鍋爐煙氣余熱相變換熱器研究與應用

辛 亮，安 洋

(吉林吉長電力有限公司，吉林 四平 136001)

1 設備概況

吉林吉長電力有限公司2號鍋爐是武漢鍋爐廠設計、制造的WGZ-4109.8-10型自然循環汽包爐，采用平衡通風，鍋爐煙氣處理為兩級除塵系統，一級為電除塵器，二級為布袋除塵器，鍋爐設計排煙溫度為167.9 ℃，經過多年運行，目前已達到210 ℃左右。由于機組建設時間較長,機組受場地制約,只能選擇換熱效率高的換熱器,才能實現在有限空間內將排煙溫度降低到預期目標，從而改善布袋除塵器的使用條件和使用壽命，同時達到對回收熱量進行梯形利用的目的。

2 相變式換熱器

2.1 技術原理

從余熱回收熱量的多少及提高電除塵效率等方面考慮，通常將余熱回收系統布置在2個電除塵器入口煙道前，因現場煙道的位置、空間尺寸、降溫幅度以及設計邊界條件選取等方面問題，同時考慮有限空間可能導致煙道內流場不均，從而加快磨損等，此外因結構原因，在系統啟停過程中會出現管道振動[1-2]。鑒于以上問題，同時考慮到其他電力企業低溫省煤器存在的問題，為了確保機組運行的經濟性和安全性，利用相變式換熱器對煙氣余熱裝置進行研究設計，形成新的系統。

本文借鑒熱管的原理，設計開發微正壓相變式換熱器。相變換熱器采取的兩相流換熱，當加熱壁面的過熱度較小時，壁面上沒有汽泡產生，傳熱屬于自然對流工況，即單相流狀態[3-4]。隨著壁面溫度增加，壁面上汽化核心開始產生汽泡。在汽泡擾動下，邊界底層熱阻大幅減小，傳熱系數迅速提高，同時介質吸收潛熱，熱流密度急劇增大，這也是核態沸騰換熱系數較單相流換熱大幾個數量級的原因[5-6]。

2.2 相變式換熱器優點

a.通過調整進入煙道換熱器工質的溫度，來實現煙道換熱器壁溫的控制，既可解決低溫腐蝕問題，也可最大限度回收余熱。

b.由于傳熱效率高，相同邊界條件下，換熱器換熱面積小，管間距增大，煙氣流速降低，既解決了由于煙速過快而導致的磨損問題，又可提高效率，降低造價。

c.由于溫度可調可控，換熱器對鋼材綜合性能要求相對低，成本小。

d.相變換熱器內的傳熱工質為有機物等混合物，即使發生泄漏，也可以氣體狀態隨煙氣進入脫硫吸收塔，不會發生換熱器堵塞問題。

e.系統調整手段較多，可以根據負荷情況、煤的硫含量來調節進入煙道換熱器的工質溫度，從而調控煙氣溫度。

煙氣余熱回收利用系統見圖1，鍋爐尾部煙氣余熱回收裝置采用的相變式換熱器，通過采用有機工質作為中間介質，實現取熱和放熱。鍋爐煙氣余熱回收通過2個回路實現，一個回路為工質回路，也稱內回路或取熱回路；另一個回路為冷凝回路，也稱外回路或放熱回路。內回路吸熱段采用相變式換熱器布置于煙道內，相變介質吸取煙氣熱量由液態變成氣態，經導氣管流入外回路；外回路放熱段換熱器單獨布置在煙道外側，氣態介質在放熱段換熱器中放熱，加熱冷卻水，相變介質冷凝成液態回儲液罐，在工質泵驅動下往復相變循環。吸熱段換熱器與放熱段換熱器具有獨立通道，相變介質作為中間介質實現熱量的梯形轉移利用。

圖1 煙氣余熱回收利用系統

3 余熱回收裝置系統組成

2號機組煙氣余熱回收裝置系統見圖2，本裝置由吸熱段換熱器及放熱段換熱器、工質系統、控制系統、凝結水、熱網水管路系統和吹灰系統等6部分組成。

圖2 2號機組煙氣余熱回收裝置系統

3.1 吸熱段換熱器

該系統主要是吸收煙氣的熱量將鍋爐排煙溫度由210 ℃降至160 ℃(冬季)，鍋爐左右煙道內部各布置1組煙道內部換熱器，每組煙道內部換熱器各由4組換熱器構成，每組換熱器出入口布置截止門，每組換熱器出現問題時均能夠獨立切斷與主系統的連接。同時，系統還配置了吹火器，定期清除受熱面可能積存的干灰，確保受熱面清潔，以保證設備高效的換熱效果。吸熱段換熱器主要參數見表1。

表1 吸熱段換熱器主要參數

3.2 放熱段換熱器

放熱段換熱器由凝結水換熱器、熱網水換熱器構成，型式為臥式、管殼式表面加熱器。凝結水換熱器、熱網水換熱器設計工況及主要數據匯總見表2—表4。

表2 凝結水換熱器設計工況

表3 熱網水換熱器設計工況

表4 換熱器主要數據匯總

3.3 相變工質系統

a.相變工質理化特性

外觀與特性：無色透明液體,具有刺激性氣味，腐蝕性較小；pH值：7.8～11.7(與設計有關)；熔點：-77～-10 ℃；沸點：65～96 ℃(與設計有關)；相對密度(水為1)：0.91～0.98；相對蒸氣密度(空氣為1)：0.6～0.87；臨界壓力：與設計有關。

b.穩定性和反應性

穩定性：穩定；禁配物：酸類、鋁、銅；危險的分解產物：無。

c.環境影響

大氣臭氧損耗潛能值(ODS)為零；全球溫室效應潛能值(GWP)小于1。

d.其他

相變工質因在煙道換熱器內實現單相流與兩相流轉換，其轉換溫度與系統壓力及系統輸入的熱量有關，這些相關條件都應在設計中統籌考慮。

工質系統由工質泵、閥門、管道、吸熱段、放熱段、儲液罐、液位計構成。工質泵共設置3臺，2運1備，系統可以進行切換互供。流程如下：工質泵輸送液態工質進入煙道內部吸熱段換熱器，工質吸熱相變成氣態通過管道輸送進入放熱段換熱器(凝結水換熱器和熱網水換熱器)，通過與凝結水、熱網水換熱后，工質由氣態變成液態回流進入儲液罐，完成工質系統的循環，此循環往復進行。

3.4 控制系統

3.4.1 煙氣側換熱器出口煙氣溫度

出口煙氣溫度取決于煙道換熱器的換熱效果，因此關鍵是工質在換熱器汽化過程，工質液位高度受負荷波動影響，需要控制工質泵的轉速來控制液位，最終達到排煙溫度：進口為200～210 ℃；出口為155～165 ℃。

3.4.2 冷凝側換熱器水量控制

降低煙氣側溫度，關鍵是工質攜帶熱量能否被冷凝側吸收，凝結水量為決定條件。煙氣換熱器出口溫度、煙氣換熱器液位高度、工質泵轉速、凝結水量形成閉環回路，即煙氣溫度升高時，提高工質泵轉速增加，工質流量攜帶更多的熱量，同步增加凝結側凝結水或熱網回水流量，確保出口煙氣溫度在160 ℃左右，并且越低越好，但不能低于110 ℃。

3.4.3 其他保護設置

a.煙氣換熱器泄漏

煙氣側換熱器泄漏保護設計主要是每組4個模塊差壓變化，低于平均值時設計成報警提醒功能。

b.外置換熱器泄漏

凝結水或熱網回水泄漏主要反映在儲液罐液位，當液位突升時可判斷換熱器是否發生泄漏。

c.工質泵

當儲液罐液位低于一定高度時停止工質泵運行；當工質泵電流、振動超過標準值也要停止工質泵運行。

3.5 凝結水、熱網水管路系統

從1號入口引出的部分凝結水進入放熱段凝結水換熱器管程，吸收了工質帶出的煙氣熱量，凝結水溫度升高后回流至出口，完成外循環過程。冬季從熱網循環泵引出部分熱網水進入放熱段熱網水換熱器管程，吸收了工質帶出的煙氣熱量，熱網水溫度升高后回流至熱網水母管混合，完成外循環。

4 結語

吉林吉長電力有限公司完成了2號鍋爐尾部煙氣余熱回收裝置改造。裝置采用相變式換熱技術，分為吸熱段和放熱段2部分。吸熱段設置2組H型翅片式煙氣換熱器；放熱段設置2組相變式換熱器，釋放出回收的熱量。

冬季供熱工況下，熱網換熱器及凝結水換熱器均投入使用，回收余熱全部用于 1號機組。鍋爐蒸發量為256 t/h時，煙氣換熱器兩側煙氣平均溫降為51.6 ℃，煙氣換熱器總回收功率為6377 kW，等效1號機組熱效率提高0.723個百分點,煙氣余熱系統總體影響供電煤耗降低2.76 g/kWh。夏季純凝典型工況下，僅凝結水換熱器投入使用，回收余熱全部用于3號機組。鍋爐蒸發量為373 t/h時，煙氣換熱器兩側煙氣平均溫降為51.8 ℃，總回收凈功率為9801.3 kW，等效3號機組熱效率提高0.776個百分點，供電煤耗降低3.15 g/kWh。

相變換熱與單相流換熱相比，其傳熱系數同比提高3～5倍，綜合考慮煙道換熱器換熱管內外部因素，其綜合傳熱系統為單相流換熱的1.5～2.4倍。采用相變式換熱器可以在有限空間內實現大幅度降溫的效果。