氟塑料換熱器在電廠節(jié)能減排中的應(yīng)用

劉含笑，周林海，吳金，馮國(guó)華，王少權(quán)，陳招妹，沈敏超，周冰

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

隨著國(guó)家環(huán)保政策的趨嚴(yán)，燃煤煙氣中顆粒物、SO2、NOx等污染物排放得到了有效控制，環(huán)境空氣質(zhì)量得到了一定程度改善，重點(diǎn)區(qū)域霧霾天數(shù)，尤其是重度霧霾天數(shù)呈減少趨勢(shì)。但我國(guó)大氣污染物排放依然是量大面廣的局面，且環(huán)境空氣質(zhì)量與西方發(fā)達(dá)國(guó)家存在明顯差距[1～5]。2015年9月6日，浙江省經(jīng)信委等部門聯(lián)合發(fā)布《浙江省地方燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)行業(yè)綜合改造升級(jí)行動(dòng)計(jì)劃》，要求省內(nèi)所有熱電廠全部實(shí)施超低排放，并要求完善節(jié)能指標(biāo)管理。近年來(lái)“有色煙羽”現(xiàn)象頻繁引起關(guān)注，不論是視覺(jué)污染，還是近年來(lái)部分輿論關(guān)注的“可凝結(jié)顆粒物”“可溶鹽”等危害，均對(duì)污染物周圍居民造成一定影響[6～8]。鑒于此，上海、天津、唐山、邯鄲等多個(gè)省市均陸續(xù)出臺(tái)了消除“有色煙羽”的相關(guān)政策，要求采用降溫、升溫或先降溫再升溫的方式，控制“有色煙雨”的排放。

含不同污染物的工業(yè)煙氣經(jīng)煙囪排入大氣，因天空背景色和天空光照、觀察角度等原因，視覺(jué)上通常為白色、灰色、藍(lán)色等。煙氣排入大氣后煙溫降低，煙氣中的水蒸汽凝結(jié)成小液滴形成白色煙霧，如煙羽中含有SO3氣溶膠會(huì)在光照反射時(shí)形成藍(lán)色，當(dāng)煙羽中未脫除的微細(xì)粉塵、石膏液滴、可溶鹽含量高，濕度大、霧滴濃時(shí)易呈現(xiàn)灰色。因此降低濕度、控制SO3濃度、提高煙囪入口煙溫，進(jìn)一步脫除煙氣中的細(xì)顆粒物、石膏液滴、可溶鹽、SO3等是脫除有色煙羽的關(guān)鍵。

1 熱電廠現(xiàn)有技術(shù)及存在問(wèn)題

1.1 典型煙氣治理技術(shù)路線及關(guān)鍵設(shè)備

熱電廠的典型煙氣治理技術(shù)路線如圖1所示。爐后含污染物的高溫?zé)煔庀群蠼?jīng)脫硝裝置、煙氣余熱回收裝置、一次除塵裝置、脫硫裝置（二次除塵）、濕式電除塵器（超低排放終端把關(guān)設(shè)備）、脫白裝置，最后經(jīng)煙囪排到大氣環(huán)境[9～11]。

節(jié)能、減排、脫白等環(huán)節(jié)的典型技術(shù)及裝備如圖2所示。熱電廠鍋爐一般采用煤粉爐或循環(huán)流化床鍋爐（CFB），且煤粉爐居多。

圖1 熱電廠典型煙氣治理技術(shù)路線

圖2 現(xiàn)有節(jié)能、減排、脫白技術(shù)及其關(guān)鍵設(shè)備

在污染物控制方面，針對(duì)氮氧化物控制，煤粉爐可采用低氮燃燒+SCR脫硝技術(shù)，循環(huán)流化床鍋爐可采用低氮燃燒+SCR脫硝或低氮燃燒+SNCR脫硝技術(shù)；針對(duì)煙塵控制，一般采用一次除塵+二次除塵或濕式電除塵器（WESP）終端把關(guān)的方式，一次除塵可采用電除塵（ESP）、袋式除塵（FF）或電袋復(fù)合除塵（EF）技術(shù)，其中，電除塵技術(shù)應(yīng)用最多，約占70%，電除塵技術(shù)可采用低低溫電除塵技術(shù)（LL-ESP）、旋轉(zhuǎn)電極式電除塵技術(shù)（MEEP）等，二次除塵主要是靠濕法脫硫（WFGD）的高效協(xié)同除塵功能；針對(duì)二氧化硫控制，可采用的技術(shù)有石灰石-石膏濕法脫硫、氨法脫硫、海水脫硫或半干法脫硫等，其中，石灰石-石膏濕法脫硫應(yīng)用最多，超過(guò)90%。

在節(jié)能方面，主要采用布置換熱器的方式回收煙氣余熱，再將煙氣余熱作為電廠固有熱力系統(tǒng)的一級(jí)低溫?zé)嵩矗ㄈ缙麢C(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的一級(jí)低加），或用于加熱最終排煙，以提升排煙溫度。根據(jù)換熱器布置位置不同，可分為電除塵器前煙氣冷卻器（FGC）和濕法脫硫前煙氣冷卻器（FGC）。

在煙氣脫白方面，主要是通過(guò)煙氣再熱器（FGR）加熱排煙溫度的方式，減少白煙排放的天數(shù)。

1.2 現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題

1.2.1 節(jié)能技術(shù)

煙氣余熱回收使用的煙氣冷卻器目前多為金屬管式煙氣冷卻器，當(dāng)布置在電除塵器前時(shí)，為避免低溫腐蝕，要求灰硫比不小于100，對(duì)于高硫煤（Sar＞2%），依然會(huì)存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于高灰煤，則存在堵灰和磨損風(fēng)險(xiǎn)；目前超低排放機(jī)組，SCR脫硝噴氨量較高，過(guò)量噴氨會(huì)導(dǎo)致在煙氣冷卻器內(nèi)，冷凝后的SO3與氨氣反應(yīng)，生成硫酸氫銨，進(jìn)一步加重了堵灰現(xiàn)象[12]。

當(dāng)金屬管式煙氣冷卻器布置在濕法脫硫前時(shí)，因煙氣中的煙塵濃度較低，當(dāng)煙氣溫度降至酸露點(diǎn)以下時(shí)，冷凝后的硫酸霧沒(méi)有足夠的飛灰吸附、中和，會(huì)引起換熱管壁的低溫腐蝕。

1.2.2 末端減排技術(shù)

當(dāng)顆粒物超低排放主要依靠一次出塵和濕法脫硫協(xié)同除塵時(shí)，濕法脫硫的協(xié)同除塵效率不能低于70%，此時(shí)脫硫系統(tǒng)阻力較高，一般在2300Pa以上，且脫硫塔內(nèi)主要依靠慣性捕集飛灰顆粒，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且易損件較多。一般而言，濕法脫硫設(shè)計(jì)的最佳協(xié)同除塵效率在70%～80%負(fù)荷，當(dāng)負(fù)荷較低時(shí)，流速不夠，慣性除塵性能大幅下降；當(dāng)負(fù)荷較高時(shí)，阻力會(huì)升高，并會(huì)加劇漿液攜帶和液滴破碎，造成除塵效率下降。

濕式電除塵器作為超低排放終端把關(guān)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)極低的顆粒物排放，根據(jù)陽(yáng)極板型式的不同，可分為金屬板式濕式電除塵器和導(dǎo)電玻璃鋼管式濕式電除塵器。

金屬板式濕式電除塵器主要存在的問(wèn)題有：1）對(duì)于煙氣流速較高、煙氣中SO3含量較高的濕電普遍存在運(yùn)行電流低，參數(shù)不穩(wěn)定的問(wèn)題，即電暈封閉問(wèn)題；2）個(gè)別項(xiàng)目還存在極少數(shù)陰極線焊接熱影響處有裂紋，少部分極線下端點(diǎn)焊處脫焊的現(xiàn)象；3）電廠運(yùn)行維護(hù)操作時(shí)，若不按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行外排水及補(bǔ)充新水時(shí)，將會(huì)造成內(nèi)部水系統(tǒng)懸浮物（SS）濃度太高，特別是入口顆粒物濃度較高時(shí)，易引起噴淋水管堵塞、循環(huán)水泵葉輪結(jié)垢、極板和極線積灰、噴嘴磨損等問(wèn)題；4）WESP耗水、外排水量相對(duì)較多，如直接外排，需增設(shè)廢水處理系統(tǒng)，如進(jìn)入脫硫塔補(bǔ)水，則會(huì)增加脫硫廢水處理負(fù)擔(dān)[13-14]。

導(dǎo)電玻璃鋼管式濕式電除塵器主要存在的問(wèn)題有：1）玻璃鋼陽(yáng)極管耐高溫性能不如金屬板板式，通常入口煙氣溫度要求小于90℃，運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)前面煙氣處理設(shè)備出現(xiàn)故障，致使入口煙氣溫度過(guò)高時(shí)易引起玻璃鋼陽(yáng)極管軟化變形，遇火花，則會(huì)發(fā)生安全事故；2）玻璃鋼陽(yáng)極管易發(fā)生閃絡(luò)擊穿，因此應(yīng)嚴(yán)格控制火化率，必要時(shí)需限流降壓，去除顆粒物效率不穩(wěn)定，且去除效率隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)而有所降低；3）采用間斷噴淋沖洗，噴淋時(shí)需斷電或降壓，沖洗時(shí)會(huì)影響除塵效率；4）陽(yáng)極管導(dǎo)電層采用手糊方式制作，質(zhì)量難以保證，運(yùn)行時(shí)容易脫落，遇火花，則更為嚴(yán)重，當(dāng)陽(yáng)極管較長(zhǎng)，噴淋水量不足時(shí)，極管下部容易積垢，影響除塵性能；5）廢舊陽(yáng)極管較難處理，易造成二次污染。

1.2.3 脫白技術(shù)

煙氣再熱器目前主要有回轉(zhuǎn)式煙氣再熱器和金屬管水媒式煙氣再熱器，前者因泄漏、堵塞、腐蝕等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)項(xiàng)目已悉數(shù)拆除。日本的煙氣再熱器多采用普通碳鋼，但需定期更換。前端換熱材料采用2205，中段換熱材料采用316L，后端換熱材料采用ND鋼，國(guó)內(nèi)尚缺少長(zhǎng)期運(yùn)行的工程經(jīng)驗(yàn)，金屬材料仍存在一定的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

2 現(xiàn)有技術(shù)的簡(jiǎn)單疊加不可取

環(huán)保形勢(shì)嚴(yán)峻，政策趨嚴(yán)，熱電廠的節(jié)能、減排、脫白改造勢(shì)在必行，但將節(jié)能技術(shù)（金屬管式煙氣冷卻器）、減排技術(shù)（除塵脫硫一體化或濕式電除塵器）、脫白技術(shù)（金屬管式煙氣再熱器）簡(jiǎn)單串聯(lián)疊加并不可取，一方面會(huì)大大增加投資費(fèi)用，且占地面積大，現(xiàn)有電廠多經(jīng)數(shù)次改造，較難有空間布置多余設(shè)備；這些設(shè)備疊加后，系統(tǒng)阻力大幅增加，引風(fēng)機(jī)出力不夠，一般煙氣冷卻器阻力≤450Pa，除塵脫硫一體化為2300Pa，濕式電除塵器約200Pa，煙氣再熱器≤550Pa；金屬管換熱面腐蝕嚴(yán)重，影響設(shè)備正常運(yùn)行。

鑒于此，需要從多污染物協(xié)同控制，低成本、低能耗、高收益，攻克低溫腐蝕等方面尋求突破，打破現(xiàn)有技術(shù)疊加不能滿足熱電廠環(huán)保亟需的技術(shù)困局。

3 氟塑料及氟塑料換熱器

3.1 氟塑料

氟塑料具有優(yōu)異的耐高、低溫性能，耐溫范圍-195℃～+250℃（常壓下），長(zhǎng)期使用溫度為-100℃～+250℃。化學(xué)穩(wěn)定性突出，幾乎可以耐所有的化學(xué)溶劑和酸、堿；潤(rùn)滑性能好（低摩擦系數(shù)，相接近的靜力和動(dòng)力摩擦系數(shù)），具有優(yōu)良的不黏性、不吸水性、耐大氣老化性能等。

用于制備換熱器的氟塑料材質(zhì)一般有PTFE、PFA，PTFE熱穩(wěn)定性優(yōu)于PFA，一般為PTFE制備換熱管束，采用PFA制備相關(guān)配件。

3.2 氟塑料換熱器

根據(jù)管徑尺寸，氟塑料換熱器可分為小管徑換熱器和大管徑列管式換熱器，如圖3所示，其中小管徑的內(nèi)徑尺寸一般在10～14mm，大管徑的內(nèi)徑尺寸一般為50mm。綜合熱力、煙氣壓降、水側(cè)壓降、管子承壓、管子剛度等影響及經(jīng)濟(jì)性考慮，壁厚一般取1mm左右。氟塑料換熱器采用模塊化設(shè)計(jì)，管束一般包含有600～5000根管子，管管之間用氟塑料卷板互相隔開(kāi)并固定。

圖3 氟塑料換熱器

氟塑料換熱器的主要技術(shù)特點(diǎn)：1）耐腐蝕性極強(qiáng)。化學(xué)性能穩(wěn)定，耐一切酸性堿性，且?guī)缀鯖](méi)有一種溶劑或化合物可在300℃以下溶解氟塑料；2）耐高溫和低溫。氟塑料在-190℃～220℃范圍內(nèi)低溫不脆化、高溫不軟化，可正常使用；3）防結(jié)垢性能優(yōu)越。在所有固體材料中表面張力最小，不黏附任何物質(zhì)，表面光滑且有適度的柔性，不易結(jié)垢；4）低阻力。氟塑料換熱管表面光滑，摩擦系數(shù)極低（0.04），煙氣阻力小；5）使用壽命長(zhǎng)。氟塑料具有極強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和熱膨脹性，極耐老化，正常情況下可使用15～20年；6）具備自清潔功能。換熱管表面光滑，各種粉塵顆粒極易清洗；線膨脹系數(shù)高，膨脹后能使灰垢脫落。

4 氟塑料換熱器與金屬換熱器對(duì)比

4.1 整體換熱效果相當(dāng)

氟塑料材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)較小，一般約為0.25kcal/（m·h·℃），不銹鋼為60kcal/（m·h·℃），相差了240倍。但實(shí)際上，對(duì)于換熱器的整體熱阻，是分為水側(cè)對(duì)流熱阻、管壁導(dǎo)熱熱阻和煙氣側(cè)對(duì)流熱阻三部分的，如圖4所示。相關(guān)研究表明[15]，水側(cè)對(duì)流熱阻占整體熱阻比較小，一般僅占5%左右，在設(shè)備選型設(shè)計(jì)時(shí)，可忽略不計(jì)；煙氣側(cè)對(duì)流熱阻占比最大，約65%；而換熱管壁的導(dǎo)熱熱阻僅占約30%。

圖4 換熱管束傳熱示意圖

氟塑料管壁更薄，一般約1 m m，金屬管壁為3～4mm。氟塑料管采用密集排列的方式，可在有限空間內(nèi)布置更多的換熱管束；金屬管要求管間距為1.5倍管徑，即使布置H型、螺旋型等翅片，增加的換熱面積也十分有限；綜合考慮，在單位空間內(nèi)，氟塑料換熱器所布置的換熱面積可達(dá)金屬管的5倍以上。

綜上，經(jīng)測(cè)算，當(dāng)氟塑料管壁為1mm時(shí)，換熱器整體換熱效果與光管金屬換熱器相當(dāng)，如壁厚改為0.5mm，則氟塑料換熱器整體換熱系數(shù)為金屬管的1.6～1.8倍。

4.2 氟塑料耐腐蝕，不積灰，整體壽命更長(zhǎng)

因除塵器后沒(méi)有足夠的粉塵吸附中和煙氣中冷凝的硫酸露，加上脫硫塔的返潮現(xiàn)象，金屬換熱鋼管腐蝕速度很快，如圖5（a）所示。氟塑料換熱器耐腐蝕，耐高溫，安裝在脫硫塔前，粉塵少，具有自清潔能力，且能進(jìn)行水沖洗，可保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，如圖5（b）所示。金屬管換熱器使用壽命一般超過(guò)6年，氟塑料換熱器整體壽命可達(dá)15年以上。

圖5 腐蝕煙氣環(huán)境下的氟塑料管與金屬管對(duì)比

4.3 氟材料密度低，整體重量更輕

金屬管密度為7.85g/cm3，氟塑料的密度僅2.17g/cm3，在相同的換熱面積（1萬(wàn)m2）時(shí)，所對(duì)應(yīng)的換熱管束重量分別為130.8t、19.5t，約差6倍，如表1所示。

表1 氟塑料與金屬換熱器重量對(duì)比

4.4 氟材料換熱器的推薦使用位置

脫硫前后煙氣均屬于腐蝕性煙氣環(huán)境，脫硫前沒(méi)有足夠的粉塵吸附中和冷凝后的硫酸霧，會(huì)引起金屬壁面腐蝕；脫硫后煙氣冷凝水中含有大量氯離子，也會(huì)加重金屬壁面腐蝕。鑒于氟塑料換熱器具有耐腐蝕、自清潔、不結(jié)垢等特點(diǎn)，建議氟塑料換熱器可作為煙氣冷卻器布置在脫硫塔前，相變凝聚器布置在脫硫塔后，或煙氣再熱器布置在煙囪前，具體布置位置如圖6所示。

圖6 氟塑料換熱器推薦布置位置

5 相變凝聚器

5.1 工作原理

相變凝聚器布置在濕法脫硫后，可通過(guò)氟塑料煙氣換熱器進(jìn)一步降低濕法脫硫出口煙溫，工作原理如圖7所示。濕法脫硫出口煙氣為飽和濕煙氣，降溫過(guò)程中實(shí)現(xiàn)煙氣中水蒸汽的冷凝，且凝結(jié)過(guò)程屬于非均相成核過(guò)程，會(huì)優(yōu)先在細(xì)顆粒物（煙塵、酸霧氣溶膠等）表面核化、生長(zhǎng)，促進(jìn)細(xì)顆粒物的成長(zhǎng)。凝聚器內(nèi)布置較多的換熱管束，對(duì)流場(chǎng)起到擾流作用，在流場(chǎng)拽力、換熱斷面非均勻溫度場(chǎng)的溫度梯度力等多場(chǎng)力作用下，顆粒物間、液滴間及顆粒與液滴間發(fā)生明顯的速度或方向差異而發(fā)生碰撞，鑒于顆粒被液膜包裹，顆粒間一旦接觸，會(huì)被液橋力“拉攏”到一起，團(tuán)聚成更大粒徑顆粒，繼而被后續(xù)管壁上的自流液膜或高效除霧器脫除，實(shí)現(xiàn)收水+除塵+脫除SO3+余熱回收等多重功能。

圖7 相變凝聚器工作原理

5.2 典型工程案例

該技術(shù)應(yīng)用于巨化熱電有限公司8號(hào)機(jī)組280t/h項(xiàng)目，氟塑料換熱相變凝聚器主要技術(shù)參數(shù)如表2所示，實(shí)物圖如圖8所示。利用低溫的除鹽水通過(guò)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(guò)冷卻后，凝結(jié)飽和濕煙氣中水蒸氣，凝水的過(guò)程中能達(dá)到除塵、除酸等功能。

表2 相變凝聚器技術(shù)參數(shù)

圖8 氯塑料換熱相變凝聚器實(shí)物圖

基于低濃度顆粒物、PM2.5、SO3等測(cè)試方法[16～24]，針對(duì)機(jī)組蒸發(fā)量260t/h（磨煤機(jī)雙列運(yùn)行）、200t/h（磨煤機(jī)單列運(yùn)行）時(shí)，測(cè)得相變凝聚器入口、出口的污染物濃度。在兩個(gè)測(cè)試負(fù)荷下，相變凝聚器對(duì)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；兩個(gè)負(fù)荷下濕式相變凝聚器對(duì)SO3的脫除效率分別為19.29%、18.87%；兩次測(cè)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(wú)色無(wú)味、無(wú)肉眼可見(jiàn)物，經(jīng)測(cè)定，pH值為2.92。

6 結(jié)語(yǔ)

氟塑料換熱器具有耐腐蝕性強(qiáng)、耐高溫和低溫、防結(jié)垢性能優(yōu)越、阻力低、使用壽命長(zhǎng)、具有自清潔功能等優(yōu)勢(shì)，可廣泛用于熱電廠節(jié)能、減排及煙囪消除白煙改造，實(shí)現(xiàn)多污染物一站式協(xié)同治理。其中，濕法脫硫后氟塑料相變凝聚器除塵效率為50%～70%，顆粒物排放濃度低于3mg/m3，SO3脫除效率近20%。