基于重力熱管的煙氣余熱利用低低溫電除塵系統

文_黃元進 國家電投集團江西電力有限公司景德鎮發電廠

燃煤火力發電當前仍然是我國電力的主要來源之一，在燃煤機組排放的煙氣中，含有大量污染物，其中許多排放的污染物是引起酸雨、霧霾的主要污染源，需要對這些污染物進行綜合治理。而隨著燃煤電廠煙氣超低排放全面實施，常規大氣污染物的排放已經得到了有效控制。以低低溫電除塵系統為核心的煙氣協同治理技術路線作為我國燃煤煙氣超低排放典型技術路線之一，可經濟高效地實現燃煤電廠煙氣超低排放、煙氣余熱利用及提高除塵效率，且兼具較高的SO3脫除效率，因而被廣泛應用，為減少霧霾天氣、改善大氣環境作出了積極貢獻。而低溫省煤器是低低溫電除塵系統最重要設備之一，同時肩負著煙氣余熱回收和保障電除塵系統高效安全穩定運行的雙重任務。

1 低低溫電除塵系統

低低溫電除塵系統的實質是在現有靜電除塵器前增設低溫省煤器，對煙氣進行冷卻處理，使得進入電除塵器內的煙氣溫度降至酸露點以下（一般為90±5℃），同步對電除塵器進行適應性改造。而當低溫省煤器將煙溫降低到90℃左右的低低溫狀態時，不但使得煙氣體積流量減少達到降低電場風速的目的，還可以降低煙塵比電阻，能夠有效提高電除塵器電場二次電壓，充分發揮電除塵荷電與收塵作用，從而大幅度提高除塵效率。另外，還可以通過低低溫電除塵系統，對煙氣中的SO3、Hg等污染物進行高效的協同捕集。圖1為傳統低低溫電除塵系統。

圖1 傳統低低溫電除塵系統

傳統低低溫電除塵系統，在電除塵器前安裝有傳統低溫省煤器，即低溫省煤器采用管殼式（即冷卻介質于管內流通，煙氣于管外殼側流通）換熱器。在實踐中發現該系統存在一些致命缺陷：由于低溫省煤器必須運行在電除塵的煙氣入口端，因而難以避免較高濃度的煙塵環境，其在含塵氣流沖刷磨損、低溫腐蝕、交變應力破壞(應力腐蝕)、水沖擊等作用下，換熱管逐漸減薄，最終將出現冷卻介質的泄漏問題。更為嚴重的是，一旦泄漏，由于很難及時發現，換熱管內的冷卻介質將源源不斷的泄漏進入煙道，并通常會順著煙道泄漏到電除塵電場內的下部灰斗，引發煙風道系統及灰斗輸灰堵塞，進而危害低低溫電除塵系統的安全運行，甚至整個機組的安全運行。

2 重力熱管低低溫電除塵系統應用

某660MW超超臨界燃煤發電機組為了實現煙氣余熱利用及提高電除塵的除塵效率，安裝有傳統低低溫電除塵系統，但其低溫省煤器運行幾年后，換熱管因磨損嚴重使得機組凝結水泄漏，影響了機組安全運行，不得不停運該低溫省煤器，最終低低溫電除塵器進口煙溫高于設計值，夏季高達145℃，冬季130℃，造成鍋爐熱損失增大、排煙體積流量增大，在此情況下基于重力熱管的煙氣余熱利用低低溫電除塵系統得到了開發和應用。

2.1 重力熱管低低溫電除塵系統

為了徹底解決原有低低溫除塵系統存在的諸多弊端，研究應用了基于重力熱管的低低溫電除塵系統，如圖2所示。主要是在電除塵器前安裝一套重力熱管低溫省煤器，換熱管采用鉛垂、順列布置，煙氣流經重力熱管低溫省煤器后進入電除塵器，冷卻水與煙氣呈逆流方向進入換熱器，最終實現煙氣從145℃降至95℃的降溫要求。

圖2 重力熱管低低溫電除塵系統

為了減少投資成本，優化系統結構，重力熱管低溫省煤器可利用原低溫省煤器凝結水管路系統，并進行適應性改造。熱管低溫省煤器水側與機組凝結水系統串聯，從凝結水系統引出全部凝結水，進入電除塵前4臺熱管低溫省煤器吸收煙氣余熱，加熱后的凝結水返回至機組凝結水系統。該系統具有安全穩定、無泄漏的特點，主要得益于重力熱管低溫省煤器的特有結構。圖3為其結構示意圖，熱管的煙氣側和冷卻水側兩部分由絕熱隔板分隔，隔板采用特制的管板組件結構，可以保證整個換熱模塊全密封，煙氣和冷卻水在各自區域流通，互不干擾。此外，冷卻水側每根熱管均設置了水套管組件進行獨立隔離，水套管與絕熱段隔板互不相通，最終實現了雙重物理隔離，并且可確保水套管滿足較高的冷卻水壓力使用要求。由于每根重力熱管管內工質互不相通，假設某根熱管煙氣側某點發生穿孔泄漏，只會造成該重力熱管內部少量工質泄漏，該泄漏的工質會被熱煙氣快速蒸發帶走，對機組運行無影響。同時，由于熱管固有的自適應特性，少量重力熱管的失效對整個設備的換熱效果影響很小。

圖3 重力熱管低溫省煤器結構示意圖

2.2 重力熱管低低溫電除塵系統優勢

相比于原有低低溫電除塵系統，重力熱管低低溫電除塵系統具有多方面的優勢，是傳統低低溫電除塵系統的一次重大升級。主要體現在以下幾個方面：

①重力熱管低低溫系統的低溫省煤器采用重力熱管形式，每根熱管都能夠獨立運行，不會互相干擾，即使部分熱管出現問題，不影響剩余熱管工作，也不存在冷卻介質泄漏問題，可以確保重力熱管省煤器的高效運行。

②重力熱管低低溫電除塵系統的熱管省煤器采用模塊化、可拆卸設計。每個模塊的冷卻段均設有單獨的進出口集箱，單個煙道低溫省煤器沿煙氣方向分1～3個換熱區，各區之間留檢修空間，每個區分成若干組換熱模塊。相鄰換熱模塊之間有一定間隙，每個換熱模塊均必須能夠單獨抽出，實現單獨的快速檢修、更換處理功能，提高了便捷性和實用性。

③重力熱管低低溫電除塵系統具有智能檢測功能?？蓪﹀仩t負荷、煙氣量、低溫省煤器的吹灰頻率、進出口煙溫、進出口水溫、進出口壓差、進出口流量進行監測并預警設置。通過機器學習，利用深度神經網絡最優目標算法，建立優化模型，模型根據當前工況數據，推送最優化操作方案，實現集中顯示及報警等功能，快速的監測設備運行情況并及時提供運維技術指導。

④對重力熱管低低溫電除塵系統相關煙道進行改造，采取CFD軟件優化整個系統流場，應用流線型煙道技術，確保減少煙氣流阻，避免出現煙氣走廊、煙氣偏流及產生煙氣渦流，并通過按流線型煙風道技術整體更換煙道、加裝氣流均布裝置，確保加裝熱管低溫省煤器后整個低低溫電除塵系統流量均衡，保證換熱效率，減小熱管磨損及積灰。

⑤從重力熱管低低溫電除塵系統的省煤器材質、擴展受熱面結構、優化煙氣流速、增設聲波吹灰裝置等多方面改進，防止積灰和減輕磨損。重力熱管低溫省煤器可根據不同煙氣參數調整冷熱兩側的傳熱面積，避免了由于壁溫過低導致的腐蝕問題。

3 應用效果分析

3.1 檢測方法

3.1.1 溫度檢測

在重力熱管低溫省煤器進口水平煙道上布置進口煙氣測點，測試斷面尺寸為9.408m（寬）×2.608m（深），在每支煙道的寬度方向上均勻布置了8個測孔，每個測孔均勻布置5個測點。電除塵器出口測試位置布置在靠近電除塵器出口喇叭型煙箱的水平煙道上，測試斷面尺寸為4.20m（寬）×4.20m（深），在每支煙道的寬度方向上均勻布置了8個測孔，每個測孔均勻布置6個測點。

測試重力熱管低溫省煤器進口和電除塵器出口的煙氣溫度，按（1）式計算其降溫幅度。

式中 Δt—降溫幅度，℃；ts,i—進口平均煙氣溫度，℃；ts,o—出口平均煙氣溫度，℃。

3.1.2 顆粒物濃度

測點位置與上述溫度測點相同，采用皮托管平行采樣自動跟蹤原理在重力熱管低溫省煤器進口和電除塵器出口測試位置等速采集顆粒物樣品，每個斷面采樣不少于三只，其中電除塵器出口每只樣品的增重不小于1mg或標準狀態干煙氣采樣體積不少于1m3。將采集的灰樣放入105℃的烘箱中烘1h，然后放入恒溫恒濕室平衡24h，用十萬分之一天平稱重。

采樣體積按（2）式計算：

式中 Vsnd—標準狀態干煙氣采樣體積，L；Vs—工況條件下干煙氣采樣體積，L；Ba—測定期間大氣壓，Pa；Pr—流量計前壓力，Pa； tr—流量計前溫度，℃。

顆粒物濃度按（3）式計算:

式中 C—實測標準狀態干煙氣顆粒物濃度，mg/m3；m—所采集的樣品質量，mg。

3.2 結果分析

當機組運行負荷為600MW時，投運重力熱管低溫省煤器前后的測試結果列于表1。從表1可知：投運基于重力熱管的低低溫電除塵系統后電除塵器出口溫度降幅達到47.4℃，電除塵器出口煙氣顆粒濃度由原來的24.9mg/m3降低到15.5mg/m3，降低幅度為9.4mg/m3。從數據中表明基于重力熱管的低低溫電除塵系統的投運不僅使得煙氣余熱得到了充分的利用，也提高了整個系統的除塵效率，降低了電除塵器的耗電量，性能能夠滿足設計要求，真正做到節能減排，同時也符合當前降低碳排放的時代背景。

4 結語

基于重力熱管的煙氣余熱利用低低溫電除塵系統相比于原有的低低溫電除塵系統有諸多優勢。首先，重力熱管低低溫電除塵系統徹底解決了傳統低低溫電除塵系統因低溫省煤器泄漏導致的一系列問題，保證機組長期安全穩定運行。其次，重力熱管低低溫電除塵系統在回收煙氣余熱、提高系統除塵效率以及降低電耗方面表現突出。重力熱管低低溫電除塵系統在660MW燃煤機組的成功運行也標志著該技術日趨成熟，為燃煤發電機組低低溫電除塵系統升級換代和大規模推廣應用提供了較好的示范作用。

表1 重力熱管低溫省煤器系統性能測試結果