高硫煤機組低低溫省煤器設計及應用

鄒小剛，張知翔，李 楠，車宏偉，李文鋒，周 飛，徐黨旗

（1.西安西熱鍋爐環保工程有限公司，陜西 西安 710054；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

燃煤電站鍋爐設計排煙溫度一般為120~140 ℃，實際運行排煙溫度一般為120~150 ℃[1]。排煙熱損失是鍋爐熱損失中最主要的一項，約為4%~8%，通常鍋爐排煙溫度每升高12 ℃，排煙熱損失增加1%[2]。為充分回收煙氣余熱，提高機組經濟性，低低溫省煤器近年來在中低硫煤機組（war(S)＜3.0%）中得到了廣泛應用[3-10]。低低溫省煤器可降低煙氣溫度20~80 ℃，減少煙氣體積流量，降低粉塵比電阻，增加電除塵器比集塵面積，提高除塵效率，降低脫硫水耗，節能環保效益顯著[11-12]。

但低低溫省煤器在高硫煤機組（war(S)≥3.0%）上鮮有應用。我國高硫煤占已探明資源總量的6.38%，主要分布于貴州、四川、重慶等西南地區[13]，大多機組的燃煤收到基硫分為3%~6%。高硫煤機組限于爐型、煤質、堵灰、腐蝕等原因，其排煙溫度達140~170 ℃。超低排放改造后，尾部設備黏灰、低溫腐蝕等更趨嚴重，增加了低低溫省煤器在高硫煤機組上推廣應用的風險。

本文在某高硫煤機組低低溫省煤器中試試驗臺上對不同翅片間距、不同換熱管型式、不同煙氣溫度下的低低溫省煤器阻力進行了測試，研究了上述因素對低低溫省煤器積灰的影響，提出了適用于高硫煤機組的低低溫省煤器主要設計參數和設計原則，并在某高硫煤機組上成功應用。

1 試驗系統

某電廠360 MW機組鍋爐由法國STEIN公司制造，為W型火焰、亞臨界參數、中間再熱、強制循環、雙拱爐膛、固態排渣、平衡通風、倒“U”型露天布置、燃煤汽包爐。鍋爐尾部煙氣通過2臺雙室四電場靜電除塵器和濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫塔進行處理。鍋爐設計燃煤硫分為4.02%，灰分為30.53%，2013—2016年期間實際燃用煤質數據平均值見表1。由表1可見，該鍋爐實際燃用煤質收到基硫分平均值為3.11%，收到基灰分平均值為28.36%，屬于典型的高硫高灰煤機組。

表1 2013—2016年期間鍋爐煤質數據平均值Tab.1 The average values of the boiler coal quality data in 2013—2016

試驗臺煙氣流程如圖1所示，試驗臺主要設計參數見表2。

圖1 試驗臺煙氣流程Fig.1 The flow chart of test-bed flue gas

表2 試驗臺主要設計參數Tab.2 Main design parameters of the test bench

煙氣從機組電除塵器前煙道抽取，經過低低溫省煤器后進入除塵器及風機，回至機組電除塵器前煙道。除塵器底部灰斗設置在線輸灰系統。煙氣量通過變頻風機調節。水側系統為閉式循環，外接水水換熱器與機組工業水換熱，釋放熱量。

2 試驗結果

2.1 換熱管選型

低低溫省煤器大多布置于空氣預熱器（空預器）和除塵器之間的煙道內，不僅能夠回收煙氣余熱，而且能夠提高電除塵器效率。該區域換熱溫壓小，煙氣粉塵濃度高、易黏附，布置空間狹小，因此，低低溫省煤器宜選用自清灰能力強的擴展受熱面，以提高換熱能力，減小整體尺寸，避免發生嚴重堵灰現象。目前，應用于低低溫省煤器的擴展受熱面主要有H型翅片管和螺旋翅片管，2種翅片管的主要結構參數見表3。

表3 翅片管主要結構參數Tab.3 Main structural parameters of the finned tube

本文對這2種常規的換熱管型在不同出口煙氣溫度下的煙氣差壓進行了測試，每個工況運行時間不低于24 h，以達到阻力平衡狀態，測試結果如圖2所示。由圖2可見：在105~170 ℃溫度區間內，H型翅片管阻力在1.0~1.2 kPa之間，且較為穩定，隨著出口煙氣溫度的降低，煙氣流速略有降低，其阻力有所降低；在135~170 ℃的溫度區間內，螺旋翅片管阻力在1.6~2.0 kPa之間，隨著煙氣溫度的降低有所降低；當出口煙氣溫度降低至135 ℃以下時，螺旋翅片管的阻力急劇上升，且隨著運行時間的增加而增加，試驗約進行了5 h仍無法達到平衡狀態，只能終止試驗。這主要是由于135 ℃以下SO3冷凝量增加，飛灰黏性增加，螺旋翅片管抗黏性積灰能力差，換熱器的積灰狀況隨時間增加急劇惡化。由此可見，在高硫煤機組的低溫高硫高灰煙氣條件下，H型翅片管的阻力整體低于螺旋翅片管，H型翅片管更適用于更低煙氣溫度下的高硫煤機組低低溫省煤器。

圖2 不同換熱管型低低溫省煤器阻力與出口煙氣溫度關系Fig.2 The relationship between resistance and flue gas outlet temperature with different finned tubes

2.2 翅片間距

對于擴展受熱面而言，翅片間距越小，其翅化率越高，成本越低。但翅片間距越小，換熱系數越小，越容易堵灰。高硫煤機組在實施超低排放改造后，其空預器出口煙氣黏性增加，堵灰風險增加。因此，選取一個合適的翅片間距對低低溫省煤器的應用至關重要。圖3為不同翅片間距的H型翅片管運行阻力測試結果。

圖3 H型翅片不同間距下低低溫省煤器阻力與出口煙氣溫度關系Fig.3 The relationship between resistance and flue gas outlet temperature with different fin spacings

由圖3可見：3種翅片間距的H型翅片管運行阻力隨著出口煙氣溫度的降低略有降低，主要是煙氣流速變化的影響；翅片間距越大，低低溫省煤器阻力越低，翅片間距為15、19、23 mm的低低溫省煤器阻力分別為1.15、1.00、0.80 kPa左右。為將低低溫省煤器阻力設計在合理范圍內，同時兼顧低低溫省煤器的造價和換熱效率，建議高硫煤機組低低溫省煤器的H型翅片管翅片間距不低于19 mm。

2.3 出口煙氣溫度選擇

低低溫省煤器可回收煙氣余熱，其出口煙氣溫度越低，回收的熱量越多，根據計算，該機組低低溫省煤器出口煙氣溫度每降低10 ℃，可降低機組煤耗0.41 g/(kW·h)，但初始投資越高。隨著除塵器入口煙氣溫度的降低，粉塵比電阻降低，電除塵器效率升高[12,14]。國內外大多中低硫煤機組配置的低低溫電除塵器入口煙氣溫度一般為85~95 ℃。

從圖3可以看出，出口煙氣溫度在105 ℃以上時，低低溫省煤器阻力主要與煙氣溫度相關。在試驗過程中，當煙氣溫度降低至105 ℃以下時，除塵器出現灰斗板結、疏灰管道堵塞、疏灰困難等現象。分析原因主要是由于此時大量SO3冷凝并被灰吸附，部分SO3與逃逸的NH3結合形成硫酸氫銨，灰的黏附性大大增強，導致輸灰困難所致。因此，建議高硫煤機組低低溫省煤器出口煙氣溫度設計值或運行值不低于105 ℃。

2.4 換熱管腐蝕特性

低低溫省煤器將煙氣溫度降低至酸露點以下，其換熱管存在較大的腐蝕風險。本試驗針對3種常規的低低溫省煤器換熱管制作材料，即20G、ND鋼（09CrCuSb）、316L（022Cr17Ni12Mo2），在低溫高硫高灰煙氣條件下進行了6個月的腐蝕特性試驗，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同材料換熱管平均腐蝕層厚度與出口煙氣溫度關系Fig.4 The relationship between average corrosion layer thickness and flue gas outlet temperature

由圖4可見，ND鋼的腐蝕層厚度與20G的腐蝕層厚度基本相當，而316L的腐蝕層厚度遠低于其他2種材料。經計算，20G的最大腐蝕速率為0.24 mm/a，ND鋼的最大腐蝕速率為0.22 mm/a，316L的最大腐蝕速率為0.044 mm/a。對于5 mm厚的換熱管（理論壁厚1.8 mm），316L材質的腐蝕壽命超過30年，ND鋼材質的腐蝕壽命為17.8年，20G材質的腐蝕壽命為13.9年。因此，建議高硫煤機組低低溫省煤器高溫段換熱管材質可選用20G和ND鋼，低溫段換熱管材質應選用316L及以上。

3 工程應用

基于低低溫省煤器中試試驗臺的主要試驗結果，2016年12月至2017年6月對某電廠2臺360 MW機組進行了低低溫省煤器改造，并分別于2017年2月和7月投運。該廠低低溫省煤器布置于空預器和除塵器之間，回收的煙氣余熱一部分加熱脫硫塔后凈煙氣，一部分加熱空預器進風。另外，系統配置輔助蒸汽加熱器和凝結水加熱器，平衡系統熱量。低低溫省煤器系統示意如圖5所示，低低溫省煤器主要設計參數見表4。

圖5 低低溫省煤器系統示意Fig.5 The system diagram of the low-temperature economizer

表4 低低溫省煤器主要設計參數Tab.4 Main design parameters of the ultra-low temperature economizer

性能測試結果指出：360 MW負荷工況下，2臺機組低低溫省煤器實際入口煙溫分別為156.16 ℃和159.21 ℃，實際出口煙溫分別為96.15 ℃和105.90 ℃，修正后出口煙溫分別為91.68 ℃和92.33 ℃，阻力分別為0.73 kPa和0.68 kPa。停機期間對低低溫省煤器受熱面進行檢查發現，受熱面入口（煙氣高溫段）換熱管表面較為干凈，受熱面出口（煙氣低溫段）換熱管表面有輕微黏灰。

低低溫省煤器實際運行出口煙氣溫度控制在105 ℃左右。經計算，額定工況下，低低溫省煤器降低發電煤耗約2.1 g/(kW·h)，全年節省標煤3 334 t。同時，煙溫降低后，脫硫塔水耗減少36.8 t/h。按有效運行小時數4 410 h，標煤單價600元/t，水單價2.5元/t計算，節煤收益和節水收益總計為240.64萬元/a。

另外，低低溫省煤器對SO3的脫除率在85%左右，其出口SO3質量濃度在7.5~11.5 mg/m3[15-16]。低低溫省煤器每年減少CO2排放10 098 t，減少SO2排放1.32 t，減少NOx排放1.88 t，減少粉塵排放0.38 t。此外，該系統將空預器入口風溫提升至50 ℃，將綜合冷端溫度提升至105 ℃以上，有效緩解了空預器冷端堵塞和腐蝕。

4 設計原則

根據中試試驗臺及工程應用研究結果，提出了高硫煤機組低低溫省煤器設計原則，主要內容包括：1）換熱管型選用H型翅片管，翅片間距不小于19 mm；2）出口煙氣溫度不低于105 ℃；3）換熱管采用順列布置，高溫段換熱管材質可選用20G和ND鋼，低溫段換熱管材質選用316L；4）受熱面采用豎直布置，煙氣由上至下流經低低溫省煤器，受熱面熱力計算選取適當的污染系數；5）優先選用聲波吹灰，除塵器灰斗需要進行伴熱改造，人孔門等易漏風的部位進行防腐改造；6）引風機需進行防腐處理，以免出現腐蝕。

5 結 論

1）高硫煤機組低低溫省煤器應選用H型翅片管，翅片間距不小于19 mm，出口煙氣溫度控制在105 ℃以上，高溫段受熱面材質選用20G和ND鋼，低溫段材質選用316L。

2）某電廠高硫煤機組實施低低溫省煤器改造后，鍋爐運行狀況良好，每年節煤收益和節水收益總計約為240.64萬元，每年減少CO2排放10 098 t，減少SO2排放1.32 t，減少NOx排放1.88 t，減少粉塵排放0.38 t，經濟和環保效益顯著。