器技術(shù)的特點(diǎn)及其在燃煤機(jī)組中的應(yīng)用現(xiàn)狀，包含：煙氣余熱深度回收系統(tǒng)、氟塑料MGGH系統(tǒng)、煙氣中水回收系統(tǒng)、氟塑料管式GGH系統(tǒng)，對(duì)其各自的特點(diǎn)展開介紹，并對(duì)氟塑料換熱器技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望分析。

低低溫?zé)煔馓幚恚环芰蠐Q熱器；耐腐蝕；煙氣余熱深度回收；管式GGH

0　引言

對(duì)燃煤電站鍋爐而言，排煙熱損失是鍋爐效率的重要影響因素[1]。研究結(jié)果表明：鍋爐排煙溫度每上升20℃，鍋爐效率約降低1%，機(jī)組標(biāo)煤耗將上升3g/（kWh）[2]。因此國內(nèi)很多電廠都投運(yùn)了低溫省煤器系統(tǒng)，以回收排煙余熱，降低機(jī)組的標(biāo)煤耗，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。但由于國內(nèi)燃煤電站的煤質(zhì)很差，含硫量較高且煤質(zhì)多變，低溫省煤器易出現(xiàn)金屬換熱器的低溫酸腐蝕問題，嚴(yán)重危害到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行；若要避免金屬換熱器的低溫酸腐蝕問題，則無法有效地實(shí)現(xiàn)鍋爐尾部煙氣余熱的回收利用。

另一方面，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)因其脫硫效率高、對(duì)煤種適應(yīng)性好、工藝成熟、負(fù)荷范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為我國燃煤電站應(yīng)用最廣泛的脫硫工藝系統(tǒng)。但該系統(tǒng)在投運(yùn)后，吸收塔出口凈煙氣溫度很低，煙氣對(duì)下游煙道設(shè)備及煙囪的腐蝕嚴(yán)重，且“白煙囪”問題嚴(yán)重。因此，為提升吸收塔出口凈煙氣溫度，緩解下游設(shè)備腐蝕問題，改善“白煙囪”問題，必須投入凈煙氣再熱器以加熱吸收塔出口凈煙氣溫度，此時(shí)，金屬換熱器也不可避免的會(huì)出現(xiàn)低溫酸腐蝕問題。

在使用金屬換熱器受到低溫酸腐蝕問題限制的情況下，氟塑料換熱器以其超強(qiáng)的耐腐蝕能力、傳熱系數(shù)大、換熱器使用壽命長、相同負(fù)荷下?lián)Q熱器重量輕等特點(diǎn)，近年來受到廣泛關(guān)注[3～20]。文章介紹了氟塑料換熱器技術(shù)的特點(diǎn)及其在燃煤電站鍋爐中的應(yīng)用現(xiàn)狀，包含：煙氣余熱深度回收系統(tǒng)、氟塑料MGGH系統(tǒng)、煙氣中水回收系統(tǒng)、氟塑料管式GGH系統(tǒng)，闡述了各應(yīng)用現(xiàn)狀的技術(shù)原理及特點(diǎn)，展望分析了各種路線的應(yīng)用前景。

1　氟塑料換熱器技術(shù)

目前，用于氟塑料換熱器的材料主要有聚四氟乙烯（PTFE），四氟乙烯與全氟代烷基乙烯基醚共聚物（PFA）和聚全氟代乙丙烯（FEP）[3]。

與金屬換熱器相比，氟塑料換熱器具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)[4]：

（1）傳熱面積與體積比高，比金屬換熱器高出一到幾個(gè)數(shù)量級(jí)。且氟塑料換熱管的密度很小，僅為2.15× 103kg/m3，約為金屬換熱管的27%。因此，在相同的換熱面積要求下，氟塑料換熱器的重量遠(yuǎn)小于金屬換熱器。

（2）耐腐蝕性強(qiáng)，適用于各種強(qiáng)酸、強(qiáng)堿類強(qiáng)腐蝕條件。作為煙氣換熱器使用時(shí)，不存在換熱器的低溫酸腐蝕問題。

（3）氟塑料管摩擦系數(shù)小，流動(dòng)阻力小，不易發(fā)生堵塞。

（4）氟塑料換熱器可在250℃以下的環(huán)境內(nèi)長期使用，使用壽命在15年以上。且氟塑料換熱器為模塊式安裝，安裝檢修方便。

（5）氟塑料換熱器的傳熱系數(shù)大，可達(dá)到120～220W/m2·K，可達(dá)到金屬換熱器的2倍。

2　煙氣余熱深度回收系統(tǒng)

圖1　煙氣余熱深度回收系統(tǒng)

煙氣余熱深度回收系統(tǒng)的原理如圖1所示。該系統(tǒng)是在除塵器與吸收塔之間設(shè)置一級(jí)氟塑料換熱器，以進(jìn)一步吸收煙氣余熱，降低進(jìn)入吸收塔的煙氣溫度。具體工作時(shí)，通過氟塑料換熱器內(nèi)的熱媒介質(zhì)與煙氣進(jìn)行熱交換，使除塵器出口煙氣溫度由110～120℃降低至80～90℃，甚至更低溫度后再進(jìn)入吸收塔；回收的煙氣余熱則通過二次換熱，將煙氣余熱轉(zhuǎn)移至機(jī)組的低加凝結(jié)水系統(tǒng)、熱網(wǎng)水系統(tǒng)或者空預(yù)器進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)。

煙氣余熱深度回收系統(tǒng)采用氟塑料換熱器，完全避免了金屬換熱器存在的積灰以及低溫酸腐蝕問題。其次，將煙氣溫度降低至80～90℃甚至更低，可實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的深度回收利用，節(jié)能潛力巨大。此外，隨著吸收塔入口煙氣溫度的降低，脫硫系統(tǒng)的減溫水補(bǔ)水量減少，節(jié)水效益顯著。但由于氟塑料換熱管的承壓性能較差，必須為其設(shè)置二次換熱回路，將氟塑料換熱器串聯(lián)入閉式循環(huán)系統(tǒng)，或配備減壓裝置、循環(huán)水泵等設(shè)備，保證氟塑料換熱器的運(yùn)行壓力在允許范圍內(nèi)。

3　氟塑料MGGH系統(tǒng)

氟塑料MGGH系統(tǒng)，該系統(tǒng)由第一級(jí)熱回收器與第二級(jí)再熱器組成。其中，第一級(jí)熱回收器布置在電除塵器后、吸收塔前的煙道上，布置在吸收塔與煙囪之間的煙道上。第一級(jí)換熱器可全部或部分采用氟塑料換熱管材質(zhì)，第二級(jí)換熱器則全部為氟塑料換熱器。通過熱媒水的閉式循環(huán)，第一級(jí)熱回收器將除塵器出口煙氣溫度從120～130℃降到90℃甚至更低，再進(jìn)入吸收塔系統(tǒng)；第二級(jí)再熱器則利用第一級(jí)熱回收器回收的熱量將吸收塔出口的凈煙氣溫度升高至75～80℃，再進(jìn)入煙囪排放。

氟塑料MGGH系統(tǒng)采用氟塑料換熱器作為煙氣換熱器，換熱器不存在的積灰以及低溫酸腐蝕問題。其次，將吸收塔入口煙氣溫度降低至90℃甚至更低，可有效減少脫硫系統(tǒng)的減溫水補(bǔ)水量，節(jié)水效益顯著。此外，利用吸收塔入口煙氣熱量加熱凈煙氣，可緩解下游設(shè)備腐蝕問題，改善“白煙囪”問題；同時(shí)，可排擠原蒸汽加熱方式的凈煙氣再熱器的汽機(jī)抽汽，增加汽輪機(jī)的做功量，提高機(jī)組效率。但該系統(tǒng)中氟塑料換熱器的使用同樣受到承壓能力問題的限制。

圖2　氟塑料MGGH系統(tǒng)

4　煙氣中水回收系統(tǒng)

煙氣余熱深度回收系統(tǒng)的原理如圖3所示。該系統(tǒng)是在吸收塔后設(shè)置一級(jí)氟塑料換熱器，降低吸收塔后的煙氣溫度至水露點(diǎn)以下，使煙氣中的水蒸氣冷凝成水，并對(duì)冷凝液進(jìn)行回收利用。具體工作時(shí)，通過氟塑料換熱器內(nèi)的熱媒介質(zhì)與吸收塔出口凈煙氣進(jìn)行熱交換，使煙氣溫度由50～60℃降低10℃左右，降低至水露點(diǎn)溫度以下，煙氣中的濕飽和水蒸氣則冷凝成水，該部分冷凝水在回收處理后可用作脫硫系統(tǒng)減溫水補(bǔ)水，也可在經(jīng)過精處理后用作鍋爐除鹽水。

圖3　煙氣中水回收系統(tǒng)

煙氣中水回收系統(tǒng)采可回收煙氣中的水分及潛熱，該部分水在經(jīng)過處理后可回收利用，節(jié)水及余熱回收潛力巨大，對(duì)于我國北方缺水地區(qū)新建機(jī)組尤其是燃用褐煤機(jī)組解決缺水問題這一困局具有重大意義。試驗(yàn)研究表明[20]，對(duì)于1臺(tái)600MW機(jī)組，將脫硫塔出口50～55℃的飽和濕煙氣溫度降低10℃，每小時(shí)可回收冷凝液90t，回收熱量200GJ以上。此外，隨著煙氣中水分的冷凝，吸收塔出口凈煙氣中的粉塵微細(xì)顆粒、重金屬等也被捕集，是實(shí)現(xiàn)燃煤火力發(fā)電機(jī)組近零排放的重要途徑。

但由于脫硫塔后凈煙氣溫度以及較低，而機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)的凝結(jié)水溫度較高，若仍使用凝結(jié)水為熱媒水，則存在傳熱溫差不足的問題，因此必須另外選擇合適的熱媒水。且由于冷凝液成分復(fù)雜，冷凝液的后續(xù)處理難度較大。

5　氟塑料管式GGH系統(tǒng)

氟塑料管式GGH系統(tǒng)如圖4所示。該系統(tǒng)是在吸收塔出口煙道上設(shè)置一級(jí)管殼式換熱器，并將吸收塔前原煙氣煙道連接至換熱器的管側(cè)。該管殼式換熱管材質(zhì)為氟塑料換熱管，且換熱器的殼體及支撐等部件均由氟塑料材質(zhì)包覆。具體運(yùn)行時(shí)，未經(jīng)脫硫的原煙氣流經(jīng)管殼式換熱器的管程，加熱殼側(cè)的吸收塔出口凈煙氣后，進(jìn)入脫硫系統(tǒng)進(jìn)行脫硫，而吸收塔出口凈煙氣則在吸收原煙氣熱量后，升溫至排放標(biāo)準(zhǔn)后經(jīng)煙囪排入大氣。

圖4　管式GGH系統(tǒng)

氟塑料管式GGH系統(tǒng)僅增加一套管式GGH設(shè)備，系統(tǒng)新增的阻力較小，除引風(fēng)機(jī)外不會(huì)對(duì)其他設(shè)備帶來任何影響，因此該系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行帶來的影響較小；此外，氟塑料換熱管材質(zhì)在凈煙氣的運(yùn)行環(huán)境中，不會(huì)出現(xiàn)磨損以及泄漏等問題。但為減小系統(tǒng)的煙氣側(cè)阻力，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須選擇較大管徑的氟塑料換熱管，因此氟塑料管式GGH的換熱器體積較大，占地面積較大，其安裝空間受電廠實(shí)際條件的限制。

6　結(jié)語

從燃煤火力發(fā)電廠的煙氣余熱深度回收及低低溫?zé)煔馓幚沓霭l(fā)，闡述了氟塑料換熱器在燃煤火力發(fā)電廠應(yīng)用現(xiàn)狀，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)北方新建機(jī)組存在富煤缺水的現(xiàn)狀問題，煙氣余熱深度回收技術(shù)和煙氣中水回收技術(shù)具有重大意義。二者節(jié)水效益顯著、煙氣余熱回收潛力巨大，且不存在換熱器的低溫酸腐蝕問題；煙氣中水回收系統(tǒng)還可有效去除煙氣中的微細(xì)粉塵、重金屬等，是實(shí)現(xiàn)燃煤電廠近零排放的重要途徑之一；

（2）氟塑料MGGH系統(tǒng)和管式GGH系統(tǒng)可替代現(xiàn)階段金屬材質(zhì)的MGGH系統(tǒng)，在確保換熱器不發(fā)生低溫酸腐蝕問題的前提下，有效提升脫硫塔后凈煙氣溫度，改善“白煙囪”問題；且系統(tǒng)增加的阻力較小，不會(huì)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行帶來較大影響。

氟塑料換熱器技術(shù)具有超強(qiáng)的耐腐蝕能力、傳熱系數(shù)大、換熱器使用壽命長、相同負(fù)荷下?lián)Q熱器重量輕等特點(diǎn)，可適用于強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的運(yùn)行環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，其在火力發(fā)電廠的煙氣余熱回收及煙氣處理等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，氟塑料換熱器技術(shù)必將在“十三五”國家煤電節(jié)能升級(jí)減排改造計(jì)劃行動(dòng)中得到更廣泛的應(yīng)用。

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Applicating Situation and Prospect Analysis of the Technology about Fluorine Plastic Heat Exchanger in the Coal-fired Units

TIAN Xin1，2，HU Qing1，2，SUN Shao-peng1，2，NING Yu-qin1，2，ZHU Wen-zhong1，2
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Hangzhou Huadian Energy Engineering Institute，Hangzhou 310030，China）

From the field of flue gas heat recovery and low temperature treatment for flue gas in the coal-fired units. This article pointed out that，comparing with the metal heat exchanger，the fluorine plastic heat exchanger have these characteristics，such as strong corrosion resistance，high coefficient of heat transfer，light weight.And the characteristics of fluorine plastic heat exchanger and its applicating situation in the coal fired units were elaborated，including：the deeply flue gas heat recovery system，media gas-gas heat exchanger system based on the fluorine plastic heat exchanger，the system of water recovery from the flue gas，the gas-gas heat exchanger system of fluorine plastic tube，the features of these routes were introduced，.In addition，the application prospect of the fluorine plastic heat exchanger was analysised.

low temperature flue gas treatment；fluorine plastic heat exchanger；corrosion resistance；deeply flue gas heat recovery；gas-gas heat exchanger system of fluorine plastic tube

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.004

TQ051.5

B

2095-3429（2015）05-0015-04

田鑫（1979-），男，內(nèi)蒙古包頭人，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：動(dòng)力工程及工程熱物理專業(yè)。

2015-09-02

2015-10-08