分離式相變省煤器在電廠抗低溫腐蝕中的應用

虞 斌，付 杰，孫海彤，涂善東，孫 維,秦敬虎

(1.南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816; 2.華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237; 3.南京加諾能源設備有限公司，江蘇 南京 210037)

分離式相變省煤器在電廠抗低溫腐蝕中的應用

虞 斌1，付 杰1，孫海彤1，涂善東2，孫 維3,秦敬虎3

(1.南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816; 2.華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237; 3.南京加諾能源設備有限公司，江蘇 南京 210037)

針對高含硫煙氣降溫對換熱設備造成的低溫腐蝕難題，根據熱管的“相變段”壁溫可控可調的特性，分析了壁面低溫腐蝕的原因與分離式相變省煤器應用的可行性，并成功應用在某熱電廠2×660 MW機組空預器和除塵器間的煙氣余熱回收系統，得出了相變省煤器系統的熱力參數，也提供了系統的安裝措施。通過調控管壁溫高于酸露點來有效避開了低溫腐蝕，同時提高了除塵器效率，降低了排煙溫度，減少了脫硫的水耗，更大幅度地節約標煤和減少了CO2與SO2的排放量。設備安裝，解列檢修靈活，為熱電廠深度超低排放余熱回收系統提供了工程借鑒。

分離式相變省煤器；壁溫；酸露點；低溫腐蝕；節能；超低排放

0 引言

隨著我國超低排放工作的推進，中低溫區余熱回收帶來的設備腐蝕難題愈發凸顯，盡管針對鍋爐設備的抗低溫腐蝕的理論方面已開展許多研究，而對熱電廠中低溫段余熱回收設備抗腐蝕的設計研究相對較少。針對此問題，本文根據熱管“相變段”壁溫的可控可調的特性，將分離式相變省煤器應用于某熱電廠高含硫煙氣余熱回收系統。

1 分離式相變省煤器的理論分析

在某熱電廠2×660 MW超臨界機組煙氣余熱利用的改造工程中，脫硫前工藝設計需要大幅降低煙溫，因此在空氣預熱器(空預器)出口到除塵器進口之間安裝分離式相變省煤器，既避免了高含硫煙氣的露點腐蝕，同時又達到了國家超低排放的要求。新標準要求重點地區灰塵含量小于20 mg/m3,二氧化硫含量小于50 mg/m3[1]。

1.1 煤的硫含量高

該熱電廠的動力煤成分如表1所示。

表1 煤質及灰成分表

表中動力煤灰分參照標準[2]，屬中高灰分煤；

(1)

式中：Std折算為折算后的干燥基全硫，%;Qgr.d實測為實測干燥基高位發熱量，MJ/kg;St,d實測為實測的干燥基全硫，%。硫分分級時，按動力煤的發熱量進行折算，規定基準發熱量值為24 MJ/kg，干燥基全硫按式(1)進行折算后，屬高含硫煤(HS)。

1.2 煙氣酸露點公式選取及估算

酸露點與煙氣中硫含量、全水分含量、灰分量及低位發熱量等因素關聯，經驗公式有較多文獻涉及，考慮低溫腐蝕的主要因素是硫、灰分和全水分，采用前蘇聯《鍋爐機組熱力計算標準方法》(1973版)煙氣露點溫度計算如式(2)～(3)，且計算的酸露點在誤差允許的范圍內與實際測量值吻合[3]。

Tsl=-1.210 2+8.406×VH2O-0.474 9×

(2)

(3)

李鈞博士考慮了自脫硫效應,把Sar,zs修正為KSar,net(其中K為煙氣中SO2排放系數，即煙氣中SO2實際排放量占按可燃硫全部生成SO2總量的百分比)，結果更加精確[4]。通過修正，K取0.85，計算煙氣的露點溫度為115.9℃。

1.3 低溫腐蝕原理

因動力煤中的硫，在燃燒過程中生成硫氧化物，并與水蒸汽反應成為H2SO4蒸汽。當鍋爐尾部的金屬壁面溫度低于煙氣的酸露點，會在其表面不斷地液化結露并生成許多淺黃色FeSO4·H2O的現象，稱為低溫腐蝕[5]。低溫腐蝕屬于一種全面性腐蝕，它使金屬壁面漸漸變薄最終破壞，此為腐蝕內層；同時液態酸還會與煙氣中飛灰耦合，反應生成酸鹽，此為腐蝕外層，是腐蝕最嚴重的一種工況[6]。

工藝上一般采用低溫省煤器或相變省煤器。傳統的低溫省煤器系統通過提高排煙溫度，以犧牲余熱的代價來減緩腐蝕，同時也增加了脫硫中的水耗量[7-8]。當然，若壁溫低于酸露點較大時，即使排煙溫度再高，仍腐蝕嚴重。為了預防煙氣換熱器壁面的腐蝕，采用了分離式相變省煤器系統。該系統是以管壁溫作為第一設計要素[9]，通過控制壁溫高于煙氣的酸露點來實現的。

1.4 分離式相變省煤器的工作原理

分離式相變省煤器在分離式熱管的基礎上提出了“相變段”，如圖1所示，中間的煙氣換熱器、上升(下降)管和汽水換熱器三部分組成了分離式相變省煤器系統。煙氣通過煙氣換熱器的雙H型翅片管加熱管內工質水，使其汽化后進入到蒸汽集箱，在壓差作用下沿著上升管進入汽水換熱器的殼程，釋放汽化潛熱來加熱汽水換熱器管程內的凝結水，自身冷凝為液態水，并在重力作用沿下降管回到煙氣換熱器，內循環工質水因為反復循環相變，完成煙氣與凝結水的高效率的熱量交換。要求汽水換熱器必須高于煙氣換熱器，液體下降管與蒸汽上升管之間會形成一定的密度差,其所能提供的壓頭與汽水換熱器和煙氣換熱器的高度差密切相關，用以平衡蒸汽流動和液體流動的壓力損失，維系著自然循環系統的正常運行。

圖1 分離式相變省煤器的深度余熱回收系統工藝圖

2 分離式相變省煤器的工程應用

2.1 管壁面溫度控制的計算

將煙氣余熱回收用來加熱鍋爐給水，即根據“能級匹配原則”，用于加熱系統凝結水以期回收熱量最大化[13]。煙氣換熱器中的煙氣由165 ℃降低至130 ℃，通過內循環工質的相變將95 ℃的凝結水加熱到125 ℃。煙氣換熱器的管壁溫的確定受翅片管束結構與布置位置，煙氣，凝結給水的物理化學性質的影響。

由兩相流等得知，忽略內循環工質水的傳熱熱阻和相變熱阻，管壁溫近似等于飽和蒸汽的溫度。在工程上，飽和蒸汽的溫度一般用Antoine方程來確定，確定熱管內工質的飽和溫度ts(℃)與蒸汽壓P(MPa)的關系計算如式(4)：

(4)

式中：a=9.387 6,b=3 826.36,c=227.68,適用于17～227 ℃[10]，對應的飽和壓力是0.001 94～2.65 MPa。“相變段”的飽和蒸汽從煙氣換熱器到汽水冷凝器產生極小的壓降，由Clausuis-Clapeyon方程得知溫差也很小，同時調節凝結水流量找到最佳管壁溫，實現了對受熱面的最低壁溫閉環控制。分離式相變省煤器的溫度及傳熱變化如圖2所示。

由圖可知，煙氣與凝結水間接換熱，內循環工質水通過煙氣換熱器時煙溫降低了35 ℃，相變后在汽水換熱器將凝結水提高了30 ℃。按0.25 MPa壓力得到的飽和溫度為127.9 ℃。劉效洲博士[11]從理論上給出通過優化汽水換熱器傳熱面積及調節冷凝水的流量，能一定程度上提高管壁溫。一般換熱器的壁溫穩定地高出酸露點10～15 ℃，以免腐蝕，延長了設備壽命。

圖2 分離式相變省煤器的溫度及傳熱變化

2.2 分離式相變省煤器的設計

依據質量、動量、能量守恒和熱平衡原理，設計的分離式相變省煤器的熱力參數如表2所示。

表2 分離式相變省煤器熱力參數表

2.3 雙H型翅片管束的傳熱系數及壓力降

煙氣換熱器雙H型翅片管采用順列布置[12]，如圖3所示。

圖3 雙H翅片管結構圖

翅片厚度是t,翅片間距為H，寬度為b,用雙H型翅片當量直徑代替圓管直徑，其當量直徑為De，對應的換熱能力與壓力降分別用Nu和ζ，可以用式(5)～(7)來計算。

(5)

(6)

(7)

式中：A為流通的截面積；S為浸潤周邊長；Z為管排數；Cz為管排數修正系數，因Z≥4,取Cz=1[13]；考慮管子幾何形狀布置校正系數Cs，因在該設計中，橫向節距s1與縱向節距s2等同，所以s2/d>2,取Cs=1。

2.4 分離式相變省煤器的制造和安裝

分離式相變省煤器自身由于體積和質量大，需要考慮裝配尺寸，采用模塊化設計，各模塊制造后到現場組裝，煙氣換熱器模塊化結構如圖4所示。工程現場如圖5所示。

汽水換熱器的頂部設有放空閥，能及時排放出不凝性氣體以解決老化問題。分離式相變省煤器系統兩端換熱器布置靈活，若某根管損壞，解列更換無需停車，提高設備運行的經濟性。一般分離式相變省煤器系統連接管路散熱損失約占總換熱負荷的2%～3%。同時系統的管子內是兩相流，須滿足兩相流對管路的規定，以確保氣液兩相均勻地分布到每個管箱，所以要求對稱布置管道。

圖4 煙氣換熱器模塊化結構簡圖

圖5 分離式相變省煤器系統的工程現場圖

3 節能分析

分離式相變省煤器的煙氣換熱器的煙氣根據“能級匹配原則”回收熱量，用于加熱#6低加的凝結水。按一年正常運行7 800 h，得到的節省標煤和少排污染物如表3所示。

表3 單臺鍋爐節能減排量

4 結論

(1)安全性：分離式相變省煤器的控溫特性可有效地調控高含硫煙氣換熱器管壁溫高于煙氣酸露點，從而避免了低溫腐蝕，延長了設備的壽命。

(2)經濟性：熱電廠煙氣余熱回收系統每年節能折算為標煤33 050 t。

(3)環保性：每年可以少排63 033 t二氧化碳和3 261 t二氧化硫，煙溫的降低，降低了煙塵比電阻，從而提高除塵器效率。改造大大減少了有害氣體和粉塵的排放量，達到國家節能減排的要求，極大地改善了周邊環境。

在火電廠超低排放和提高發電效率的形勢下，分離式相變省煤器應用于深度節能減排改造工程中，不僅可以避免高含硫煙氣的露點腐蝕，延長設備壽命，又可以提高系統除塵效率和脫硫效果，達到了超低排放的社會環保要求。

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Development of Separate Type Phase Change Economizer Against Low Temperature Corrosion in Power Plants

YU Bin1, FU Jie1, SUN Haitong1, TU Shandong2, SUN Wei3, QIN Jinghu3

(1. School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing Technology University，Nanjing 211816，China; 2. School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237,China; 3. Nanjing Canuo Energy Equipment Co.Ltd.，Nanjing 210037，China)

: In order to solve the corrosion problem caused by the cooling high-sulfur flue gas in the air preheaters and other equipment, a separate type phase change economizer was designed and successfully applied in practical. It has been installed between air preheater and precipitator in the flue gas waste heat recovery system in a thermal power plant with two 660 MW units, according to the controllable and adjustable characteristics of the wall temperature of the heat pipes in the phase-change segment. Calculations were carried out for thermal system parameters, while some measures of installation were also provided. It was found that the dew point corrosion was effectively avoided after transformation, due to the fact that the temperature of the wall is higher than that of the acid dew point. Moreover, the efficiency of the dust collector is improved greatly by reducing the exhaust gas temperature. Amount of standard coal was saved, and then the emissions of CO2and SO2as well as the water consumption of desulfurization were reduced significantly. The present work provides a successful case for energy saving and emission reduction in waste heat recovery systems of a power plant.

separate type phase change economizer; wall temperature; acid dew point; low temperature corrosion; energy saving; ultra low emission

鄒包產(1982-)，男，高級工程師，主要從事火力發電機組自動控制方面的生產服務和調試工作。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.05.013

2016-12-08。

TM621.9

A

1672-0792(2017)05-0065-05