低低溫除塵器灰斗蒸汽加熱系統設計

井麗波

(上海電氣斯必克工程技術有限公司，上海 200090)

0 引言

隨著我國環保法規、排放標準的日趨嚴格，煤電節能減排升級改造計劃在全國各地開始實施。國內相關環保企業通過自主研發、技術引進和成立合資公司的方式，掌握了以低低溫電除塵技術為核心的煙氣協同治理技術路線，該技術可使燃煤電廠煙氣污染物排放濃度達到或接近燃機標準，即滿足超低排放的要求。

但是，采用低低溫除塵技術實現超低排放效果的同時，也面臨著除塵器灰斗堵灰的問題。由于除塵器進口煙氣溫度降低，收集下來的灰的流動性變差，特別是當保溫措施不好或出現局部漏風時，易產生灰斗堵灰的情況，灰斗下部的氣力疏灰系統也會存在問題。因此，灰斗須有更大面積的加熱系統以保證灰的流動性及更好地防腐。常溫電除塵灰斗加熱所需功率相對較低，一般可選擇電加熱，而低低溫電除塵器灰斗加熱所需功率較高，采用蒸汽加熱更為合適[1]。

1 灰斗蒸汽加熱系統設計

灰斗采用蒸汽加熱，需具有良好的保溫措施，在整個灰斗區域內設置蒸汽盤管，外層敷設保溫材料。灰斗上裝設測溫熱電偶，隨時監測，保證灰斗壁溫在煙氣酸露點10 ℃以上。蒸汽加熱盤管具有較高的導熱效率，滿足加熱蒸汽壓力參數，不發生蒸汽泄漏，導熱管不積水，保證導熱管能通暢疏水。

以某電廠低低溫電除塵器項目為例：

除塵器煙氣運行溫度87 ℃，露點溫度99.8 ℃，環境最低溫度-10 ℃，其加熱負荷要求保持灰斗壁溫不低于110 ℃。蒸汽加熱管布置面積不小于灰斗高度的2/3，即單個灰斗需加熱面積約為42 m2。一臺爐配兩臺除塵器，共32個灰斗，所需加熱面積約1 344 m2。灰斗加熱蒸汽汽源參數：蒸汽壓力0.8 MPa，蒸汽溫度280 ℃。該除塵器布置如圖1所示(一臺除塵器)。

1.1 蒸汽加熱系統圖

在做灰斗蒸汽加熱系統設計時，通常需要考慮蒸汽分配均勻性及檢修方便等問題，為此做了如下設計(見圖2)：

圖中每個灰斗蒸汽加熱盤管進出口均需設置蒸汽截止閥，當盤管出現泄氣、腐蝕等問題時可及時檢修更換。每片加熱盤管需在廠內制作并完成水壓試驗，合格后方可供貨到現場安裝，以減少運行故障。灰斗蒸汽加熱系統的蒸汽來自廠內供汽母管，疏水管道引至廠內疏水母管(或疏水擴容器)。每路加熱蒸汽管路設置蒸汽調節閥，以保證各分支管道蒸汽流量均勻，確保每個灰斗達到所需溫度。同時，為保證過熱蒸汽管路安全可靠，需設置高位放氣閥。為保證蒸汽加熱質量，需設置低位放水閥。疏水管道設置截止閥、止回閥以及疏水閥等。

1.2 蒸汽耗量計算

1)根據熱量傳遞原理計算蒸汽耗氣量，加熱管放熱量Q1等于空間轉移熱量Q2與對外逃逸熱量Q3之和，單位kJ/(m2·h)。

其中：Q2=α2(θ1-θ2)=125.6×(110-87)=2 888.8 kJ/(m2·h)

θ0——蒸汽溫度,℃；

θ1——灰斗壁溫度,℃；

θ2——灰斗內煙氣溫度,℃；

θ3——外界最低溫度,℃；

α1——加熱管傳熱系數,kJ/(m2·h·℃)(無縫鋼管20#鋼)；

α2——灰斗壁傳熱系數,kJ/(m2·h·℃)(材料碳鋼)；

α3——保溫材料傳熱系數,kJ/(m2·h·℃)(材料玻璃絲棉)；

λ——保溫材料熱傳導率,kJ/(m·h·℃)(材料玻璃絲棉)；

δ——保溫層厚度,m(灰斗保溫厚度設定0.15 m)；

其中：α1α2α3λ均為查表取值;

計算得出：

Q1= 2 888.8+148.37=3 037.17 kJ/(m2·h)

2)每m2壁板加熱所需蒸汽量:

查表得：

I＂——過熱蒸汽焓值,kJ/kg(蒸汽壓力0.8 MPa、蒸汽溫度280 ℃時，取3 013.26)；

I＇——飽和水焓值,kJ/kg(蒸汽壓力0.8 MPa、蒸汽溫度280 ℃時，取721.2)；

單個灰斗需加熱面積約42 m2，所需熱量1.33×42=55.86 kg/h。

一臺爐32個灰斗所需熱量55.86×32=1 787.52 kg/h。

3)所需蒸汽量總量取值：

1 787.52×1.1=1 966.27≈2 000 kg/h

通常情況下，電廠提供的蒸汽熱源參數與實際運行中參數存在差異，故在計算耗氣量時耗汽裕量的選取視情況而定。

1.3 蒸汽管路計算

1.3.1 盤管尺寸

1)灰斗每m2加熱管當量傳熱面積：

假定選用無縫鋼管型號32X3，計算得:

2)灰斗每m2內加熱管總表面積:

0.364m2(>0.213m2)

其中,d為加熱管兩層間距,mm.

經計算，選用無縫鋼管32X3作為盤管材質可滿足熱量傳遞要求。

1.3.2 盤管強度

上兩式中:δ——管道計算壁厚，mm；

P——設計壓力，MPa；

D0——管道外徑，mm；

Di——管道內徑，mm；

[σ]t——管道在設計溫度t下的許用應力，MPa；

查表得：350 ℃時，[σ]t=92 MPa;

Y——系數;

對于≤482 ℃的鋼管，Y=0.4;510 ℃,Y=0.5;

φ——焊接接頭系數，無縫鋼管取1.00;

計算蒸汽盤管32X3強度是否滿足要求，只需將相關數據代入公式即可算出[2]。

結果顯示可以采用上述公式計算管道強度。

得出結論：選用蒸汽盤管32X3強度滿足要求。

不僅蒸汽盤管可用上述公式計算，系統中其他管路強度也可采用此方法計算校核。在此僅以盤管計算舉例，其他管路不再贅述。

1.3.3 管道蒸汽流速選取

蒸汽流速的大小直接影響蒸汽壓力降和管徑，因此選擇時應慎重考慮，其選擇原則如下：管徑小，流速宜偏低；管徑大，流速宜偏高。做供熱用的蒸汽管道，由于對壓力要求不嚴，流速可高一些。一般情況下，支管過熱蒸汽管路流速推薦30～40 m/s，支管飽和蒸汽管路流速推薦15～30 m/s。

1.3.4 導熱材料的選用原則

同樣的材料，導熱率是一個不變的數值，熱阻值是隨厚度發生變化的。厚度越大，可簡單理解為熱量通過材料傳遞出去要走的路程越多，所耗的時間越多，效能也越差。對于熱導材料，選用合適的導熱率、厚度，對性能有很大的關系。選用熱導率很高的材料，但是如厚度很大，性能也是不夠好的。最理想的選擇是：導熱率高，厚度薄，完美的接觸壓力，保證最好的界面接觸。這里不僅對導熱材料有一定的選擇要求，同時對保溫材料、保溫厚度以及盤管及保溫的安裝均有嚴格的要求，只有選材到位、安裝到位，蒸汽加熱效果才能得以保證。

1.3.5 盤管的安裝固定

在新建項目中，在制作時灰斗盤管可直接附在灰斗壁板上，隨灰斗壁板一起發貨至現場拼接安裝。在改造項目中，為保證熱交換效果，蒸汽盤管的安裝需貼近灰斗壁板表面，需割除原灰斗壁板表面加強筋干涉部分，待盤管安裝完后再補強加強筋。盤管與灰斗壁板的固定如圖3。

1.4 閥門的選用與安裝

閥門是控制介質流動的一種管路附件，是管道中不可缺少的配件之一。閥門種類很多，本系統中用到的閥門有：閘閥、截止閥、安全閥、調節閥、減壓閥、疏水閥、止回閥等。其中疏水閥的選用在該系統設計中尤為重要，它關系到冷卻水能否順利排出，從而直接影響到蒸汽加熱系統的性能。

1.4.1 疏水閥的選用

1.4.1.1 疏水閥的類型

灰斗蒸汽加熱系統中，通常選用機械型疏水閥。機械型疏水閥有自由浮球式、自由半浮球式、杠桿浮球式、倒吊桶式等。它是利用凝結水與蒸汽的密度差，通過凝結水液位變化，使浮子升降帶動閥瓣開啟和關閉，達到阻氣排水的目的。在該系統中，我們一般選用自由浮球式疏水閥，見圖4。這種閥的優點是排量大，排空氣性能好，能連續排除凝結水，體積小，結構簡單，浮球和閥座易互換；缺點是抗水擊能力差，疏水閥內蒸汽有熱損失，排除凝結水時有蒸汽卷入。所以現場看到的直接排放到排水溝的水帶有大量蒸汽。

1.4.1.2 疏水閥的疏水量

合理計算蒸汽管道疏水量，選擇性能合適、容量匹配的蒸汽疏水閥是低低溫除塵器及輸灰系統正常運行的保證，更是節約生產成本和能源的保障。

選用疏水閥時，疏水閥排放能量不夠，會造成凝結水不能及時排出，降低加熱設備的熱效率。當蒸汽加熱設備剛開始送汽時，設備是冷的，內部充滿空氣，需要疏水閥把空氣迅速排出，再排大量低溫凝結水，使設備逐漸熱起來，然后設備進入正常工作狀態。由于開車時，含大量空氣和低溫凝結水，以及較低的入口壓力，使疏水閥超負荷運行，此時疏水閥要求比正常工作時的排水量大，所以按倍率2～3倍來選擇疏水閥。

1.4.1.3 疏水閥的工作壓差

選用疏水閥時，不能以公稱壓力選疏水閥，因為公稱壓力只能表示疏水閥體殼承受壓力等級，疏水閥公稱壓力與工作壓力的差別很大。所以要根據工作壓差來選擇疏水閥的排水量。工作壓差是指疏水閥前的工作壓力減去疏水閥出口背壓的差值。

1.4.1.4 疏水閥的工作溫度

選用疏水閥時，要根據管道蒸汽最高溫度來選擇能滿足工藝條件要求的疏水閥。管道蒸汽最高溫度超過公稱壓力相對應的飽和蒸汽溫度稱為過熱蒸汽，在過熱蒸汽管道選擇疏水閥時，應選用高溫高壓過熱蒸汽專用疏水閥[3]。

1.4.2 疏水閥的安裝

在蒸汽管道的末端，最低點蒸汽系統減壓閥、調節閥前，蒸汽加熱設備的低處，擴容器，水平安裝的波紋補償器波峰的下部，不可避免的袋形的底部及可能積液的地方，都應安裝疏水閥。當蒸汽管道較長時，每隔一段距離應適當增加輸水接點。

一般情況下，疏水閥入口管都是安裝在低于冷凝水排出設備的位置。必要時在采取防止積水和防止汽鎖措施后，才能將疏水閥安裝在比凝結水出口高的位置上。疏水閥出口管應減少彎曲，管徑比選定疏水閥公稱直徑大1～2級。當出口管有向上的立管時，在疏水閥后應安裝止回閥。

對于凝結水回收系統，疏水閥后要設置切斷閥和排污閥。將冷凝水排至排水溝的場合下，若將排水管直接伸入水中易引發冷凝水飛濺的危險。如果必須要被水淹沒的場合下，為防止蒸汽停止時排水溝的水逆流至疏水閥而出現故障，應在排水管中進行開口或設置真空調節閥。在冷凝水回收系統中，疏水閥前后都要設置關斷閥，閥前還要設置排污閥，閥后設檢查閥、窺視鏡[4]。

2 值得關注的問題

目前，灰斗蒸汽加熱系統在低低溫除塵器項目實際應用中存在以下幾個問題：

1)實際應用氣源參數與設計時提供參數不符，蒸汽溫度遠低于設計值，造成灰斗加熱后溫度在80 ℃左右，還有個別溫度在70 ℃左右；

2)前電場灰斗溫度高于末電場灰斗溫度，且前電場灰斗溫度隨卸灰呈周期性波動；

3)灰斗加熱溫度雖未達到設計值，但灰斗并未因此出現堵灰現象；

4)灰斗溫度顯示低，初步判斷可能與溫度計的安裝方式及深度有關；

5)灰斗加熱盤管的安裝與灰斗壁板不貼合，傳熱效果差；

6)灰斗保溫安裝不符合要求，保溫材料與壁板貼合度差，導致灰斗加熱盤管散失熱量多，熱源損耗大。

3 結語

灰斗蒸汽加熱系統的設計只有充分考慮了設備應用環境與需求，從系統圖設計、耗氣量計算、盤管選用、閥門選用、系統安裝等方面著手，布置合理的蒸汽加熱系統，才能保證除塵器及輸灰系統安全可靠運行。本文對灰斗蒸汽加熱系統設計進行了詳細論述， 旨在后續項目中給予更嚴謹的設計安裝指導。