關于垃圾發電廠一次風空氣預熱器結構優化技術探討

曲文龍

(威海環境再生能源有限公司，山東 威海 264200)

0 引言

垃圾焚燒發電廠主要燃料為日常生活垃圾，而生活垃圾中含水率較高，為使垃圾在焚燒爐內得到充分干燥，燃燒更加穩定，鍋爐燃燒效率更高，需要對燃燒用的空氣進行充分加熱。垃圾發電廠空氣預熱器一般采用蒸汽預熱器，主要因為垃圾發電廠煙氣中的酸性氣體多，低溫時易造成低溫腐蝕，所以加熱的熱源不能使用煙氣而采用蒸汽，空氣預熱器的出口風溫直接影響焚燒爐的穩定運行，因此預熱器的結構形式，換熱效率的高低是優化改造的關鍵點。

威海環境再生能源有限公司垃圾焚燒發電所采用的的一次風空氣預熱器為傳統的兩段串聯式管式換熱器。預熱器分為低壓段和高壓段。減溫減壓器提供低壓段蒸汽，入口溫度300 ℃，壓力0.98 MPa;高壓段蒸汽為鍋爐出口新蒸汽，入口溫度400 ℃，壓力2.5 MPa；參數詳見表1，一次風源取自垃圾坑內的常溫空氣，加熱后的一次風送入鍋爐，提供垃圾燃燒所需的氧氣。空氣預熱器換熱效率的高低、運行的可靠性直接影響著鍋爐燃燒的穩定性和經濟性。

威海環境再生能源有限公司目前使用的一次風空氣預熱器工藝流程圖如下圖1所示。

預熱器為了實現空氣的充分加熱，采用了兩段串聯式結構，分為低壓段(Ⅰ段)+高壓段(Ⅱ段)，技術特性見表1。

表1 技術特性表

1 空氣預熱器運行中存在的問題

(1)預熱器內部管道容易出現泄漏，特別是在預熱器下部區域位置，泄露后排查檢修困難，設備整體使用壽命短。

(2)預熱器內部結構上排管間距和鰭片間距過于密集，易積灰難清理(如圖3)，風阻較大，影響換熱效率。

(3)預熱器高、低壓疏水母管運行過程中經常會出現汽水沖擊，管路振動并伴有異響；彎頭處汽水沖刷嚴重，極易泄漏(如圖4)，難以保證設備的穩定運行。

(4)高壓段(Ⅱ段)的高溫高壓疏水目前是經過連續排污擴容器常壓閃蒸并氣水分離后，水蒸汽進入除氧器作為熱源(量少時為了不影響除氧器的正常背壓直接從連續排污擴容器排空放散)，閃蒸后的疏水直接排入疏水箱，導致疏水箱水溫升高至90 ℃以上，引起后續工藝設備疏水泵汽化，汽蝕，水泵不能穩定安全運行。需要通過排污并補充除鹽水來降低水溫，造成水能和熱能的大量浪費。

2 技改設計方案

經過設備解體查看分析，通過熱力計算，結合實際運行工況，本著低風阻、效率高、熱損失少、汽水沖擊小的設計要點，提出一套技改優化方案。

現場一次風空氣預熱器設備采用兩段式逐級加熱，即低壓段和高壓段。這樣必將會有兩路疏水，且高壓段疏水的熱量難以回收。為從根本上解決此問題，從空氣預熱器設備的源頭考慮，根據目前新的運行參數(空氣量67 920 Nm3/h，溫度5～220 ℃)以及加熱蒸汽(2.35 MPa，390 ℃)，嘗試把空氣預熱器做成整體式加熱，并考慮在預熱器底部引入過冷段，將加熱蒸汽凝結水從飽和溫度220 ℃過冷至70 ℃。在疏水母管上安裝電動調節閥，通過液位控制來調節疏水量，保證蒸汽完全換熱變成疏水，完成熱量交換，管道內就只是疏水而不是汽水混合物，從而解決汽水混合沖刷管路的問題；由于疏水已經過冷至70 ℃，再進入疏水箱，便不會導致疏水泵吸入溫度過高，造成泵的高溫氣蝕問題，達到整個系統的熱量得到最大限度的回收利用。新的整體式預熱器流程原理見圖5。

圖5中上部紅色部分為蒸汽過熱冷卻段，蒸汽在該段由400 ℃冷卻至飽和溫度220 ℃；

圖5中部黃色部分為蒸汽凝結段，蒸汽在該段由220 ℃飽和蒸汽凝結為220 ℃飽和水；

圖5中下部綠色部分為疏水過冷段，飽和水在該段由220 ℃冷卻至70 ℃；

三段總的翅片管冷卻面積約為2 050 m2。

右側蒸汽母管和疏水母管連接一個帶遠傳功能的磁翻板液位計，將液位控制在正常水位，在疏水母管下游增加一個電動調節閥，可以根據疏水母管的出水溫度來控制電動調節閥的開度從而調節液位高度。液位越高，疏水過冷段越大，即出水溫度越低；反之亦然。

預熱器管內氣液兩相流在設計整體式預熱器中也不存在，由于預熱器出口的疏水已經過冷至70 ℃，所以在下部不會出現汽化、閃蒸等現象。

3 技術實施方案

(1)將預熱器結構由分體式改造為整體成型蛇形翅片管(如圖6)，避免常規的預熱器在U型彎處需要焊接的問題，最大程度減少焊接漏點。整體式預熱器結構示意見圖7。

(2)針對汽水混合段的汽水沖刷爆管問題，將汽水混合段設計為烤瓷噴涂，達到耐沖刷、延長設備壽命。

(3)預熱器的進汽布置將采用十排管一個集箱一臺截止閥控制，形式分段控制隔斷，方便在不停運設備的情況下就可以查漏檢修。

4 經濟效益分析

通過HTRI熱傳遞計算軟件模擬換熱，得出原兩段式加熱計算書，見圖8～10。

從以上模擬計算數據分析，可以得到如下對比結果(見表2)。

表2 模擬計算數據分析

從計算結果得出，在一次風壓力、流量各項參數相同的情況下，采用整體式結構比兩段式結構更加節能，鍋爐運行的經濟性顯著，主要體現在以下幾點：

(1)改造后由壓力降引起的一次風機功率節能年收益為：

W=0.526×1 000×67 920/(1 000×0.7×3 600×0.95)×1.15=17.2 kW

17.2 kW×24 h/天×30天/月×10月/年×0.5元/kWh=61 920元

(2)改造后由蒸汽耗量節省的年收益為：

Q=0.292×3.6 t/h×24 h/天×30天/月×10月/年×100元/t=756 864元

總的年收益為61 920元+1 513 728元=757 483.2元

(3)改造后空氣預熱器完全消除了汽水沖刷現象，降低了預熱器內部蛇形管道及疏水母管的頻繁泄漏，有效延長了設備的使用壽命。

(4)改造后疏水箱水溫由90 ℃以上降到70 ℃ 以下，無需通過排放高溫疏水補充除鹽水來降溫；疏水泵運行更加穩定，無汽化汽蝕。

5 結論

將串聯式管式預熱器改造為整體式加熱器，能夠大量回收之前兩段式加熱器的疏水帶走的熱量，從而節約了加熱蒸汽耗量；整體式預熱器風阻減少，一次風機電耗降低；消除管道汽水沖刷，延長設備使用壽命，檢修工作量減少，設備運行更加穩定。

總之，整體式加熱器改造能從設備根源上解決高溫高壓的疏水沖刷、熱量損失、水泵汽化等問題；并且與現有的除氧器設備不存在背壓干擾等問題；熱力性能遠勝于常規的兩段串聯式空氣預熱器，能夠達到節能降耗，經濟效益顯著。