鈦管冷凝器在煙氣深度冷凝除濕中的應用

文_鐘志良 福建龍凈環保股份有限公司

鈦及鈦合金具有熔點高、強度高、密度比高、韌性好等特點，綜合性能比碳鋼和常規不銹鋼強。鈦在空氣或含氧介質中親和力大，易于在表面生成一層致密、附著力強、惰性大的氧化膜，在氯化物、硫化物等苛刻的腐蝕介質環境中，都表現出良好的耐蝕性。在腐蝕性環境中使用鈦材，可以延長設備的使用壽命、減少維護成本、防止腐蝕產生的二次污染。因此，對于具有較強腐蝕性的燃煤鍋爐濕法脫硫后濕煙氣，其處理裝置可以采用鈦材這種防腐材料。

高俊峰等對TA2鈦管與爆炸復合板S30408Ⅲ+TA1管板采用輕脹對中+強度焊+貼脹，管束和管板焊接采用手工鎢極氬弧焊、兩道焊的工藝進行連接試驗，結果表明連接質量合格；王旭等對應用在石化行業海水冷卻器中的鈦管進行了分析，闡明了鈦管在防腐方面的技術經濟性；紀騰飛等對鈦材在海水淡化領域中的推廣應用進行了分析，并提出了建議。在煙氣深度冷凝除濕技術應用中，面對濕法脫硫后強腐蝕性的復雜環境，冷凝換熱器材質的選擇成為關鍵，環保工作者將目光投向了鈦管。

1 鈦管表面濕煙氣冷凝過程與計算

一般來說，冷凝換熱是一種高效換熱過程，例如水蒸氣膜狀凝結時換熱系數大致有5000～15000W/m2·℃。但當含有不凝性氣體時，即使含量極微也會對換熱產生重大影響，例如，水蒸氣中質量含量占1%的空氣能使表面傳熱系數降低60%。而常規燃煤電廠濕法脫硫后濕煙氣中的不凝性氣體份額超過80%。含不凝性氣體濕煙氣在管壁表面冷凝放熱過程詳見圖1。

圖1 含不凝性氣體濕煙氣在管壁表面冷凝放熱過程示意圖

如圖1所示，燃煤電廠濕法脫硫后凈煙氣達到近濕飽和狀態，此時管內流動著低溫循環冷卻水的鈦管外壁面溫度低于煙氣溫度，即低于煙氣的飽和溫度。煙氣中氣相的水蒸氣分壓和液膜溫度對應的飽和蒸汽壓力之間的壓差驅動著水蒸氣向換熱器管壁擴散。在換熱開始階段，煙氣中的水蒸氣在鈦管的冷凝作用下凝結，凝結液附著在鈦管外表面，由于此時凝結液量比較小，凝結液在鈦管表面呈現出珠狀凝結狀態。獨立的珠狀凝結液在表面張力的作用下吸附在鈦管表面，隨著換熱過程的持續，鈦管表面的珠狀凝結液聚集，重力作用開始大于珠狀凝結液與鈦管表面的張力，凝結液在鈦管表面以連續的液膜狀態存在。同時煙氣流過液膜表面所產生的力，促使液膜以疏散變薄，總凝結傳熱系數相應增加。鈦管表面進行對流、冷凝相變等過程所釋放的熱量被鈦管管側的冷卻水所帶走，煙氣溫度降低，同時冷凝過程使得煙氣的含濕量減少，煙囪出口的白煙現象得到緩解。

對于管壁表面的冷凝換熱計算，有研究者分別研究了不同工況下豎直光管管外含空氣蒸汽冷凝特性的計算模型，具有一定參考價值。但在工程上一般需要通過簡化模型的方式對冷凝過程進行熱力計算，以便進行快速的結構設計。本文具體通過熱阻分解的方式計算換熱系數K0，進而根據總傳熱量獲得換熱面積。即整個傳熱過程熱阻包括煙氣側熱阻，表面液膜熱阻，管壁熱阻和管內水側熱阻。其中煙氣側熱阻需要考慮冷凝放熱大幅增加換熱能力的影響，本文利用析濕系數來綜合考慮冷凝過程及不凝性氣體擴散過程。

式中α1，α2-煙氣側，水側的對流換熱系數， W/m·℃；

Rf-液膜熱阻，按層流狀態計算，m2·℃/W；

Rw-管壁熱阻，m2·℃/W；2

C-考慮煙氣冷凝過程對換熱影響的析濕系數，通過實驗獲得關聯式。

2 鈦管冷凝除濕方案

2.1 冷凝除濕工藝

以天津地區某項目（420t/h燃煤鍋爐）為例，在濕法脫硫出口煙道設置冷凝器（圖2），利用機組低溫循環水進入冷凝器內換熱，降低濕法脫硫后出口煙溫，加熱后的機組循環水返回至原回水母管，通過冷凝器實現脫硫出口煙溫從50℃降至48℃（非采暖季）/45℃（采暖季）。煙氣冷凝后會增加局部區域內的霧滴濃度，冷凝后的霧滴部分會被煙氣帶走，因此在冷凝器后配套設置煙道除霧器深度去除冷凝霧滴。此項目中還增設有MGGH系統用于加熱除濕后煙氣，因本文主要分析鈦管冷凝器的應用，故不贅述。

圖2 冷凝+MGGH消白工藝系統圖

2.2 鈦管冷凝器結構

由于鈦材熔點高、熱容大、導熱差、化學活性高、焊接性能較差，安裝工藝和焊接質量對其防腐質量有重要影響。針對鈦材存在的問題，采取了以下創新措施（圖3）：

圖3 鈦管冷凝器結構示意圖

①針對鈦材導熱性差、煙氣不凝氣體對換熱影響大等問題，冷凝器鈦管選用小直徑薄壁管（Φ25），且采用錯列布置結構，以提高冷凝器的換熱效率。

②針對鈦管焊接性能差的問題，鈦管與2205管板之間采用“脹接+耐腐蝕O型圈”的密封結構。一方面，管板采用2205的材質即可滿足使用要求，能進一步降低成本；另一方面，采用脹接工藝，大大減少了制造工作量，便于鈦管的檢修更換，降低維護費用。經水壓試驗、振動試驗證明，“脹接+耐腐蝕O型圈”的密封結構工藝其可靠性強、不易漏水，非常適用于鈦管換熱器的低壓使用場合。

③為了便于鈦管的檢修更換，鈦管換熱器兩端的集水箱采用法蘭結構和管板密封，其中，為解決法蘭平墊片密封性差的問題，采用了O型圈的密封結構，此結構經車間水壓試驗證明，其密封性能比平墊片結構優越。

④采用非金屬材料作為中托板材料，具有密度小、耐腐蝕、費用少等優點，進一步降低換熱器造價。同時中托板起到了及時排液的作用，有效控制了鈦管表面液膜厚度，提高換熱器換熱效率。

⑤參考國家標準GB151-2014計算卡門渦流、穩流抖振和臨界橫流速是否會引起振動，確定最大無支撐跨距，控制隔板之間的距離，并在換熱器中合理設置防振隔板，避免共振對鈦管造成破壞，保證換熱器安全穩定運行。

2.3 冷凝水處理

由于循環冷卻水與煙氣不接觸，冷凝水質只受煙氣的影響。對于目前能夠實現超低排放的燃煤機組，其濕法脫硫出口的粉塵含量一般低于10mg/Nm3，溶解固體濃度也只有100～200mg/L。但由于脫硫出口煙氣中含有一定量的SO2、SO3、NO2、HCl、HF等酸性氣體，因此其冷凝水呈酸性（pH=3～4）。

采用鈦管冷凝技術回收的水經過加堿性藥劑中和以后，冷凝水的再利用如圖4所示。通過冷凝水重復利用可降低廢水處理量，減少一次性投資成本，并起到機組節水的效果。

圖4 冷凝水處理再利用示意圖

3 應用效果分析

鈦管冷凝器自2019年10月份投運后，設備平穩運行，煙氣冷凝除濕效果顯著，煙囪出口白煙消除效果良好。為掌握改造后設備實際運行情況，對鈦管煙氣冷凝裝置相關指標進行測試（圖5）。鈦管煙氣冷凝器進口測試位置布置在冷凝器前的水平煙道上，布置6個測孔；出口測試位置布置在冷凝器出口水平煙道上，在煙道頂部布置6個測孔。

圖5 鈦管冷凝器進出口溫度分布

當機組運行負荷約為400t/h時，鈦管冷凝器煙氣側運行參數如表1。從表中可知：實測鈦管冷凝器進口煙氣流量為638550m3/h，進出口測試斷面之間的壓差為278.1Pa，降溫幅度為4.1℃。其中鈦管冷凝器進出口的水平煙道上的溫度場如圖5。測試結果表明鈦管冷凝器煙氣降溫至43.6℃，比原設計值45℃（采暖季）低1.4℃，有效降低煙氣含濕量，緩解煙囪出口白煙問題；同時鈦管冷凝器煙氣阻力比設計值（300Pa）小22Pa，符合預期。從煙氣中冷凝下來水量可達12.5t/h，冷凝水經過加藥處理后可重復利用，達到一定的節水效果。

表1 冷凝器煙氣側運行參數

脫硫后近飽和濕煙氣進入鈦管冷凝器后，溫度下降，煙氣中的水蒸氣凝結，同時伴隨著顆粒、液滴間碰撞聚并，液滴尺寸變大。水蒸氣在鈦管外壁凝結形成水膜，細顆粒物在湍流或熱運動的驅動下向鈦管冷凝器壁面運動，最終被捕集；鈦管上冷凝液在中托板的排液作用下，形成局部“降雨”效應，也起到捕集細顆粒及細小液滴的作用。該過程為細顆粒碰撞聚并過程，主要機制為布朗團聚、湍流團聚等。

為了驗證鈦管冷凝器協同脫除污染物的能力，測定了鈦管冷凝器進出口顆粒物、SO2、NOx濃度進行比較，由表2可知，現場運行工況鈦管冷凝器顆粒物脫除效率為31.579%，SO2脫除效率為22.5%，SO3脫除率為43.9%，NOx脫除效率為13.407%。

表2 鈦管冷凝器協同脫除污染物效果

4 結語

①鈦管冷凝器能夠適應濕法脫硫后煙道復雜工況，滿足防腐、防震等要求。②鈦管冷凝器在400t/h負荷下，降溫幅度為4.1℃，最終煙溫低于設計值1.4℃，降低煙氣含濕量效果顯著，緩解了煙囪出口白煙現象。③鈦管冷凝器運行阻力為278.1Pa，小于設計值22Pa。④鈦管冷凝器在協同脫除煙氣污染物方面表現良好，顆粒物脫除率為31.579%，SO2脫除率為22.5%，SO3脫除率為43.9%，NOx脫除率為13.407%。