氟塑料換熱器在電廠節能減排中的應用

劉含笑，周林海，吳金，馮國華，王少權，陳招妹，沈敏超，周冰

（浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800）

隨著國家環保政策的趨嚴，燃煤煙氣中顆粒物、SO2、NOx等污染物排放得到了有效控制，環境空氣質量得到了一定程度改善，重點區域霧霾天數，尤其是重度霧霾天數呈減少趨勢。但我國大氣污染物排放依然是量大面廣的局面，且環境空氣質量與西方發達國家存在明顯差距[1～5]。2015年9月6日，浙江省經信委等部門聯合發布《浙江省地方燃煤熱電聯產行業綜合改造升級行動計劃》，要求省內所有熱電廠全部實施超低排放，并要求完善節能指標管理。近年來“有色煙羽”現象頻繁引起關注，不論是視覺污染，還是近年來部分輿論關注的“可凝結顆粒物”“可溶鹽”等危害，均對污染物周圍居民造成一定影響[6～8]。鑒于此，上海、天津、唐山、邯鄲等多個省市均陸續出臺了消除“有色煙羽”的相關政策，要求采用降溫、升溫或先降溫再升溫的方式，控制“有色煙雨”的排放。

含不同污染物的工業煙氣經煙囪排入大氣，因天空背景色和天空光照、觀察角度等原因，視覺上通常為白色、灰色、藍色等。煙氣排入大氣后煙溫降低，煙氣中的水蒸汽凝結成小液滴形成白色煙霧，如煙羽中含有SO3氣溶膠會在光照反射時形成藍色，當煙羽中未脫除的微細粉塵、石膏液滴、可溶鹽含量高，濕度大、霧滴濃時易呈現灰色。因此降低濕度、控制SO3濃度、提高煙囪入口煙溫，進一步脫除煙氣中的細顆粒物、石膏液滴、可溶鹽、SO3等是脫除有色煙羽的關鍵。

1 熱電廠現有技術及存在問題

1.1 典型煙氣治理技術路線及關鍵設備

熱電廠的典型煙氣治理技術路線如圖1所示。爐后含污染物的高溫煙氣先后經脫硝裝置、煙氣余熱回收裝置、一次除塵裝置、脫硫裝置（二次除塵）、濕式電除塵器（超低排放終端把關設備）、脫白裝置，最后經煙囪排到大氣環境[9～11]。

節能、減排、脫白等環節的典型技術及裝備如圖2所示。熱電廠鍋爐一般采用煤粉爐或循環流化床鍋爐（CFB），且煤粉爐居多。

圖1 熱電廠典型煙氣治理技術路線

圖2 現有節能、減排、脫白技術及其關鍵設備

在污染物控制方面，針對氮氧化物控制，煤粉爐可采用低氮燃燒+SCR脫硝技術，循環流化床鍋爐可采用低氮燃燒+SCR脫硝或低氮燃燒+SNCR脫硝技術；針對煙塵控制，一般采用一次除塵+二次除塵或濕式電除塵器（WESP）終端把關的方式，一次除塵可采用電除塵（ESP）、袋式除塵（FF）或電袋復合除塵（EF）技術，其中，電除塵技術應用最多，約占70%，電除塵技術可采用低低溫電除塵技術（LL-ESP）、旋轉電極式電除塵技術（MEEP）等，二次除塵主要是靠濕法脫硫（WFGD）的高效協同除塵功能；針對二氧化硫控制，可采用的技術有石灰石-石膏濕法脫硫、氨法脫硫、海水脫硫或半干法脫硫等，其中，石灰石-石膏濕法脫硫應用最多，超過90%。

在節能方面，主要采用布置換熱器的方式回收煙氣余熱，再將煙氣余熱作為電廠固有熱力系統的一級低溫熱源（如汽機回熱系統的一級低加），或用于加熱最終排煙，以提升排煙溫度。根據換熱器布置位置不同，可分為電除塵器前煙氣冷卻器（FGC）和濕法脫硫前煙氣冷卻器（FGC）。

在煙氣脫白方面，主要是通過煙氣再熱器（FGR）加熱排煙溫度的方式，減少白煙排放的天數。

1.2 現有技術存在的問題

1.2.1 節能技術

煙氣余熱回收使用的煙氣冷卻器目前多為金屬管式煙氣冷卻器，當布置在電除塵器前時，為避免低溫腐蝕，要求灰硫比不小于100，對于高硫煤（Sar＞2%），依然會存在腐蝕風險；對于高灰煤，則存在堵灰和磨損風險；目前超低排放機組，SCR脫硝噴氨量較高，過量噴氨會導致在煙氣冷卻器內，冷凝后的SO3與氨氣反應，生成硫酸氫銨，進一步加重了堵灰現象[12]。

當金屬管式煙氣冷卻器布置在濕法脫硫前時，因煙氣中的煙塵濃度較低，當煙氣溫度降至酸露點以下時，冷凝后的硫酸霧沒有足夠的飛灰吸附、中和，會引起換熱管壁的低溫腐蝕。

1.2.2 末端減排技術

當顆粒物超低排放主要依靠一次出塵和濕法脫硫協同除塵時，濕法脫硫的協同除塵效率不能低于70%，此時脫硫系統阻力較高，一般在2300Pa以上，且脫硫塔內主要依靠慣性捕集飛灰顆粒，結構較為復雜，且易損件較多。一般而言，濕法脫硫設計的最佳協同除塵效率在70%～80%負荷，當負荷較低時，流速不夠，慣性除塵性能大幅下降；當負荷較高時，阻力會升高，并會加劇漿液攜帶和液滴破碎，造成除塵效率下降。

濕式電除塵器作為超低排放終端把關設備，可實現極低的顆粒物排放，根據陽極板型式的不同，可分為金屬板式濕式電除塵器和導電玻璃鋼管式濕式電除塵器。

金屬板式濕式電除塵器主要存在的問題有：1）對于煙氣流速較高、煙氣中SO3含量較高的濕電普遍存在運行電流低，參數不穩定的問題，即電暈封閉問題；2）個別項目還存在極少數陰極線焊接熱影響處有裂紋，少部分極線下端點焊處脫焊的現象；3）電廠運行維護操作時，若不按照設計要求進行外排水及補充新水時，將會造成內部水系統懸浮物（SS）濃度太高，特別是入口顆粒物濃度較高時，易引起噴淋水管堵塞、循環水泵葉輪結垢、極板和極線積灰、噴嘴磨損等問題；4）WESP耗水、外排水量相對較多，如直接外排，需增設廢水處理系統，如進入脫硫塔補水，則會增加脫硫廢水處理負擔[13-14]。

導電玻璃鋼管式濕式電除塵器主要存在的問題有：1）玻璃鋼陽極管耐高溫性能不如金屬板板式，通常入口煙氣溫度要求小于90℃，運行過程中，當前面煙氣處理設備出現故障，致使入口煙氣溫度過高時易引起玻璃鋼陽極管軟化變形，遇火花，則會發生安全事故；2）玻璃鋼陽極管易發生閃絡擊穿，因此應嚴格控制火化率，必要時需限流降壓，去除顆粒物效率不穩定，且去除效率隨著運行時間增長而有所降低；3）采用間斷噴淋沖洗，噴淋時需斷電或降壓，沖洗時會影響除塵效率；4）陽極管導電層采用手糊方式制作，質量難以保證，運行時容易脫落，遇火花，則更為嚴重，當陽極管較長，噴淋水量不足時，極管下部容易積垢，影響除塵性能；5）廢舊陽極管較難處理，易造成二次污染。

1.2.3 脫白技術

煙氣再熱器目前主要有回轉式煙氣再熱器和金屬管水媒式煙氣再熱器，前者因泄漏、堵塞、腐蝕等問題，國內項目已悉數拆除。日本的煙氣再熱器多采用普通碳鋼，但需定期更換。前端換熱材料采用2205，中段換熱材料采用316L，后端換熱材料采用ND鋼，國內尚缺少長期運行的工程經驗，金屬材料仍存在一定的腐蝕風險。

2 現有技術的簡單疊加不可取

環保形勢嚴峻，政策趨嚴，熱電廠的節能、減排、脫白改造勢在必行，但將節能技術（金屬管式煙氣冷卻器）、減排技術（除塵脫硫一體化或濕式電除塵器）、脫白技術（金屬管式煙氣再熱器）簡單串聯疊加并不可取，一方面會大大增加投資費用，且占地面積大，現有電廠多經數次改造，較難有空間布置多余設備；這些設備疊加后，系統阻力大幅增加，引風機出力不夠，一般煙氣冷卻器阻力≤450Pa，除塵脫硫一體化為2300Pa，濕式電除塵器約200Pa，煙氣再熱器≤550Pa；金屬管換熱面腐蝕嚴重，影響設備正常運行。

鑒于此，需要從多污染物協同控制，低成本、低能耗、高收益，攻克低溫腐蝕等方面尋求突破，打破現有技術疊加不能滿足熱電廠環保亟需的技術困局。

3 氟塑料及氟塑料換熱器

3.1 氟塑料

氟塑料具有優異的耐高、低溫性能，耐溫范圍-195℃～+250℃（常壓下），長期使用溫度為-100℃～+250℃。化學穩定性突出，幾乎可以耐所有的化學溶劑和酸、堿；潤滑性能好（低摩擦系數，相接近的靜力和動力摩擦系數），具有優良的不黏性、不吸水性、耐大氣老化性能等。

用于制備換熱器的氟塑料材質一般有PTFE、PFA，PTFE熱穩定性優于PFA，一般為PTFE制備換熱管束，采用PFA制備相關配件。

3.2 氟塑料換熱器

根據管徑尺寸，氟塑料換熱器可分為小管徑換熱器和大管徑列管式換熱器，如圖3所示，其中小管徑的內徑尺寸一般在10～14mm，大管徑的內徑尺寸一般為50mm。綜合熱力、煙氣壓降、水側壓降、管子承壓、管子剛度等影響及經濟性考慮，壁厚一般取1mm左右。氟塑料換熱器采用模塊化設計，管束一般包含有600～5000根管子，管管之間用氟塑料卷板互相隔開并固定。

圖3 氟塑料換熱器

氟塑料換熱器的主要技術特點：1）耐腐蝕性極強。化學性能穩定，耐一切酸性堿性，且幾乎沒有一種溶劑或化合物可在300℃以下溶解氟塑料；2）耐高溫和低溫。氟塑料在-190℃～220℃范圍內低溫不脆化、高溫不軟化，可正常使用；3）防結垢性能優越。在所有固體材料中表面張力最小，不黏附任何物質，表面光滑且有適度的柔性，不易結垢；4）低阻力。氟塑料換熱管表面光滑，摩擦系數極低（0.04），煙氣阻力小；5）使用壽命長。氟塑料具有極強的熱穩定性和熱膨脹性，極耐老化，正常情況下可使用15～20年；6）具備自清潔功能。換熱管表面光滑，各種粉塵顆粒極易清洗；線膨脹系數高，膨脹后能使灰垢脫落。

4 氟塑料換熱器與金屬換熱器對比

4.1 整體換熱效果相當

氟塑料材質的導熱系數較小，一般約為0.25kcal/（m·h·℃），不銹鋼為60kcal/（m·h·℃），相差了240倍。但實際上，對于換熱器的整體熱阻，是分為水側對流熱阻、管壁導熱熱阻和煙氣側對流熱阻三部分的，如圖4所示。相關研究表明[15]，水側對流熱阻占整體熱阻比較小，一般僅占5%左右，在設備選型設計時，可忽略不計；煙氣側對流熱阻占比最大，約65%；而換熱管壁的導熱熱阻僅占約30%。

圖4 換熱管束傳熱示意圖

氟塑料管壁更薄，一般約1 m m，金屬管壁為3～4mm。氟塑料管采用密集排列的方式，可在有限空間內布置更多的換熱管束；金屬管要求管間距為1.5倍管徑，即使布置H型、螺旋型等翅片，增加的換熱面積也十分有限；綜合考慮，在單位空間內，氟塑料換熱器所布置的換熱面積可達金屬管的5倍以上。

綜上，經測算，當氟塑料管壁為1mm時，換熱器整體換熱效果與光管金屬換熱器相當，如壁厚改為0.5mm，則氟塑料換熱器整體換熱系數為金屬管的1.6～1.8倍。

4.2 氟塑料耐腐蝕，不積灰，整體壽命更長

因除塵器后沒有足夠的粉塵吸附中和煙氣中冷凝的硫酸露，加上脫硫塔的返潮現象，金屬換熱鋼管腐蝕速度很快，如圖5（a）所示。氟塑料換熱器耐腐蝕，耐高溫，安裝在脫硫塔前，粉塵少，具有自清潔能力，且能進行水沖洗，可保持長期穩定運行，如圖5（b）所示。金屬管換熱器使用壽命一般超過6年，氟塑料換熱器整體壽命可達15年以上。

圖5 腐蝕煙氣環境下的氟塑料管與金屬管對比

4.3 氟材料密度低，整體重量更輕

金屬管密度為7.85g/cm3，氟塑料的密度僅2.17g/cm3，在相同的換熱面積（1萬m2）時，所對應的換熱管束重量分別為130.8t、19.5t，約差6倍，如表1所示。

表1 氟塑料與金屬換熱器重量對比

4.4 氟材料換熱器的推薦使用位置

脫硫前后煙氣均屬于腐蝕性煙氣環境，脫硫前沒有足夠的粉塵吸附中和冷凝后的硫酸霧，會引起金屬壁面腐蝕；脫硫后煙氣冷凝水中含有大量氯離子，也會加重金屬壁面腐蝕。鑒于氟塑料換熱器具有耐腐蝕、自清潔、不結垢等特點，建議氟塑料換熱器可作為煙氣冷卻器布置在脫硫塔前，相變凝聚器布置在脫硫塔后，或煙氣再熱器布置在煙囪前，具體布置位置如圖6所示。

圖6 氟塑料換熱器推薦布置位置

5 相變凝聚器

5.1 工作原理

相變凝聚器布置在濕法脫硫后，可通過氟塑料煙氣換熱器進一步降低濕法脫硫出口煙溫，工作原理如圖7所示。濕法脫硫出口煙氣為飽和濕煙氣，降溫過程中實現煙氣中水蒸汽的冷凝，且凝結過程屬于非均相成核過程，會優先在細顆粒物（煙塵、酸霧氣溶膠等）表面核化、生長，促進細顆粒物的成長。凝聚器內布置較多的換熱管束，對流場起到擾流作用，在流場拽力、換熱斷面非均勻溫度場的溫度梯度力等多場力作用下，顆粒物間、液滴間及顆粒與液滴間發生明顯的速度或方向差異而發生碰撞，鑒于顆粒被液膜包裹，顆粒間一旦接觸，會被液橋力“拉攏”到一起，團聚成更大粒徑顆粒，繼而被后續管壁上的自流液膜或高效除霧器脫除，實現收水+除塵+脫除SO3+余熱回收等多重功能。

圖7 相變凝聚器工作原理

5.2 典型工程案例

該技術應用于巨化熱電有限公司8號機組280t/h項目，氟塑料換熱相變凝聚器主要技術參數如表2所示，實物圖如圖8所示。利用低溫的除鹽水通過氟塑料換熱器冷卻凈煙氣，煙溫降低3℃～4℃，冷卻水從20℃上升到40℃左右，升溫后的冷卻水再進入低溫省煤器加熱到100℃～110℃，然后進入中間罐，再直接進入除氧器。凈煙氣經過冷卻后，凝結飽和濕煙氣中水蒸氣，凝水的過程中能達到除塵、除酸等功能。

表2 相變凝聚器技術參數

圖8 氯塑料換熱相變凝聚器實物圖

基于低濃度顆粒物、PM2.5、SO3等測試方法[16～24]，針對機組蒸發量260t/h（磨煤機雙列運行）、200t/h（磨煤機單列運行）時，測得相變凝聚器入口、出口的污染物濃度。在兩個測試負荷下，相變凝聚器對顆粒物的脫除效率分別為54.93%、71.61%，顆粒物排放濃度分別為2.84mg/m3、1.61mg/m3；兩個負荷下濕式相變凝聚器對SO3的脫除效率分別為19.29%、18.87%；兩次測試相變凝聚器入口霧滴濃度分別為194mg/m3、195mg/m3，相變凝聚器至除霧器間霧滴濃度分別為387mg/m3、465mg/m3，除霧器出口霧滴濃度分別為154mg/m3、152mg/m3；相變凝聚器所回收的煙氣含水較為清澈，無色無味、無肉眼可見物，經測定，pH值為2.92。

6 結語

氟塑料換熱器具有耐腐蝕性強、耐高溫和低溫、防結垢性能優越、阻力低、使用壽命長、具有自清潔功能等優勢，可廣泛用于熱電廠節能、減排及煙囪消除白煙改造，實現多污染物一站式協同治理。其中，濕法脫硫后氟塑料相變凝聚器除塵效率為50%～70%，顆粒物排放濃度低于3mg/m3，SO3脫除效率近20%。