基于氟塑料換熱器的新型煙氣余熱深度回收技術(shù)研究

文_邵青 李巧 閆翠卿

1 中機(jī)中電設(shè)計研究院有限公司 2 北京華電泰銳科技有限公司

1 氟塑料換熱器相關(guān)研究

氟塑料換熱器由聚四氟乙烯、全氟代烷基乙烯基醚共聚物。四氟乙烯、聚全氟代乙丙烯組成，氟塑料換熱設(shè)備具有極強的抗腐蝕性，可在惡劣工況下工作。與此同時，該材質(zhì)換熱設(shè)備摩擦系數(shù)較小，并且高溫耐受能力強，可在250℃的環(huán)境下在壽命期限內(nèi)工作。關(guān)于氟塑料的研究最早可追溯到化工抗腐蝕領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代，美國將聚四氟乙烯材質(zhì)的交換器應(yīng)用在化工領(lǐng)域，為氟塑料在換熱器技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。隨著氟塑料換熱器的研發(fā)，新型氟塑料換熱器應(yīng)運而生，將其與石墨板聯(lián)合可獲得性能更加優(yōu)良的換熱設(shè)備，可使用在貴金屬難以適應(yīng)的強腐蝕環(huán)境中。

氟塑料換熱器相比金屬換熱器具有如下幾點優(yōu)勢：①氟塑料換熱器的傳熱面積大于金屬材質(zhì)的換熱器，并且氟塑料換熱設(shè)備的重量較小。此外，氟塑料換熱設(shè)備的管徑比金屬材料換熱設(shè)備小，并且管壁更薄，傳熱系數(shù)追到可達(dá)到二百二十瓦。對此，兩種材質(zhì)的換熱設(shè)備在相同條件下，氟塑料換熱設(shè)備具有多項優(yōu)勢。②氟塑料換熱器可在強酸與強堿等強腐蝕環(huán)境下長時間工作，并且不受惡劣工況的影響，解決了金屬材質(zhì)換熱器抗腐蝕性弱的問題。③改材質(zhì)換熱器的流動阻力較小，同時管線的摩擦阻力小，發(fā)生管道堵塞的風(fēng)險較低。④改材質(zhì)換熱器多采用模塊式安裝，具有安裝難度低且檢修方便的優(yōu)勢。

2 新型煙氣余熱深度回收技術(shù)原理與優(yōu)勢

2.1 新型煙氣余熱深度回收技術(shù)原理

從圖1可以看出，該技術(shù)由兩級換熱器，二者為串聯(lián)連接，在管線和機(jī)組的引導(dǎo)下和回收系統(tǒng)并聯(lián)。新型煙氣余熱深度回收系統(tǒng)中，首級為金屬低壓省煤裝置，處于空預(yù)設(shè)備和除塵設(shè)備的中心位置，次級為福隋傲換熱設(shè)備，將其放置在除塵設(shè)備和脫硫塔的中心位置。首級與次級換熱設(shè)備利用串聯(lián)的方式連接。根據(jù)圖1可知，高溫煤水在8號低溫加熱器入口和7號出口產(chǎn)出，經(jīng)過管線匯集后進(jìn)入氟塑料換熱器，經(jīng)過換熱后回到6號低溫加熱器的入口位置。從系統(tǒng)構(gòu)造分析，新型煙氣余熱深度回收系統(tǒng)需滿足兩個參數(shù)要求，一是金屬材料的低壓省煤裝置出口位置需在煙氣酸漏點溫度的15℃以上，并且確保低壓省煤裝置和除塵裝置不受腐蝕威脅。同時，在次級氟塑料換熱設(shè)備換熱后的煤水，需讓煙氣降低到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，確保脫硫塔穩(wěn)定工作，最大限度壓縮脫硫大供水量。總體而言，新型煙氣余熱回收系統(tǒng)的運行應(yīng)在上述兩個參數(shù)的支持下對閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此實現(xiàn)余熱回收。

圖1 技術(shù)原理

2.2 新型煙氣余熱深度回收技術(shù)優(yōu)勢

新型煙氣余熱深度回收系統(tǒng)是建立在傳統(tǒng)回收系統(tǒng)之上的，具有如下幾個優(yōu)勢：①新型煙氣余熱深度回收系統(tǒng)具有較強的適用性，可在閥門的支持下控制低壓省煤設(shè)備出口溫度，可解決酸腐蝕問題。同時系統(tǒng)的次級換熱器為抗腐蝕與強傳熱的氟塑料換熱器，消除了設(shè)備受腐蝕運行異常的風(fēng)險。②新型煙氣余熱深度回收系統(tǒng)具有極佳的調(diào)節(jié)性，可借助閥門對換熱器的凝結(jié)水量進(jìn)行控制，同時可調(diào)節(jié)出口溫度，實現(xiàn)不同條件下的余熱回收。③新型煙氣余熱深度回收技術(shù)可將排煙溫度降到最低水平，可最大限度回收余熱，提升資源的利用率。利用氟塑料換熱設(shè)備的總傳熱系數(shù)最佳，并且傳熱面積更小，換熱質(zhì)量更強。④新型煙氣余熱深度回收技術(shù)具有較強的可操作性。當(dāng)處于低負(fù)荷工作環(huán)境時，假定空預(yù)設(shè)備出口溫度低，可在低壓省煤器旁側(cè)調(diào)節(jié)閥的作用下控制溫度，或?qū)⒃O(shè)備關(guān)閉讓氟塑料換熱器次級單體運行。

3 基于氟塑料換熱器的新型煙氣余熱深度回收技術(shù)應(yīng)用

3.1 工程概況

將配置氟塑料換熱器的新型煙氣余熱深度回收系統(tǒng)部署在某1kMW的機(jī)組中，回收鍋爐尾部位置余熱回收模塊的凝結(jié)水。通過對系統(tǒng)運行參數(shù)進(jìn)行熱力系統(tǒng)計算分析，判斷系統(tǒng)投運前后的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益。

3.2 新型煙氣余熱深度回收系統(tǒng)核心參數(shù)

本系統(tǒng)煙氣量為3252000Nm3·h-1，低壓省煤器進(jìn)口與出口煙氣溫度分別為130℃和108℃，煙氣酸漏電溫度誒92℃，氟塑料換熱器進(jìn)口與出口煙氣溫度分別為108℃和85℃，低壓省煤器的總重量為380t，氟塑料換熱設(shè)備重量為42t，換熱總阻力為650Pa。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)金屬換熱器高溫段和低溫段采用分級布置的方式，采用低溫酸腐蝕換熱管道，材質(zhì)為2205。氟塑料換熱器有抗強酸腐蝕特性，且不存在低溫酸腐蝕問題。即便氟塑料換熱器的管線由導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)異的金屬管線組成，但由于才用了管徑較小且管壁較厚的換熱管線，所以導(dǎo)熱熱阻相比比較小。與此同時，利用管徑相對較小的換熱管道，特征尺寸相比金屬材質(zhì)的換熱器小，所以氟塑料換熱器傳熱系數(shù)可達(dá)到82.1。針對工程改性，由于金屬換熱器全部換成氟塑料換熱器難度較大，所以結(jié)合工況對部分金屬材質(zhì)換熱器進(jìn)行更換，盡可能進(jìn)校拓展工程量。氟塑料換熱器運行阻力小于金屬換熱器，所以氟塑料化熱器風(fēng)機(jī)電耗相對較小，同時對系統(tǒng)運行的影響較小。對此，將氟塑料換熱器作為次級處理裝置，當(dāng)首級處理裝置不滿足條件或遭受強酸腐蝕后，在閥門控制下截停首級余熱回收線路，讓次級回收管線作為主渠道。

3.4 新型煙氣余熱深度回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評估

依照機(jī)組運行狀態(tài)，結(jié)合余熱回收系統(tǒng)運行采納數(shù)，在等效焓降法的支持下，判斷系統(tǒng)運行后的經(jīng)濟(jì)性。機(jī)組熱耗率與機(jī)組汽耗率分別為7318和2846kJ·（kW·h）-1，汽輪機(jī)進(jìn)氣量為2846t/h。汽輪機(jī)組運行效率為98%，鍋爐效率為94%，管道效率為97%。回收系統(tǒng)機(jī)組熱耗率同比減少率為102kJ·（kW·h）-1，總煤量節(jié)約為3.68g·（kW·h）-1。總體而言，新型煙氣余熱深度回收系統(tǒng)運行過后，總節(jié)約煤量在2.7g·（kW·h）-1。依照單元機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)核算方案，發(fā)電功率大約增加了0.85%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低2.61g·（kW·h）-1。

3.5 新型煙氣余熱深度回收系統(tǒng)的環(huán)境效益評估

本鍋爐在運行階段產(chǎn)生的煙氣溫度在100～140℃，在煙氣溫度降低的影響下，粉塵的比電阻下降。所以，系統(tǒng)運行過后，電除塵設(shè)備入口溫度下降，意味著設(shè)備除塵效率得到改善，并且耗電量下降。系統(tǒng)內(nèi)部脫硫模塊耗水量和系統(tǒng)蒸發(fā)水量相關(guān)。由于脫硫塔入口煙氣溫度下降，導(dǎo)致脫硫模塊減溫水補給量下降。通過計算原有水量和飽和水蒸氣，可得出脫硫裝置蒸發(fā)水量的總數(shù)值。總體而言，系統(tǒng)投運后，煙氣溫度從最初的130℃下降到85℃，且脫硫模塊蒸發(fā)水量顯著下降，按照年換算可節(jié)省超過44萬噸水。此外，由于新型煙氣余熱深度回收系統(tǒng)提升了余熱回收占比，降低了機(jī)組供電時的煤耗量，從而減少了二氧化碳?xì)怏w的產(chǎn)出量，降低了二氧化硫等污染氣體排放量。應(yīng)用該系統(tǒng)后，年節(jié)約煤量約為13578t，可減少二氧化碳約為35600t，二氧化硫為116t。

3.6 投資回報評估

部署新型煙氣余熱深度回收系統(tǒng)后，對其投運經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估，低壓省煤設(shè)備投資約為600萬元，氟塑料換熱器投資約為1900萬元，配置元件及操控系統(tǒng)投資約為518萬元，施工安裝費約為325萬元，系統(tǒng)總投資約為3345萬元，年收益為696.8萬元，回收周期約為5.6年左右。總整體分析，系統(tǒng)投運后年收益客觀，并且成本回收周期在可行范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

本文主要研究了氟塑料換熱設(shè)備支持下的新型煙氣余熱深度回收技術(shù)的應(yīng)用方式，分析了氟塑料換熱器的性能與優(yōu)勢，指出了新型煙氣余熱深度回收系統(tǒng)的技術(shù)原理。通過對某機(jī)組的研究，得出了基于氟塑料換熱器的新型煙氣余熱深度回收系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)性佳、適用性強、環(huán)保性能優(yōu)異等結(jié)論。