复合相变换热器技术在循环硫化床锅炉中的应用

249复合相变换热器技术在循环硫化床锅炉中的应用张志宇宋建新周刚磊许昌市锅炉压力容器检验所摘要:复合相变换热器技术在循环硫化床锅炉上的应用已经有了成功的先例。利用复合相变换热器替代其它型式空气预热器，能在大幅度降低排烟温度的前提下有效地防止锅炉尾部受热面的低温腐蚀，并可自动调控受热面壁温；采用低频声波除灰器技术较好地解决了翅片管的灰堵问题，从而为锅炉节能技术的发展开劈了一条广阔的途径。关键词：节能复合相变换热器烟气酸露点壁温空气预热器低频声波除灰器0前言循环硫化床锅炉有很多优点，主要是可以有效地燃烧无烟煤、贫煤、高硫高灰煤及其它劣质煤，特别适合于我国国情。所以这类锅炉在我国发展很快，某些方面在世界上已经处于领先地位。由于它无法克服机械不完全燃烧损热失较大这一不足，这类锅炉的效率相对较底。为了弥补这种不足，一条行之有效的途径就是从降低排烟温度来挖掘潜力，大约降低排烟温度17℃可以把锅炉效率提高一个百分点。现在一般锅炉的排烟温度约在140～160℃，若能将排烟温度降至110℃，则将提高锅炉效率1.8～2.9个百分点，对节能和环保都能起到显著作用。1节能与低温腐蚀间的矛盾众所周知，随着排烟温度的下降，尾部受热面的温度也不断降低。一但壁温低于烟气的酸露点，受热面开始结露而形成强烈的低温腐蚀。一般来说，燃煤锅炉的烟气酸露点在80～120℃之间，渣油的烟气酸露点则在130～150℃之间。由于我国燃料供应混乱，烟气露点值变化很大，造成设计和运行的困难，有些锅炉的空气预热器往往刚刚使用半年就开始腐蚀穿孔，然后漏风愈演愈烈，勉强维持使用二年，最后不得不更换。随着燃料与钢铁比价的不断上升，锅炉设计排烟温度不断下降，这样一来尾部受热面的低温腐蚀问题就日益尖锐。表1示出不同结构空预器为保证受热面最低壁温为Tw时所要求的排烟温度。表1进口空气温度为20℃时不同结构空预器最低壁温Tw要求的排烟温度受热面形式TW=80℃TW=100℃TW=120℃TW=140℃立式管式空预器170℃220℃270℃320℃卧式管式空预器120℃150℃180℃220℃热管式空预器120℃150℃180℃220℃250回转式空预器110℃140℃170℃200℃复合相变换热器100℃120℃140℃160℃由表1可见，传统烟气管内流动的立管式空气预热器要求很高的排烟温度，否则尾部受热面会严重结露；烟气在管外绕流的卧管式空气预热器相比之下就能承受较低的排烟温度，正因为这一点，在最近空气预热器的设计中，卧式顺列管束结构被越来越多地采用；热管空气预热器具有与卧管式空气预热器大致相同的壁温性能；回转式空气预热器能承受更低的排烟温度；复合相变换热器则能承受最低的排烟温度。由表1还可以看出，随着烟气酸露点的提高（即要求Tw的提高），不同受热面对排烟温度要求的差距也加大，也就愈显出复合相变换热器性能的优越。2复合相变换热器的基本原理及特性复合相变换热器由不同的换热部件组成，其中，相变工作段是它的核心部件之一。相变段通过使置于相互连通空间中的合适媒质处于“相变”状态，从而保证相变段全部容器壁面的温度处于大致相同状态，为整个相变段金属壁面温度处于较高温度水平，并为可控、可调提供了可能。另一方面，“复合”则意味着对不同强化换热技术不同优势的综合利用，并根据不同的使用要求，借助于设置冷热流体的不同分流和不同配比，以实现现代高效换热器不同形式的优化组合，构造成不同具体形式的复合相变换热器。当复合相变换热器应用于锅炉上时，传统锅炉设计将会出现一些新的设计理念：(1)尾部受热面的最低壁温能够实现整体可调可控；(2)受热面最低壁面温度不再仅仅是一个校核量，而作为一个最基本的设计变量或一种必要的约束条件，纳入到锅炉的设计规范中；(3)在通常压降和经济性设计的前提下，能将最低壁面温度与排烟温度之差有效控制在15～25℃之间；(4)同一台锅炉在使用不同燃料而需要不同的最低壁面温度时，能够通过调节器，使锅炉的空气预热器处于最佳工况。3复合相变换热器在循环硫化床锅炉上的应用复合相变换热器一般由螺纹槽管段、相变段和水调节装置三部分组成，置于省煤器的下面（结构如下图）。冷空气首先进入相变段，吸收热量后温升至60～70℃，然后进入螺纹槽管段加热至设计要求温度；常温水通过相变段上部汽包内的水调节装置吸收热量温升至80℃左右，然后进入除氧器，并通过调节水量来控制相变段的壁温；烟气首先进入螺纹槽管段，温度降至120℃左右后从相变段尾部排出，其余热得到了充分利用。烟气水251水调节装置水空气空气空气烟气烟气螺纹槽管段相变段由九江科洋热技术设备有限公司设计制造的复合相变换热器已分别应用于安装在福建凤竹集团的25/t和40/t循环硫化锅炉上，并已正式投入热电联产运行近两年。经福建省电力试验研究院（火电工程国家甲级调试单位）对该装置进行的测试结果表明，其性能全面达到和优于原设计指标，其主要测试结果为：当排烟温度为122℃时，复合相变换热器的最低壁温为106℃：通过调节器的水量控制，其壁面温度的调节范围为106～131℃，最低壁温与排烟温度的温差最大仅为16℃；经过近两年的运行，未发现腐蚀和堵灰现象，且受热面磨损甚微。该装置于2000年12月正式通过国家级新产品技术及产品鉴定。锅炉在运行中经常会因各种原因调整负荷，有时还会长期处于低负荷下运行，这样以来使得空气预热器尾部受热面壁温进一步下降，甚至低于露点温度，在额定负荷不发生低温腐蚀的受热面，在部分负荷时就会出现低温腐蚀。由于复合相变换热器具有尾部受热面壁温大致这一特性，且可调可控，当锅炉长期处于低负荷运行时，可通过水调节器控制壁温处于烟气酸露点温度以上，从而避免了锅炉在长期低负荷运行时尾部受热面出现低温腐蚀。表2列出了40t/h循环硫化床锅炉空气预热器尾部在额定负荷和部分负荷采用不同受热面型式时壁温与排烟温度的关系（此时空气入口温度为20℃）。由表2数据可见复合相变换热器的突出优点不仅在于它的尾部受热面最低壁温明显高于其它型式受热面，而且它的壁温在锅炉负荷变化时可以保持稳定，还能做到可调可控，针对不同的煤种确定相应的控制壁温，从而保证了锅炉在经济、安全的条件下运行。表2不同结构空气预热器尾部受热面最低壁温与排烟温度的关系受热面型式100%负荷61.5%负荷排烟温度尾部最低壁温排烟温度尾部最低壁温立式管束空预器130℃58℃115℃52℃热管管束空预器136℃89℃119℃77℃水平管束空预器131℃93℃115℃82℃复合相变换热器120℃100℃117℃101℃从目前我国的燃煤分布情况来看，循环硫化床锅炉的烟气酸露点一般不超过85℃。这时，控制复合相变换热器最低壁温不低于90℃是安全的，此时的排烟温度将降至110℃左252右。可见，复合相变换热器应用于循环硫化床锅炉，可在保证空气预热器安全运行的前提下，比传统空气预热器排烟温度降低35℃左右。这部分热量被有效回收利用，系统热效率将提高2%左右，节能效益十分显著。4低频声波除灰器的应用低频声波除灰器是近几年发展起来的一项新技术。由于在锅炉上使用的时间还不长，所以尚未积累起成熟的经验。一般来说，对于不结露的受热面，既对不会粘附的干灰的清除是相当成功的。根据这种情况，本设备在最易产生灰堵的相变段翅片管束侧面装设了一台或两台（40t/h锅炉装设两台）低频声波除灰器，取得了良好的除灰效果，甚至对被细灰完全堵塞的翅片管束，其清除能力也是明显的。通常使用0.4～0.5Mpa的压缩空气，振动频率在50Hz左右，耗气量为1.5m3/min。声波振动吹灰与通常压缩空气或过热蒸汽吹灰的原理不同，前者是利用气体疏密波振动能量，使积灰松动悬浮，从而被流动的烟气带走。声波震动源按球面扩散，并有绕射作用，故声源不必移动，在允许的作用空间内不产生死角，在管子背后同样起到除灰作用。长波传播的衰减较慢，使它有足够的作用距离，且不具有方向性；后者则依靠气体射流的动能去冲击积灰，射流的能量在短距离内明显衰减，故有效作用距离很短且有强烈的方向性，在后排或管子背后的积灰就无法清除。传统吹灰器已有悠久的历史，但直到目前为止在其吹灰效果上都没有本质的突破。可以说高效传热的翅片管和低频声波除灰器的联合使用是锅炉尾部受热面的一种最佳组合。在锅炉70%负荷运行（此时烟气流速低，容易积灰）时，每隔2～5小时除灰一次（持续5分钟），就能得到良好的效果。当停止除灰超过48小时，检测发现翅片管束阻力增加了50Pa，相应的排烟温度约上升了5℃。在锅炉满负荷运行时，两次除灰的间隔时间还可以延长。5结论限制通过降低排烟温度来提高循环硫化床锅炉热效率的主要因素是随着排烟温度的进一步降低，空气预热器尾部受热面会出现低温结露酸腐蚀，从而导致严重的漏风和灰堵，致使锅炉无法正常运行。将复合相变换热器技术应用于循环硫化床锅炉，可使排烟温度降至120℃或更低，而受热面壁温仍燃保持在100℃左右，且可调可控，特别在锅炉低负荷运行时这个特性更显得宝贵，节能前景非常广阔。低频声波除灰器的应用，有效地解决了致密的翅片管用于锅炉上易发生灰堵的问题。参考文献：[1]冯俊凯，等.锅炉原理及计算（第二版）.科学出版社，1992，北京.253[2]岑可法，等.换热器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算.科学出版社，1994，北京.[3]林杰，等.25t/h循环硫化床锅炉与复合相变换热器配套使用的技术总结.《动力工程》，Vol.20No.5.