复合相变技术在链条锅炉中的应用

复合相变换热技术在链条锅炉中的应用江苏江源热电有限公司吴晓王桂山摘要：复合相变换热技术主要是根据热交换原理，利用复合相变换热器实现烟气与水的对流换热，达到回收烟气余热、提高水温、降低排烟温度的目的，实现节能降耗和治理污染的目标。它通过采用具有自主知识产权的“相变段”独有专利技术，创设“壁面温度”换热器设计参数新理念，彻底解决了烟气低温结露和腐蚀等关键性难题。它的核心部分“相变段”通常安装在烟气进入除尘器前的水平烟道上，加热后的除盐水则送回到除氧器中循环利用。关键词：复合相变链条锅炉节能减排增效1、前言江苏江源热电有限公司属技术密集型热电联产企业，位于江阴长江大桥北岸、江苏沿江城市--靖江市城区的东北部，占地80余亩，固定资产1.06亿元。现有职工280人，其中科技人员62人。主要设备有：UG-75/39-MX5-15型75t/h双链条炉1台(0#锅炉)，WGC-35/39-15型35t/h链条炉1台(1#锅炉)，UG-35/39-MX5型35t/h抛煤炉5台(2#～6#锅炉)，6MW和3MW背压式汽轮发电机组各一台，6MW抽凝式汽轮发电机组一台，总装机容量为15MW。生产能力为：年产蒸汽约110万吨、电力1.1亿千瓦时。公司正常运行三台炉，每天用煤400多吨，产生烟气约7000km3。这些高温烟气含有较多热量，排入大气中既造成了环境热污染，又造成了能源的大量浪费，还增加了除尘负担。为响应国家节能减排的号召，实现回收烟气余热、降低排烟温度、减少污染物排放，公司经过前期调研、可行性分析及对周边电厂使用效果考察等，决定对0#锅炉实施复合相变换热器技改。2、复合相变换热技术2.1热管换热器的低温腐蚀由于燃煤锅炉产生的烟气中含有硫氧化物，与水蒸气结合后即形成硫酸蒸汽。当换热器壁面温度低于硫酸蒸汽的凝结点（称为酸露点），则会在其表面形成液态硫酸（称为结露），引起低温腐蚀，导致热管换热器损毁。2.2复合相变换热技术工作原理2.2.1复合相变换热技术主要是根据热交换原理，利用复合相变换热器实现烟气与水的对流换热，达到回收烟气余热、提高水温、降低排烟温度的目的，实现节能降耗和治理污染的目标。它通过采用具有自主知识产权的“相变段”独有专利技术，创设“壁面温度”换热器设计参数新理念，彻底解决了烟气低温结露和腐蚀等关键性难题。它的核心部分“相变段”通常安装在烟气进入除尘器前的水平烟道上，加热后的除盐水则送回到除氧器中循环利用。2.2.2“相变段”的概念是将原热管换热器中相互独立的部分，通过优化设计构造成一个关联的整体，保证“相变段”受热面最低壁面温度只有微小的梯度温降。2.2.3通过“相变段”烟气与水的对流换热，可以使水充分吸收烟气中的余热，实现提高水温、降低自用汽的目的。2.2.4通过“相变段”水量的调节，可以对受热面最低壁面温度实现闭环控制，实现壁面温度的恒定或调节。2.3复合相变换热技术核心内涵2.3.1大幅度降低烟气排放温度，使大量的中低温热能被有效回收，产生十分可观的经济效益。2.3.2在降低排烟温度的同时，保持金属受热面壁面温度处于较高的温度水平，远离酸露点的1腐蚀区域，从根本上避免了结露腐蚀和堵灰现象的出现，大幅度降低设备的维护成本。2.3.3实现了换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态，使复合相变换热器具有相当幅度的调节能力，适应锅炉的燃料品种以及传热负荷的变化，使排烟温度和壁面温度保持相对稳定。2.3.4保留了热管换热器所具有的高效传热特性的同时，可通过排除不凝气体有效解决老化问题，大大延长了设备的使用寿命。3、0#锅炉生产情况3.1运行记录0#锅炉实际运行情况：当锅炉给水流量70t/h时，省煤器进口水温102℃，出口水温235℃，沸腾度0.64%，省煤器进出口烟温分别为660℃、270℃，空预器进出口风温分别为20℃、190℃，排烟温度170℃，烟气流量为144800m3/h，即89252Nm3/h，通过热平衡计算，得出空气流量为57200Nm3/h。其相关参数如下图所示：省煤器空预器烟气给水102℃70t/h235℃660℃270℃20℃190℃170℃3.2燃料分析及酸露点估算0#锅炉采用煤炭作为燃料，煤质分析资料如下表：项目符号单位数值收到基低位发热值Qnet.arMJ/kg21.653收到基水分Mar%14.49收到基灰分Aar%21.884收到基碳Car%52.42收到基氢Har%4.56收到基氧Oar%4.96收到基氮Nar%0.896收到基全硫Sar%0.8采用冯俊凯等主编的《锅炉原理及计算》（第三版）推荐的经验公式，烟气酸露点计算如下：β为常数，当α=1.5时，取β=129；飞灰系数fh0.1折算硫分1067.10/10000,3695.0/10000dwyzsdwyzsQAAQSS℃42.10814.6528.43]05.1/42.0[42.03ASttyZSfhyzsoldld根据上述数据计算得出烟气酸露点为：tld=108.42℃。下表列出了在通常的运行工况下0#锅炉使用不同煤种的烟气酸露点值：20.6%0.7%0.8%0.9%1.0%1.1%1.2%1.3%1.4%1.5%1.6%1.7%6%71727374.57677.579818384.586877%71.572.573.57576.57879.58283.58586.5888%72737475.57778.58082.58485.58788.5为保证受热面足够安全，复合相变换热器壁面温度设定值应高于烟气酸露点值10～15℃左右。根据0#锅炉燃煤煤质及酸露点估算值，我们将复合相变换热器的最低壁面温度设置在118℃以上、排烟温度设置在133℃以下。4、技术改造方案4.1具体方案:加热除盐水在0#锅炉烟气系统尾部水平段即除尘器前的水平烟道，加装一台复合相变换热器（FXH）吸热段。其作用为：a、回收烟气中的热量加热除盐水，使除盐水从环境温度（初定20℃）被加热至100℃以上回到除氧器，使排烟温度从原先的170℃降到133℃左右；b、FXH吸热段受热面壁面温度始终高于燃煤酸露点温度，保证换热器不结露、不积灰、不腐蚀，安全运行。其缺点为：加装FXH吸热段将增加烟气阻力约280Pa左右，相变下段内部管片上会积灰。4.2设计参数序号参数单位数值10#锅炉额定蒸发量t/h752烟气流量Nm3/h892523复合相变换热器入口烟气温度℃1704复合相变换热器出口烟气温度℃133±55复合相变换热器入口水温℃206复合相变换热器出口水温℃≥1007复合相变换热器水流量t/h148复合相变换热器烟气侧压降Pa≤2809复合相变换热器空气侧压降Pa≤25010复合相变换热器本体水侧压降MPa0.021211复合相变换热器回收热量kW130412复合相变换热器受热面最低壁面温度℃≥1184.3复合相变换热器工艺流程如下图所示：相变段烟气水平烟道至除氧器自控装置旁通管路烟气侧阻力≤280Pa除盐水20℃100℃170℃133℃受热面最低壁面温度≥118℃14/h含硫量酸露点含水量34.4复合相变换热器的系统接入如下图所示：过热器锅炉除氧器高加给水泵除盐水冷凝水汽轮机冷凝器凝水泵低加除盐水母管除盐水泵烟气相变换热器20℃100℃170℃133℃4.5运行控制4.5.1现场采用热电阻等采集终端，将烟气及除盐水的温度、流量等信号采集到中控室计算机上，经DCS系统控制处理，使复合相变换热器壁温处于控制范围内，实现无人自动运行。4.5.2控制流程示意图如下：9801MTCTETI07010701TETI07030703TI6102TITE6102TE61016101TE9801相变下段相变段汽包原空预器烟气出水进调节阀温度温度温度温度温度F流量用户DCS系统4.5.3控制系统控制系统由温度传感器（铂热电阻）、中控室计算机、执行器（电动调节阀）、流量计等组成。4控制系统图如下：通讯总线温度流量调节阀相变换热器系统19监控计算机/DCS系统4.5.4复合相变换热器外形及布置相变段汽包相变段截止阀截止阀测温仪表去除氧器混凝土地基自控装置旁通管电动调节阀截止阀汽包1330DN159来自除盐水泵250070004.6防止磨损、积灰的方法和措施由于烟气中灰尘对复合相变换热器会造成磨损，同时会在烟道底部和相变下段管片上堆积，为保证复合相变换热器的寿命，我们给复合相变换热器前两排受热面（沿烟气方向）加装了防磨瓦，适当增加了导流板以防止烟气走廊的产生；为防止灰尘堆积在烟道底部和相变下段管片上，我们使用弱爆吹灰器（BFA－VI系列）定期对相变换热器进行清灰。4.7对0#锅炉运行的影响4.7.1对除尘器的影响现有除尘系统为水膜除尘，实施复合相变换热器技改后，0#锅炉除尘器入口烟温从原先170℃降至133℃左右，烟气温度下降，除尘水温度随之下降，小灰容易沉淀，除尘效果更好。54.7.2对引风机的影响4.7.2.1技改前：0#锅炉引风机开度为50%，排烟温度为170℃，烟气流量为144800m3/h，引风机全压为3000Pa左右。4.7.2.2技改后(增设复合相变换热器)：排烟温度为133℃，复合相变换热器出口烟气流量为132734m3/h。4.7.2.3技改后比技改前：(1)增设复合相变换热器引风机增加阻力280Pa；(2)烟气体积流量减小8.3%，引风机出力富裕3000Pa×0.083＝249Pa。4.7.2.4引风机出力需增加=280-249=31Pa，仅仅是略有上升，对引风机的影响很小。4.7.2.5对引风机的影响图示如下：换热器烟气引风机引风机烟囱烟囱改造前改造后增加阻力≤280Pa风机出力3000Pa170℃144800m3/h144800m3/h170℃烟气144800m3/h170℃烟气133℃132734m3/h133℃132734m3/h风机出力3031Pa5、投资效益分析5.1资金投入0#锅炉复合相变换热器技改原先统包资金预算为116.4万元，但我们通过加强目标成本管理、比质比价采购设备、优化完善技改工艺、采用工程分拆等方法，有效降低了设备采购、土建、安装等费用，最终仅投入88万元就圆满完成了该技改任务。5.2节能效益估算(烟气法)技改后，复合相变换热器蒸发段进口烟气温度为170℃，换热器尾部排烟温度为133℃，此区间烟气降温幅度为37℃。5.2.1回收烟气热量Q烟Q烟＝(Vg×ρg×Cpg×ΔT×δ)/3600＝(89252×1.295×1.12×37×0.98)/3600＝1304(kw)式中烟气流量Vg＝89252Nm3/h，烟气密度ρg＝1.295kg/Nm3，烟气比热Cpg＝1.12kJ/(kg℃)，复合相变换热器前后排烟温度温差ΔT＝170－133＝37℃，设备保热系数δ取0.98。5.2.2年节约标煤量GcGc＝(860×Q×HR)/(Qp×1000)＝(860×1304×7200)/(7000×1000)＝1153(吨/年)式中回收烟气热量Q烟＝1304kw，860kCal/kwh为单位转换系数，0#锅炉每年运行时数HR＝300天×24小时/天＝7200小时，标煤发热量Qp＝7000kCal/kg。5.2.3年预计节能效益按原煤计划全年平均发热量5300kcal/kg、全年平均无税价730元/吨计算，则标煤无税价＝6730×(7000÷5300)＝964元/吨0#锅炉复合相变换热器年预计节能效益=1153×964÷10000=111(万元/年)。5.3实际节能效益计算(除盐水法)5.3.10#锅炉复合相变换热器实际运行数据及节煤数0#锅炉复合相变换热器自2010年10月29日投运后，运行状况良好，至2011年3月29日累计运行近4个月(117天)，共加热除盐水39729吨，进出烟气平均温差为38℃，进出水平均温差为76℃，回收烟气余热12621108720kJ/kg，折算原煤547吨，折算标煤431吨。具体如下表：数据名称运行区间进水量（t）进水温度（℃）出水温度（℃）进出水温差（℃）回收热量折原煤（t）回收热量折标煤（t）