燃煤鍋爐爐后煙氣受熱面改進技術及應用

張躍 張華聰 陳亮 福建龍凈環保股份有限公司 國家電投集團重慶合川發電有限公司

國內鍋爐中爐后輔機中配套的空氣預熱器（以下簡稱空預器）常見的有管箱式、回轉式兩種，其中火力發電廠最常使用的空預器是受熱面回轉式的三分倉空預器。三分倉空預器安裝在鍋爐尾部豎直煙道內，工作時空預器的受熱面緩慢旋轉，空預器中的蓄熱元件在煙氣中，吸收了煙氣中的熱量后，旋轉至空氣側，再將煙氣中吸收的熱量傳遞給進入鍋爐前的空氣，從而實現煙氣出口余熱的回收利用。從空預器出口蓄熱元件流出的煙溫約在155～180℃之間，在鍋爐燃用高硫燃料時，在空預器空氣進口冷端可能會引起空預器低溫腐蝕，造成蓄熱元件嚴重損壞。同時，由于空預器冷端壁溫低而凝結出的液態硫酸會粘結煙氣中的灰份粒子，造成煙道堵灰，嚴重時將影響鍋爐滿負荷運行。空預器低溫腐蝕增加了設備檢修維護費用，嚴重影響鍋爐的安全經濟運行。

為了解決空預器冷端低溫腐蝕的問題，目前國內常規做法，主要采用了蒸汽暖風器或者熱風再循環的技術方式。但是，蒸汽暖風器需要使用大量的汽機抽汽，提高了汽輪機抽汽量，降低了汽輪機的經濟性。而熱風再循環會使一次風機或二次風機的風量加大，導致風機電耗增加，同時空預器風側阻力也會增大，系統能耗增加；此外，對于回轉式空預器，當由煙氣側轉向空氣側時，不可避免將煙氣中的粉塵帶入空氣側，此時由于空氣側風量變大，顆粒物含量高，會對空氣側的設備磨損加劇。

低溫省煤器可以進一步降低鍋爐排煙溫度，提升電除塵器的除塵效率，作為超低排放鍋爐的標配設備，目前常見的管殼式低溫省煤器，長期受煙氣沖刷，不可避免的會出現磨損、泄漏的問題。據統計，目前國內燃煤機組配套的低溫省煤裝置在設備投運后3年內會出現不同程度的磨損而造成泄漏。根據統計，低溫省煤器的泄露故障中，換熱管磨損造成的泄漏比例為42.2%。

鑒于空預器低溫腐蝕和低溫省煤器損壞泄漏、堵塞問題，通過專業計算機數值仿真技術，結合燃煤鍋爐爐后煙氣特點及實際條件，一種應用零泄漏、高效率、低流阻真空熱管低溫省煤器+前置空預器的復合技術，將低溫省煤器的煙氣取熱與凝結水吸熱進行有機的分段分區設計，實現高效換熱的同時可確保設備在運行過程中有效隔離凝結水吸熱段，實現煙氣余熱高效安全利用，并穩定提高低低溫電除塵效率，通過前置空預器，提高空預器冷端入口風溫，降低引風機電耗，滿足低投資、小能耗低、系統適應性好等要求的高效余熱利用系統的成功投運，在“雙碳”目標的指引下，為國內燃煤鍋爐的節能、減排、降碳改造提供了良好的示范效果。

1 技術原理

真空熱管低溫省煤器是以重力式熱管為基礎換熱單元，若干熱管通過有序組合，集成制作的真空熱管換熱器。典型的熱管由管殼和封蓋組成，將熱管管殼內充以適量的工質液體，并設法形成一定負壓值后加以密封，則熱管內空間形成真空狀態，從而成為一根合格的熱管。真空熱管的一端為蒸發段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據結構應用需求在兩段中間可布置絕熱段，同時，為了延長熱管使用周期，在靠近冷凝段的上端還可以再設置儲氣段。當熱管的蒸發段受熱時熱管內部的工質液體蒸發汽化，蒸汽態的工質流向冷凝段放出熱量，重新凝結成液體，液體再沿熱管管壁流回蒸發段，如此循環往復，熱量由熱管的一端（蒸發段）傳至另—端（冷凝段）。

熱管在實現這一熱量轉移的過程中，包含了以下六個相互關聯的主要過程：①蒸發段吸收的熱量從熱管外部的熱源通過熱管管壁傳遞到熱管內部工質；②熱管內部工質液體在蒸發段內吸收熱量后開始蒸發、汽化；③工質蒸汽在熱管真空腔內從蒸發段穿過絕熱段到達冷凝段；④工質蒸汽在冷凝段內釋放熱量，從蒸汽態冷凝為液態；⑤工質釋放出來的熱量通過熱管管壁傳給冷凝段的冷源；⑥在重力作用下冷凝為液態的工質液體順著管壁回流到蒸發段。

真空熱管低溫省煤器以重力熱管作為熱管換熱器的主要換熱元件，蒸發吸熱區在煙氣內吸熱，冷凝放熱區以冷卻水為換熱介質帶走熱管從煙氣中吸收的熱量，再通過管板和冷凝段換熱管壁將真空熱管換熱裝置的蒸發吸熱區和冷凝放熱區進行雙重物理隔離，徹底杜絕傳統低溫省煤器的管殼式換熱器由于磨損導致的冷卻水泄漏、堵塞并引發電除塵器堵灰、跳閘等影響除塵設備安全運行等問題，可以確保實現火力發電機組鍋爐排煙治理系統的整體安全運行環境，為燃煤電廠行業內煙氣余熱利用設備的升級改造提供新的替代裝備。

2 工程應用

重慶某電廠4# 鍋爐原有低溫省煤器為建廠初期配套的常規管殼式換熱器，經過幾年運行后，出現了嚴重的磨損泄漏、換熱器大面積堵塞，最終不得不退出低溫省煤器運行。由于低溫省煤器長期退出運行，還造成了機組排煙溫度高，煙氣阻力大，機組運行經濟性差。同時，廠內原有暖風器采用了蒸汽暖風器，受早期蒸汽暖風器結構原因影響，原蒸汽暖風器阻力大，機組經濟性差。同時，暖風器內部疏水無法及時排出，產生了水沖擊及汽水共振，暖風器內部沖蝕嚴重。上述這些問題，對廠內機組設備的安全、經濟運行造成了極大的困擾，急需一種可以徹底解決換熱面腐蝕、磨損、積灰等問題的高效換熱裝備，進行技術升級改造。

2023 年，為了踐行國家“雙碳”目標，降低機組發電煤耗，提高機組的經濟性，電廠與國內某環保企業合作開發的真空熱管低溫省煤器+前置空預器的組合系統，提高了機組的經濟性，擺脫了長期困擾廠里的低溫省煤器可靠性差，長期退出運行的問題。

2.1 工程現狀

廠內4 號機組于2014 年6 月份投產，機組在設計初期已經配套了低溫省煤器和蒸汽暖風器，目前，合川電廠4#鍋爐原有低溫省煤器損壞泄漏、堵塞嚴重，高負荷工況下空預器出口煙氣溫度達到150℃以上，最高達到170℃左右。過高的排煙溫度不僅損失了大量的熱量，降低了機組效率，同時還導致除塵器效率降低，脫硫系統入口煙氣含塵量過高、水耗增加、腐蝕泄漏更嚴重等問題，對脫硫系統穩定運行、脫硫效率、石膏脫水均產生了不利影響。

本工程采用專業計算機數值仿真技術，結合機組實際煙氣特點及現場場地條件，應用零泄漏、高效率、低流阻真空熱管低溫省煤器復合技術，將低溫省煤器的煙氣取熱與凝結水吸熱進行有機的分段分區設計，實現高效換熱的同時可確保設備在運行過程中有效隔離凝結水吸熱段，實現煙氣余熱高效安全利用，并穩定提高低低溫電除塵效率，最終實現降低引風機電耗；同時，利用吸熱后的高溫凝結水進入前置空預器加熱空預熱入口空氣，提高空預器入口風溫，降低空預熱冷端低溫腐蝕的風險。

2.2 真空熱管低溫省煤器+前置空預器改造方案

本工程改造采用一路取水、一路回水的工藝路線，真空熱管低溫省煤器主體換熱器采用具有零泄漏特性的真空熱管換熱裝置，在原低溫省煤器布置區域進行原位更換，即在電除塵器入口的水平煙道上鉛垂布置。通過真空熱管換熱裝置吸收煙氣中的熱量，由循環水將煙氣中的熱量攜帶至前置空預器對一、二次風進行加熱，從而實現降低鍋爐尾部排煙溫度的情況下，提高空預器進口風溫，緩解空預器冷端低溫腐蝕。

經過廠內技術人員與設備廠家多次進行現場場地踏勘，多方案對比分析，充分論證后，最終確認了4#爐真空熱管低溫省煤器改造及前置空預器的技術方案，充分利用了煙氣余熱加熱一、二次風溫，實現節能高效，系統靈活調控。

真空熱管低溫省煤器+前置空氣預熱器的整體設計參數參考表1。

表1 設計參數表

2.3 運行效果

經過近1 個月的施工安裝及調試，本項目克服了工期緊張，供貨壓力等種種困難，真空熱管低溫省煤器+前置空預器系統在2023 年7 月份正式投運。經由第三方檢測，真空熱管低溫省煤器+前置空預器運行測試數據見表2。由于本項目投運為夏季，環境溫度高，為保證機組安全，防止高負荷下一二次風溫過高造成機組安全隱患，在機組投運后，僅在50%及以下負荷投運前置空預器。從表2 可知：實測真空熱管低溫省煤器平均降溫幅度分別為48.3℃，性能參數優于設計值。同時，在設計工況條件下，前置空預器在50%工況下的升溫幅度經折算至滿負荷工況，其換熱性能也同樣優于設計值。

表2 煙/空氣溫度測試數據表

3 結語

真空熱管低溫省煤器+前置空預器組合系統的成功應用，對于“雙碳”政策下火力發電機組的節能減排升級改造有明顯的借鑒效果，尤其對于北方地區，空預器存在較嚴重低溫腐蝕的火力發電機組的升級改造，將帶來更明顯的示范意義。