褐煤機(jī)組爐后煙氣提水可行性探討

段飛飛

（內(nèi)蒙古大唐國(guó)際錫林浩特發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

1 項(xiàng)目研究的意義

錫林郭勒盟（以下簡(jiǎn)稱“錫盟”）地區(qū)褐煤儲(chǔ)量豐富，但水資源匱乏、生態(tài)環(huán)境脆弱。為遵循國(guó)家能源局關(guān)于“注重環(huán)保，高度節(jié)水，集成應(yīng)用當(dāng)今最先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展”的原則建設(shè)錫盟煤電基地。錫盟勝利煤田的高水分褐煤，全水含量高達(dá)35%～40%，甚至更高，內(nèi)水含量也在14%左右。針對(duì)錫林浩特地區(qū)嚴(yán)重缺水的現(xiàn)狀，將高水分褐煤燃燒后煙氣中的水分提取出來(lái)作為脫硫補(bǔ)水及機(jī)組制除鹽水水源具有重要的意義。

2 爐后煙氣提水原理及理論依據(jù)

煙氣在換熱器入口時(shí)處于過(guò)熱狀態(tài)，隨著煙氣溫度的降低，當(dāng)貼近壁面的煙氣局部溫度低于煙氣中水蒸汽飽和溫度的露點(diǎn)溫度時(shí)，水蒸汽因?yàn)檫^(guò)飽和而在壁面上發(fā)生凝結(jié)。冷凝下來(lái)的液滴不斷聚集，最終在壁面上形成一層液滴，匯集至提水收集器內(nèi)。經(jīng)測(cè)試表明，經(jīng)過(guò)氟塑料換熱器后的煙氣固體顆粒降低率為59.2%、三氧化硫去除率為14%、銨鹽去除率為83%。

煙氣氟塑料換熱器布置在濕法脫硫塔后的煙道中，煙氣在換熱管管外沖刷，通過(guò)熱交換使?jié)耧柡蜔煔鉁囟冉档?，并從煙氣中析出大量凝結(jié)水；熱媒循環(huán)水在換熱管管內(nèi)流動(dòng)，換熱后由入口較低溫度到換熱器出口處較高的溫度；經(jīng)熱媒循環(huán)管路系統(tǒng)送入機(jī)械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)，通過(guò)冷卻塔使熱媒循環(huán)水的溫度由（塔）入口溫度降低到（塔）出口較低的（規(guī)定）溫度。凝結(jié)水收集系統(tǒng)包括提水換熱器煙道底部收集裝置，設(shè)置有管路輸送、水的加藥化學(xué)處理及蓄水池等設(shè)備。

3 煙氣提水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該煙氣提水系統(tǒng)主要由4部分組成：煙氣氟塑料換熱器系統(tǒng)、熱媒循環(huán)管路系統(tǒng)、機(jī)械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)、冷凝水回收系統(tǒng)。

3.1 煙氣氟塑料換熱器系統(tǒng)

煙氣提水換熱器布置在脫硫吸收塔出口和煙囪煙道進(jìn)口之間，脫硫吸收塔后的凈煙氣經(jīng)提水換熱器冷卻后進(jìn)入煙囪，排入大氣。煙氣提水換熱器采用模塊分組拼裝，每臺(tái)爐14個(gè)可單獨(dú)隔離模塊，每個(gè)模塊為U型管束，設(shè)計(jì)單獨(dú)進(jìn)回水管口。14個(gè)模塊共用兩根進(jìn)回水母管。換熱器設(shè)在線噴淋沖洗系統(tǒng)。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中換熱器管束上不斷有水分析出流動(dòng)，只會(huì)發(fā)生少量沾灰情況，不會(huì)聚集。因此，在換熱器本體上設(shè)在線噴淋系統(tǒng)，運(yùn)行過(guò)程中可對(duì)管束定期噴淋，以防沾灰過(guò)多影響換熱效率。

3.2 熱媒循環(huán)管路系統(tǒng)

換熱器內(nèi)的換熱介質(zhì)采用閉式循環(huán)冷卻水。煙氣提水換熱器將煙氣中的熱量帶入系統(tǒng)閉式循環(huán)水系統(tǒng)中（使用除鹽水作為換熱介質(zhì)），循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩臺(tái)2500m3/h的循環(huán)泵，然后通過(guò)機(jī)械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)對(duì)閉式循環(huán)水進(jìn)行冷卻降溫，循環(huán)水管道設(shè)有管道加藥裝置，保證循環(huán)水水質(zhì)的pH值。

3.3 機(jī)械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)

煙氣提水換熱器的換熱形式為煙氣-水換熱器，水側(cè)設(shè)置獨(dú)立的閉式循環(huán)水系統(tǒng)。煙氣提水機(jī)械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)的空冷散熱器所需散熱面積按環(huán)境空氣溫度為8.5℃、相對(duì)濕度58%、大氣壓力901.6hPa；外界10m高處平均環(huán)境風(fēng)速4.4m/s，風(fēng)機(jī)100%轉(zhuǎn)速條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速，循環(huán)水流量5000m3/h，機(jī)械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)閉式循環(huán)水進(jìn)口溫度31.28℃；出口溫度21.61℃；輔助設(shè)施設(shè)有沖洗系統(tǒng)、充水泵及貯水箱。

3.4 冷凝水回收系統(tǒng)

凈煙氣在冷卻降溫過(guò)程中，部分濕飽和蒸氣將凝結(jié)成水，凝結(jié)水在煙氣提水換熱器底部的集水槽中不斷聚集，并通過(guò)管道自流至凝結(jié)水收集箱。煙氣凝結(jié)水收集箱中的凝結(jié)水再通過(guò)自流至廠區(qū)生產(chǎn)水池，冷凝水管道設(shè)置管道加藥裝置，將pH約等于2的冷凝水中和至pH=7，作為電廠脫硫補(bǔ)水及除鹽水制水水源。提水量按單臺(tái)機(jī)組每天提水量為78.8t/h×24h×5000h/7000h=1351t進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。單臺(tái)機(jī)組全年提水量為78.8t/h×5000h=39.4萬(wàn)t。

4 研究難點(diǎn)

4.1 氟塑料原材選擇

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)項(xiàng)目用于凈煙氣側(cè)的換熱器材料主要有不銹鋼316L涂搪瓷和氟塑料兩種。脫硫塔出口凈煙氣冷凝回收水的pH值約為3，水中攜帶SO2等形成稀硫酸，腐蝕性很高。若采用不銹鋼316L涂搪瓷材質(zhì)，耐磨性較好，但其焊縫處容易產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而發(fā)生腐蝕。因此該工程表面式換熱器管束擬采用抗腐性強(qiáng)的進(jìn)口氟塑料材料（PTFE），其可熔性焊接性能較好，利于制作小口徑管，提高換熱系數(shù)。同時(shí)換熱器布置在脫硫除塵一體化設(shè)備之后，煙氣中的固體顆粒物含量極低（≤5mg/Nm3），煙氣攜帶的固體顆粒物對(duì)管道的磨損性較低，可通過(guò)加大流通截面、控制煙氣流速等來(lái)彌補(bǔ)氟塑料材料耐磨性能的不足。氟塑料換熱器采用美國(guó)杜邦PTFE（氟塑料）制造的換熱器。PTFE（氟塑料）換熱器耐煙氣酸露點(diǎn)腐蝕，可回收低溫?zé)煔?，耐高溫?60℃左右）；管束排布方向和煙道方向平行，煙阻很??；氟塑料管束表面光滑，使用時(shí)微有震動(dòng)，不易積灰，且設(shè)有清灰裝置，以保證換熱器正常運(yùn)行。

4.2 氟塑料管徑選擇

氟塑料管束設(shè)計(jì)中管子直徑、壁厚的選取，目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，有的公司采用內(nèi)徑≥10mm、壁厚≥1mm的管子，有的采用內(nèi)徑6～8mm、壁厚0.5～0.7mm的管子。通過(guò)計(jì)算研究和多方調(diào)研得出以下觀點(diǎn)：

（1）熱力方面：如從傳熱學(xué)的角度講，小管子有利于傳熱，如管長(zhǎng)相同，小管徑需要的有效面積小。

（2）煙氣壓降方面：小管徑占有一定優(yōu)勢(shì)。

（3）水側(cè)壓降：大管徑占有一定優(yōu)勢(shì)。

（4）承壓方面：管子材料，壁厚一樣，管徑越小，環(huán)向應(yīng)力越低，管子承壓能力越低。另外，如果材料強(qiáng)度較低，就必須采用小管徑，否則承壓有問(wèn)題。

材料的強(qiáng)度特性是材料的固有特性，只與材料本身的成分有關(guān)，與外載、管徑壁厚無(wú)關(guān)。有兩個(gè)參數(shù)：1）屈服強(qiáng)度σy：當(dāng)材料的實(shí)際應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料將發(fā)生塑性變形，即如果是φ14mm管，由于環(huán)向應(yīng)力超過(guò)了屈服強(qiáng)度，管徑變?yōu)棣?4.3mm，那么當(dāng)內(nèi)壓卸掉后，管徑回不到φ14mm。如環(huán)向應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，內(nèi)壓卸掉后，管子能恢復(fù)到φ14mm。2）斷裂強(qiáng)度σb：當(dāng)材料的應(yīng)力超過(guò)斷裂強(qiáng)度，材料會(huì)破壞。管道承壓能力設(shè)計(jì)是要保證環(huán)向應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，并有相當(dāng)?shù)脑Ａ?，裕量越大、管子越安全。σy、σb是材料的本有特性，通常只與溫度有關(guān)，溫度越高，σy、σb越低。塑料換熱器管子的剛度也是需考慮的問(wèn)題，管子的剛度與管徑和壁厚有關(guān)，直徑越小，管徑越薄，其剛度就越差，管子如果膨脹不暢就會(huì)彎折。大管徑帶來(lái)的另一個(gè)好處是，管子數(shù)量降低，接口少，清洗更有效，從而有利于膨脹、順暢。

（5）抗彎能力（剛度）：在這一點(diǎn)上大直徑管有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于氟塑料的熱膨脹是鋼的10倍，因此處理氟塑料的熱膨脹就是設(shè)計(jì)換熱器必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一。小管如膨脹受阻，由于剛度差易發(fā)生彎折，會(huì)導(dǎo)致管子破損，而大管則更容易順利的脹開(kāi)，不易被定位裝置卡住。而小管徑因管子數(shù)量較多，清洗效率也要差一些。

圓管的剛度與直徑和壁厚有關(guān)。

圓管的抗彎截面模量W =πD3（1-a4）/32；a = d/D =（D - 2s）/D。

其中D為管子外徑，s=壁厚，d為內(nèi)徑；φ14×1的管子W=123mm3；φ10×1的管子W=57mm3；8×1的管子W=34mm3。

可見(jiàn)φ14×1的抗彎模量為φ10×1管子的2倍，是φ8×1管子的3.6倍。彎曲應(yīng)力=彎矩/抗彎模量，也就是在同樣的彎矩下，φ10×1的彎曲應(yīng)力比φ14×1的彎曲應(yīng)力大1倍。而PTFE的屈服強(qiáng)度還比PFA、MFA高。因此，從抗彎特性來(lái)說(shuō)，φ14×1的管子具很大優(yōu)勢(shì)。

（6）可靠性：由于小管需要更多的管子，因此管道和管板的接口數(shù)量大大增加，管子的定位更加繁復(fù)，可靠性也大大降低。

（7）抗磨損能力：壁厚越小，抗磨損能力就越差，容易導(dǎo)致管子和限位裝置之間因磨損而使管子磨漏的情況發(fā)生。目前國(guó)內(nèi)某些項(xiàng)目?jī)H投運(yùn)一周就出現(xiàn)了管子漏水的情況，與壁厚小有直接關(guān)系。

綜上所述，氟塑料換熱器是否能可靠運(yùn)行，選材、管束設(shè)計(jì)都很重要，

4.3 影響提水量的主要因素研究

（1）流速對(duì)煙氣冷凝換熱過(guò)程的影響：由于塑料的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬低很多，因此與傳統(tǒng)金屬換熱器不同，在塑料換熱器中，傳熱過(guò)程的主要熱阻可能是塑料管外表面到內(nèi)表面的導(dǎo)熱熱阻，而不在煙氣側(cè)，所以改變煙氣流速、提高雷諾數(shù)對(duì)換熱系數(shù)影響不大，換熱系數(shù)本身也不大。同時(shí)由于煙氣流速變化，換熱系數(shù)變化不大，因此凝結(jié)水量也變化不大，但速度越高，進(jìn)口煙氣量越大，帶入的水蒸汽質(zhì)量就越大，導(dǎo)致凝結(jié)效率下降。

（2）進(jìn)口水溫對(duì)煙氣冷凝換熱過(guò)程的影響：隨著進(jìn)口水溫的提高，凝結(jié)水量和凝結(jié)效率均呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)檫M(jìn)口水溫越高，傳熱溫差越小，換熱系數(shù)基本無(wú)變化，但實(shí)際換熱量下降，所以凝結(jié)水量減少，凝結(jié)效率降低。

（3）進(jìn)口煙溫對(duì)煙氣冷凝換熱過(guò)程的影響：隨著入口煙氣溫度升高，水蒸汽分壓變大、傳質(zhì)動(dòng)力增強(qiáng)、進(jìn)口煙溫提高、凝結(jié)水量增加、凝結(jié)效率提高。

（4）換熱面積對(duì)煙氣冷凝換熱過(guò)程的影響：隨著換熱面積的增加，換熱器進(jìn)、出口煙溫差增大，凝結(jié)水量增加。

5 提水量的確定

影響提水量的自然環(huán)境不可控，如年最高溫度超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)期，或高溫持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，都會(huì)影響提水量。就此不可控因素，采用蓄水池的方式，分冬季和夏季兩個(gè)工況運(yùn)行。表面污垢和制造誤差及可靠性導(dǎo)致的總體換熱性能影響，可利用水沖洗的方式，定期進(jìn)行除污。

潛熱換熱在氟塑料提水器工作的過(guò)程中有重要作用。通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的仿真分析結(jié)果，管外壁綜合換熱系數(shù)為132W/m2·K，管內(nèi)壁換熱系數(shù)為157W/m2·K、平均換熱系數(shù)為140W/m2·K、傳熱面積需要約11,744m2，在煙溫降低（53℃～57℃）4℃的條件下，保證全年平均提水量78t/h。

6 煙氣提水回用方式

通過(guò)對(duì)若干項(xiàng)目脫硫后煙氣冷凝水進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)如下表。

由上表可知，煙氣提水水質(zhì)偏酸性，pH值在2～6，需要進(jìn)行加堿處理，將1%～5%濃度的NaOH溶液與煙氣提水冷凝液進(jìn)行管道混合，加藥采用自動(dòng)加藥方式，加藥根據(jù)提水流量和煙氣提水管pH信號(hào)控制加藥量。合格的冷凝液通過(guò)管道自流至煙氣提水蓄水池儲(chǔ)存，作為脫硫工藝水補(bǔ)水或制除鹽水原水。

7 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于嚴(yán)重缺水的地區(qū)，采用爐后煙氣提水工藝可實(shí)現(xiàn)高度節(jié)水。爐后煙氣提水換熱器投運(yùn)過(guò)程中，可進(jìn)一步降低機(jī)組出口煙塵排放濃度，除塵效率可達(dá)50%左右。煙氣凝結(jié)水除了pH顯酸性同時(shí)水質(zhì)較好，可作為脫硫工藝補(bǔ)水及制備除鹽水的原水，爐后煙氣提水量為78t/h，年提水量為42.9萬(wàn)t（年利用5500h），可節(jié)約201.6萬(wàn)元（水價(jià)按4.7元/t計(jì)），具有較高的經(jīng)濟(jì)性，值得推廣。

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