氟塑料換熱器在火電站中的應用實踐

樊鵬，李優，謝杰

(1.北京新世翼節能環保科技股份有限公司，北京 100176； 2.南海長海發電有限公司，廣東 佛山 528212)

氟塑料換熱器在火電站中的應用實踐

樊鵬1，李優1，謝杰2

(1.北京新世翼節能環保科技股份有限公司，北京 100176； 2.南海長海發電有限公司，廣東 佛山 528212)

介紹了一種針對電廠煙囪冒白煙和石膏雨問題而設計的新型氟塑料零泄漏水媒式煙氣再熱(MGGH)系統，詳述了氟塑料換熱器特點、系統工藝組成、系統工作原理、系統設計參數及系統運行性能等幾方面內容。通過對投運后氟塑料MGGH系統的換熱效果、煙風系統運行阻力、低負荷工況輔助蒸汽耗量、系統漏風率等4方面進行性能測定和分析。結果表明，氟塑料MGGH系統運行狀況良好，各項指標均達到或優于設計性能值，整個系統運行安全性和可靠性強，有效解決了煙囪冒白煙和石膏雨的問題。

氟塑料；換熱器；火力發電；煙氣再熱

0 引言

伴隨著全球工業化水平的提高和大量化石能源的消耗，人類的生存環境遭到了嚴重破壞，大氣污染(霧霾天)、水污染等問題日漸突出。火力發電站作為國內發電系統的主要載體，為我國工業化進程做出了巨大貢獻，但受限于燃煤尾氣的處理技術，在排空的煙氣中依然含有大量的硫化物、氮氧化物和水分等成分。隨著火力發電站的長期運轉，積累的有害排放物對大氣環境造成的影響也逐漸顯現出來，空氣質量急轉直下，霧霾天氣與日俱增，人類生存與社會發展矛盾日益突出。

為了改善由工業發展而帶來的環境問題，很多專家學者進行了大量的研究和實踐。目前，火力發電行業主要研究及應用成果包括脫硫、脫銷、除塵、除石膏雨等技術，其中王愛軍等人[1]、楊奇文[2]、馬雙忱[3]通過對影響鍋爐脫硫效率的因素進行分析研究，建立了脫硫效率預測模型，并提出了提高脫硫效率的相關措施。宋闖等人[4]通過分析幾種脫硝技術的工作原理及使用特點，為用戶選擇適合的脫硝技術提供了理論指導；高巖等人[5]通過研究不同工況下一種蜂窩狀選擇性催化還原技術(SCR)催化劑的活性性能，確定了催化劑的活性變化規律，并提出了提高脫硝效率的措施。

趙海寶等人[6]通過對低低溫電除塵系統進行研究，明確了多種因素之間的相互影響關系。熊英瑩等人[7]通過實驗測定和數值模擬方法研究了濕式相變冷凝除塵技術對不同粒徑粉塵的脫除性能。吳炬等人[8]結合實例對混合式煙氣再熱技術進行了經濟技術分析，明確了其相較于傳統煙氣換熱器(GGH)的優點，為火電廠消除“石膏雨”提供了新的選擇。孫志春[9]從傳統GGH堵塞機理出發，通過實驗測定和數值模擬研究了除霧器的性能和鼓泡塔(JBR)的控制方式對GGH運行的影響，提出了一套解決GGH堵塞的技術方案。安康[10]通過對GGH的結垢物成分進行分析，確定了影響GGH的結垢的主要因素，并提出了一系列預防和減緩GGH結垢的措施。通過這一系列煙氣處理技術的應用，環境污染現象得到了一定程度的緩解。然而這并未從根本上解決環境污染的問題，環保技術自身存在的缺陷隨著實踐的深入逐漸突顯，其中主要問題之一就是金屬GGH裝置的腐蝕、泄漏、堵塞等，已成為火電站技改的重要內容。

本文旨在通過引入一種新型柔性氟塑料管換熱器來解決國內傳統金屬GGH裝置所存在的運行問題。文章基于氟塑料換熱器自身特性、工藝系統設計和運行參數分析等幾個方面，闡明了氟塑料零泄漏水媒式煙氣再熱(MGGH)系統的工作原理及其運行性能，并通過本投運項目的長期無故障運行，說明氟塑料MGGH系統相較于其他GGH技術具有更好的安全性和可靠性，以期為同類改造項目提供切實可行的技術支持和解決方案。

1 氟塑料換熱器簡介

氟塑料作為一種高分子材料，因其特殊的分子結構而具有特別的物化特性：強度高、穩定性強、高熱阻、低摩擦系數和良好的表面不黏性。隨著氟塑料產品加工工藝水平的提高，氟塑料被廣泛應用于航天、化工、電子、醫藥和汽車等領域[11]。

上世紀80年代，歐洲地區相關機構經過大量試驗研究，開發出新型氟塑料材質換熱器，使得氟塑料產品的應用拓展到了工業換熱器領域。在國內，鮑聽等人[12]對氟塑料換熱器在燃煤電站中的應用進行了可行性研究；陳林等人[13]明確了氟塑料換熱器可以解決低溫煙氣余熱的回收問題，并對2種不同形式氟塑料換熱器的換熱性能進行了對比分析。

氟塑料種類繁多，性能差異巨大。目前在氟塑料煙氣換熱器產品上應用較多的主要有2種氟塑料：可熔性聚四氟乙烯(PFA)和聚四氟乙烯(PTFE)。

與金屬換熱器相比，氟塑料換熱器產品的技術特點如下所示。

(1)耐腐蝕：化學性能極穩定，抗蝕性能極好，能耐H2SO4、HCL、王水和一切有機溶劑，徹底解決了金屬煙氣換熱器的低溫腐蝕問題。

(2)耐高溫：長期安全使用溫度為200～260 ℃。裝置在系統中可實現全工況無障礙投入和停運，不影響電廠安全生產。

(3)低阻力：具有極小的摩擦系數(0.04)，擁有較低的水側及氣側阻力。

(4)抗積灰：具有固體材料中最小的表面張力，而且黏附的任何物質非常容易清理，壁面清潔，傳熱系數穩定，長期運行不降低。

(5)抗結垢：氟塑料管壁表面光滑且有適度的撓性，使用時有振動現象，故不易結垢。

(6)高強度：撓性的氟塑料管能在流體的沖擊和振動中安全工作，調質后的氟塑料管抗拉強度很大，能夠抵抗強烈的擺動和振動。

(7)耐老化：極強的熱穩定性，管材使用壽命大于20年。

(8)強傳熱性：氟塑料換熱器采用的是小管徑、薄壁管束(壁厚0.3～1.0 mm)，由此克服了材料本身導熱系數低的缺點，換熱器整體換熱性能良好。同等換熱量的情況下，氟塑料管換熱器的體積約是金屬管換熱器體積的1/4。

2 氟塑料零泄漏水媒式煙氣再熱(MGGH)系統介紹

2.1 氟塑料MGGH系統簡述

氟塑料MGGH系統主要由氟塑料換熱器本體、熱媒循環水系統、輔助加熱系統、補水穩壓系統、取樣加藥系統、在線沖洗系統和排污系統等組成，常規氟塑料MGGH工藝系統如圖1所示。

圖1 氟塑料MGGH工藝系統

2.2 氟塑料MGGH系統工作原理

氟塑料MGGH系統的核心為2臺氟塑料煙氣換熱器，分別為煙氣冷卻器和煙氣再熱器，煙氣冷卻器布置于煙氣濕法脫硫裝置(FGD)塔前，煙氣再熱器布置于FGD塔后，用管路系統將冷卻器和再熱器接通形成閉式回路，如圖1所示，以除鹽水為載熱介質，在循環水泵的驅動作用下，低溫除鹽水首先在煙氣冷卻器內與高溫煙氣進行熱交換，吸熱升溫后的除鹽水進入煙氣再熱器與低溫煙氣完成熱交換，除鹽水放熱降溫后經循環水泵回到煙氣冷卻器開啟下一個循環。塔前高溫煙氣經冷煙氣冷卻器降溫后進入FGD塔內進入脫硫工序，塔后低溫煙氣經煙氣再熱器升溫后由煙囪排放，升溫后的煙氣擴散能力增強，排放高度提升，從而達到消除火力發電廠常見的“冒白煙”和“石膏雨”的目的。

與此同時，氟塑料MGGH系統還配有若干輔助系統，其中熱媒水循環系統采用循環水泵驅動，為載熱介質提供循環動力。輔助加熱系統在機組低負荷運行時，給煙氣再熱系統提供熱源補充，由此保證排煙的溫度。補水穩壓系統一方面為氟塑料MGGH系統完成上水操作，另一方面在系統運行中維持水側的運行壓力，保障系統的安全運行。取樣加藥系統實時在線監測循環水的水質情況，當水質惡化時，通過加藥裝置向循環水中加藥來保證循環水的水質。排污系統與取樣加藥系統配合工作，當循環水水質惡化時，可開啟排污系統來改善其水質狀況。在線沖洗系統采用高壓在線水沖洗方式，定期對氟塑料換熱管束進行沖洗，保證換熱管束表面潔凈度，從而提高氟塑料煙氣換熱器的運行效率。

2.3 氟塑料MGGH系統設計參數

本項目南海長海發電廠1臺670 t/h煤粉鍋爐煙風系統為改造對象，其原煙氣處理系統流程為脫硝、靜電除塵、石灰石-石膏濕法脫硫和濕電除塵，本MGGH系統在FGD前后水平煙道上各設置1臺氟塑料煙氣換熱器，來實現電廠消除煙囪白煙和石膏雨的目標，設計參數見表1～2。

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表1 煙氣設計參數

表2 MGGH系統設計參數

3 氟塑料MGGH系統運行性能

3.1 性能測定方法

本項目氟塑料MGGH系統于2016年2月份正式投運，投運后一直保持無故障運行。為了掌握氟塑料MGGH系統的實際運行情況，電廠委托某權威機構對本系統進行了性能測試，測試內容主要圍繞氟塑料MGGH系統煙氣側阻力、煙氣換熱器進出口煙溫、低負荷輔助加熱蒸汽耗量及換熱器的漏風率等幾個方面展開。

本次性能測試中，在煙氣換熱器進出口煙道各設3個測孔，每個測孔分別設置6個測點，煙道測孔位置及測點布置情況分別如圖2、3所示。

圖2 煙道測孔位置示意

圖3 截面測點布置示意

本性能測試中，輔助加熱蒸汽的耗量主要通過測量蒸汽母管的蒸汽流量來確定。

3.2 煙氣溫度

煙氣溫度采用K型熱電偶進行測量，分別對每個測孔的6個測點依次測量，最后求各個測點溫度的平均值作為該截面的目標溫度。

3.2.1 75%～100%鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)工況

如圖4～7所示，鍋爐負荷為527 t/h，未投輔助加熱蒸汽，煙氣冷卻器進口煙溫為125.89 ℃，出口煙溫為88.56 ℃，大于85.00 ℃；煙氣再熱器進口煙溫為47.48 ℃，出口煙溫為81.26 ℃，大于80.00 ℃。由此可知，氟塑料MGGH系統的運行參數達到了設計的煙溫要求。

圖4 75%～100%BMCR工況下煙氣冷卻器進口煙溫曲線

3.2.2 50%～75%BMCR工況

如圖8～11所示，鍋爐負荷為442 t/h時，煙氣冷卻器進口煙溫為123.59 ℃，出口煙溫為95.07 ℃，為了保證煙氣再熱器出口煙溫達到80.00 ℃以上，投入了一定量的輔助加熱蒸汽，此時測得，煙氣再熱器進口煙溫為45.82 ℃，出口煙溫為82.93 ℃。

圖5 75%～100%BMCR工況下煙氣冷卻器出口煙溫曲線

圖6 75%～100%BMCR工況下煙氣再熱器進口煙溫曲線

圖7 75%～100%BMCR工況下煙氣再熱器出口煙溫曲線

圖8 50%～75%BMCR工況下煙氣冷卻器進口溫度曲線

3.3 輔助蒸汽耗量

在機組50%～75%負荷工況下，輔助蒸汽加熱系統投入運行，每隔5 min，讀取并記錄分布式控制系統(DCS)畫面蒸汽流量讀數，依次得到13個蒸汽耗量數據，繪制蒸汽耗量曲線如圖12所示，本項工作與3.2中煙溫測試工作同步開展。

圖9 50%～75%BMCR工況下煙氣冷卻器出口煙溫曲線

圖10 50%～75%BMCR工況下煙氣再熱器進口煙溫曲線

圖11 50%～75%BMCR工況下煙氣再熱器出口煙溫曲線

圖12 輔助蒸汽耗量曲線

這里取13個蒸汽耗量數據的平均值為輔助蒸汽的目標耗量，為1.13 t/h。

為了對標設計工況下的蒸汽耗量值，須對上述測得的目標蒸汽耗量進行修正，根據氟塑料煙氣換熱器的換熱特性，繪制煙氣再熱器的煙溫修正曲線如圖13所示。

圖13 煙溫修正曲線

根據上述煙溫修正曲線及實測煙溫數據，折合到設計工況下，計算得到低負荷運行時MGGH系統達到設計要求的煙溫指標所消耗的蒸汽量為0.11 t/h，小于設計蒸汽耗量值1.00 t/h。

3.4 煙氣阻力

如圖14所示，當鍋爐負荷為442 t/h時，煙氣冷卻器和煙氣再熱器氣側阻力之和為612 Pa。當鍋爐負荷為527 t/h時，煙氣冷卻器和煙氣再熱器氣側阻力之和為669 Pa。鍋爐滿負荷時，煙氣冷卻器和煙氣再熱器氣側阻力之和約為765，均低于對應工況下煙氣阻力設計值。

圖14 煙氣側阻力曲線

3.5 漏風率

本項目中煙氣量采用自動煙塵測試儀進行測定，分別對氟塑料煙氣冷卻器和再熱器進出口的6個測孔36個測點進行測量，由此得到換熱器的進口煙氣量和出口煙氣量，最終計算得到煙氣冷卻器和煙氣再熱器的漏風率曲線如圖15所示。

圖15 漏風率曲線

由圖15可以看出，當鍋爐負荷為442 t/h時，測得煙氣冷卻器的漏風率為0.48%，再熱器的漏風率為0.39%；當鍋爐負荷為527 t/h時，測得煙氣冷卻器的漏風率為0.40%，再熱器的漏風率為0.51%。取2個工況下的漏風率平均值為目標漏風率，計算得到煙氣冷卻器的漏風率為0.44%，煙氣再熱器的漏風率為0.45%，均小于系統設計漏風率0.50%，達到設計要求。

4 結束語

由第3部分氟塑料MGGH系統的性能測定數據可知，氟塑料MGGH系統的運行性能達到了設計的要求如下。

(1)機組高負荷運行時，未投輔助蒸汽加熱器，煙氣再熱器出口煙溫為81.26 ℃，大于煙溫設計值80 ℃。

(2)機組滿負荷工況下，煙氣冷卻器和煙氣再熱器氣側阻力之和為765 Pa，小于煙氣阻力設計值880 Pa。

(3)機組低負荷運行時，投入輔助蒸汽加熱器，使得煙氣再熱器出口煙溫>80 ℃，系統消耗輔助蒸汽量為0.11 t/h，小于蒸汽耗量設計值1 t/h。

(4)煙氣冷卻器的漏風率為0.44%，煙氣再熱器的漏風率為0.45%，均小于系統漏風率設計值0.5%。

本項目運行以來，氟塑料MGGH系統未出現換熱管的泄漏、腐蝕和磨損等問題，整體運行狀況良好，煙囪冒白煙的現象消失，石膏雨問題也得到徹底解決，為企業的節能環保事業做出了重要貢獻，給企業和社會帶來了顯著的環境效益。

本氟塑料MGGH項目的成功投運實踐，不僅從技術、設備、工藝等方面證明了氟塑料換熱器產品在鍋爐尾氣處理方面的可行性和安全性，而且從運行效果方面體現了氟塑料換熱器產品良好的運行性能，給工業企業的節能改造和環保升級提供了一項新的選擇，為企業排放指標達到環保要求注入了新的動力。

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1674-1951(2017)12-0030-05

2017-04-11；

2017-09-04

(本文責編：齊琳)

樊鵬(1985—)，男，河北石家莊人，工程師，工學碩士，從事工業企業節能環保技術、設備的研發及相應工藝系統設計方面的工作(E-mail:beyondfanpeng@163.com)。李優(1987—)，男，河北石家莊人，工程師，工學學士，從事工業企業節能環保設備的結構及系統設計方面的工作(E-mail:liyou@bjxsy.cn)。謝杰(1987—)，男，廣東湛江人，助理工程師，工學學士，從事電廠工程改造及檢修管理方面的工作(E-mail:510773864@qq.com)。