氟塑料換熱相變凝聚器技術(shù)及工程應(yīng)用

馮國華，劉含笑，顏士娟，陳招妹

（浙江菲達(dá)環(huán)保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800）

引言

我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)導(dǎo)致大氣污染物排放總量居高不下，燃煤電站鍋爐每年約消耗標(biāo)煤15億噸，約占全國煤耗總量的50%[1]，隨著國家節(jié)能減排指標(biāo)的日趨嚴(yán)格，燃煤電站積極尋找降低煤耗、提高污染物減排效果的新技術(shù)。通過增設(shè)煙氣換熱器（煙氣冷卻器、煙氣換熱器等）有效利用排煙余熱提高燃煤電廠效率以降低煤耗，并通過降溫改善煙氣工況提高污染物減排效果，是目前實(shí)現(xiàn)燃煤電廠煙氣污染物超低排放的主流技術(shù)之一。

煙氣換熱器按溫度范圍劃分，可大致劃分為高溫?zé)煔鈸Q熱器（≥450℃）、中溫?zé)煔鈸Q熱器（220℃～450℃）和低溫?zé)煔鈸Q熱器（≤220℃）；根據(jù)換熱介質(zhì)的不同，可分為煙氣-蒸氣換熱器、煙氣-水換熱器、煙氣-煙氣換熱器等；根據(jù)換熱器翅片的型式不同，可分為螺旋翅片管換熱器、H型翅片管換熱器、針形翅片管換熱器等[2]。鑒于鍋爐尾部煙氣中含有SO3，當(dāng)煙氣溫度降至酸露點(diǎn)以下時(shí)，氣態(tài)SO3會凝結(jié)成硫酸霧，當(dāng)沒有足夠的粉塵吸附時(shí)，極容易腐蝕換熱器金屬壁面，影響電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行。為解決這一問題，嘗試采用合金、陶瓷等特種材料換熱器，但研究和實(shí)踐表明，這些換熱器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性并不理想[3]。

近年來，隨著濕煙氣直排導(dǎo)致煙囪腐蝕、“白煙”及“煙囪雨”等問題的日益突出，氟塑料換熱技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)，并有一定的工程應(yīng)用。徐鋼等[4、5]針對氟塑料換熱器開展實(shí)驗(yàn)研究，并利用獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出光滑的氟塑料換熱管管外傳熱特性低于工業(yè)管材的規(guī)律，并基于修正的茹卡烏斯卡斯傳熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，分析總結(jié)了氟塑料換熱器換熱性能、阻力特性和熱阻分布，提出基于模塊化的氟塑料換熱器優(yōu)化布置方案；陳林等[6]結(jié)合1000MW機(jī)組煙氣余熱回收工況，分析了氟塑料管束式換熱器和導(dǎo)熱塑料翅片管換熱器的性能，比較了兩者在傳熱系數(shù)、換熱面積、換熱器體積、流動阻力等方面的差異。盡管氟塑料換熱器在傳熱系數(shù)和材料消耗方面具有優(yōu)勢，但翅片管換熱器整體體積更小，且管件數(shù)量遠(yuǎn)小于氟塑料換熱器；胡清等[7]經(jīng)對某1000MW機(jī)組氟塑料換熱器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)具有適用性強(qiáng)、調(diào)節(jié)性好、高效性和可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，煙氣余熱深度回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益顯著，系統(tǒng)投資回收期約5.61年。

1 氟塑料換熱相變凝聚技術(shù)簡介

1.1 氟塑料換熱器

氟塑料包括PTFE、FEP、PFA、ECTFE、ETFE、PVDF和PVF等，其具備耐熱、耐寒、耐候、耐腐蝕、耐溶劑，絕緣性能及高頻電性能優(yōu)異，并具有不粘性、自潤滑性、低摩擦系數(shù)等性能，目前已應(yīng)用于燃煤電廠的節(jié)能設(shè)施中。采用氟塑料材質(zhì)制備的換熱器具有耐腐蝕性極強(qiáng)、耐高溫和低溫、防結(jié)垢、低阻力、使用壽命長、具備自清潔功能等優(yōu)點(diǎn)。氟塑料換熱器與金屬換熱器對比見表1。

表1 氟塑料換熱器與金屬換熱器對比

1.2 氟塑料換熱器推薦布置位置及相變凝聚技術(shù)

氟塑料換熱器與金屬換熱器不同位置對比見表2。綜合考慮設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性及安全穩(wěn)定運(yùn)行，推薦氟塑料換熱器布置位置如圖1所示。可在脫硫塔前（圖1中的位置1）降低脫硫塔入口煙氣溫度，此時(shí)稱為煙氣冷卻器；可布置在脫硫塔后（圖1中的位置2），降低脫硫塔出口煙氣溫度，回收煙氣中的凝結(jié)水，并兼具除塵效果，此時(shí)稱為相變凝聚器；也可布置在脫硫塔后（圖1中的位置3），用于提升排煙溫度，此時(shí)稱為煙氣再熱器。

相變凝聚是通過氟塑料煙氣換熱器降低煙溫實(shí)現(xiàn)的。利用濕法煙氣脫硫后煙氣處于或接近飽和狀態(tài)的特點(diǎn)，通過控制煙氣適度降溫，實(shí)現(xiàn)煙氣中水蒸汽的冷凝。水蒸汽冷凝過程中，布朗擴(kuò)散、熱泳、擴(kuò)散泳和雨室洗滌等作用，結(jié)合密布錯(cuò)列管排擾流，可有效促進(jìn)顆粒物長大、團(tuán)聚和脫除，實(shí)現(xiàn)顆粒物、SO3和痕量元素協(xié)同高效控制，并回收大量煙氣含水和氣化潛熱，具備收水+除塵+余熱回收等多重功能。

表2 氟塑料換熱器與金屬換熱器不同位置對比

圖1 相變凝聚技術(shù)工藝

2 示范工程概述

該技術(shù)應(yīng)用于巨化熱電有限公司8號機(jī)組280t/h項(xiàng)目，原設(shè)有SCR、電袋復(fù)合除塵器和石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置，原煙塵排放濃度不能滿足≤5mg/m3的超低排放要求，需進(jìn)行煙氣除塵及收水改造，使用氟塑料換熱器相變凝聚技術(shù)，通過煙氣中水蒸汽冷凝過程促進(jìn)細(xì)顆粒物長大和團(tuán)聚，結(jié)合雨室洗滌、管排攔截和高效除霧器等實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒物的進(jìn)一步脫除。

該項(xiàng)目的煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表3，氟塑料換熱相變凝聚器主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表4，布置實(shí)景圖見圖2。利用低溫的除鹽水通過氟塑料換熱器冷卻凈煙氣，煙溫降低3℃～4℃，冷卻水從20℃上升到40℃左右，升溫后的冷卻水再進(jìn)入低溫省煤器加熱到100℃～110℃，然后進(jìn)入中間罐，再直接進(jìn)入除氧器。凈煙氣經(jīng)過冷卻后，凝結(jié)飽和濕煙氣中水蒸汽，凝水的過程中能達(dá)到除塵、除酸等功能。

表3 煤質(zhì)數(shù)據(jù)

表4 濕式相變凝聚器設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)

圖2 氟塑料換熱相變凝聚器實(shí)物圖

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)內(nèi)容涉及顆粒物、SO3、霧滴測試及水質(zhì)分析等，各測試項(xiàng)目的測試儀器及方法如表5。

表5 測試儀器及方法

采用低壓撞擊器（DLPI）采樣系統(tǒng)對煙氣顆粒物進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣流量和煙氣流速選取合適的采樣頭直徑以實(shí)現(xiàn)等速取樣。采樣煙氣流量約為10L/min，煙氣通過加熱取樣管路后進(jìn)入DLPI，實(shí)現(xiàn)分級收集。DLPI 采樣系統(tǒng)主要由DLPI、真空壓力表和真空泵組成，數(shù)據(jù)采集卡用于監(jiān)測DLPI 入口煙氣溫度和壓力，并實(shí)現(xiàn)對采樣系統(tǒng)加熱溫度的控制。WFGD后煙氣中的大顆粒濃度較低，因此采樣系統(tǒng)不再設(shè)置旋風(fēng)分離器。

依據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署（Environmental Protection Agency, EPA）標(biāo)準(zhǔn)EPA Method 8，采用異丙醇吸收法對煙氣中的SO3進(jìn)行采樣，SO3被吸收后，在樣品溶液中以SO4

2-的形式存在，采用滴定法測定樣品溶液中的SO42-濃度，結(jié)合樣品溶液體積、煙氣采樣體積等數(shù)據(jù)，計(jì)算可得采樣點(diǎn)煙氣中SO3的濃度。定容后的樣品溶液，需先通過陽離子交換樹脂，排除銨根離子對滴定結(jié)果的影響。樣品溶液中的SO42-濃度滴定通過Ba2+溶液實(shí)現(xiàn)，需事先使用硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定Ba2+溶液濃度。

依據(jù)《燃煤煙氣脫硫設(shè)備性能測試方法》（GB/T 21508-2008）對經(jīng)過濕法煙氣脫硫后的煙氣所攜帶的液滴進(jìn)行采樣，在煙氣霧滴采樣的同時(shí)，對脫硫漿液進(jìn)行采樣，用于計(jì)算煙氣攜帶漿液滴濃度。采樣前使用超聲波清洗器清洗液滴捕集器，并用去離子水沖洗液滴捕集器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在干燥箱內(nèi)完全干燥后，使用萬分之一精度分析天平稱重，封口待用。采樣完成后，沖洗液滴捕集器外壁并擦拭干凈后進(jìn)行稱重。兩次稱重結(jié)果之差即為采集霧滴樣品的質(zhì)量，結(jié)合煙氣采樣體積、煙氣溫度/壓力/氧量等數(shù)據(jù)，計(jì)算可得對應(yīng)采樣點(diǎn)煙氣攜帶霧滴的濃度。將液滴捕集器內(nèi)采集的霧滴樣品洗出、定容，使用離子色譜儀分別測定霧滴樣品、脫硫漿液樣品中的Mg2+濃度，折算煙氣攜帶漿液滴濃度。

在上述煙氣采樣的同時(shí)，采集濕式相變凝聚器運(yùn)行過程中回收的煙氣含水樣品，置于塑料試劑瓶密封保存，備后續(xù)分析。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

蒸發(fā)量260t/h（磨煤機(jī)雙列運(yùn)行）記為高負(fù)荷，蒸發(fā)量200t/h（磨煤機(jī)單列運(yùn)行）記為低負(fù)荷，分別測得相變凝聚器入口、出口的顆粒物濃度及除塵效率如圖3所示。濕法脫硫系統(tǒng)后的高濕煙氣經(jīng)過相變凝聚器后，PM1、PM2.5及總顆粒物均出現(xiàn)顯著降低，在兩個(gè)測試負(fù)荷下，相變凝聚器對顆粒物的脫除效率分別為54.93%、71.61%，顆粒物排放濃度分別為2.84mg/m3、1.61mg/m3。

依據(jù)EPA采樣測試方法，對相變凝聚器入口和出口煙氣SO3含量進(jìn)行測試，得到煙氣通過相變凝聚器前后SO3濃度、相變凝聚器對SO3脫除效率（見圖4）。相變凝聚器對經(jīng)過WFGD處理的煙氣中的SO3仍有較好的脫除效果，兩個(gè)負(fù)荷下濕式相變凝聚器對SO3的脫除效率分別為19.29%、18.87%。

圖3 顆粒物測試結(jié)果

圖4 SO3測試結(jié)果

圖5 霧滴測試結(jié)果

在上述高負(fù)荷條件下，對相變凝聚系統(tǒng)三個(gè)測點(diǎn)（相變凝聚系統(tǒng)入口、相變凝聚器與收水除霧器之間、相變凝聚器出口）煙氣所含霧滴分別進(jìn)行采樣。每一測點(diǎn)均進(jìn)行兩次平行采樣，結(jié)果如圖5所示。兩次測試相變凝聚器入口霧滴濃度分別為194mg/m3、195mg/m3，相變凝聚器至除霧器間霧滴濃度分別為387mg/m3、465mg/m3，除霧器出口霧滴濃度分別為154mg/m3、152mg/m3。相變凝聚器所回收的煙氣含水較為清澈，無色無味、無肉眼可見物，經(jīng)測定，pH值為2.92。

4 結(jié)論

氟塑料換熱相變凝聚器對經(jīng)過濕法脫硫系統(tǒng)后高濕煙氣中的顆粒物和SO3均具有較好的脫除效果，還可實(shí)現(xiàn)煙氣含水及其氣化潛熱的有效回收利用，為燃煤電廠創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)性能測試，主要污染物減排結(jié)果如下：

（1）在兩個(gè)測試負(fù)荷下，濕式相變凝聚器除塵效率分別為54.93%、71.61%，顆粒物排放濃度為2.84mg/m3、1.61mg/m3，穩(wěn)定低于5mg/m3。

（2）在兩個(gè)測試負(fù)荷下，濕式相變凝聚器對SO3的脫除效率分別為19.29%、18.87%，進(jìn)一步降低隨煙氣排放的SO3濃度。