复合式相变换热器在火力电厂的应用
摘要：针对火力发电厂排烟温度过高，降低锅炉效率、增加煤耗、脱硫冷却水增加、缩短布袋除尘设备使用寿命的现状，介绍了在锅炉系统加装复合式相变换热器回收余热、降低排烟温度的新技术，对复合式换热器的结构、工作原理、技术特点存在的问题及采取的措施进行了详细论述，通过实例对经济效益和环境效益进行了分析。
随着社会经济的发展，节能降耗已成为发电企业可持续发展的重要途径之一，越来越受到重视。火力发电厂发电供热过程中，输入锅炉的热量除一部分被工质吸收外，还有一定的损失。其中占的比例最大的是排烟热损失，锅炉加装复合式相变换热器，进行锅炉尾部烟道余热的回收利用，可以减少排烟热损失，降低煤耗，提高机组经济效益。
l·复合式换热器的工作原理及技术特点
1．1工作原理
复合式相变换热器的基本工作原理是将热交换过程分为蒸发和冷凝2个工作段。在蒸发段，烟道内的换热器吸收烟气热量，使管内热工质由液态变为气态，然后蒸汽沿上升管进入冷凝段，在该段中加热热网水，同时蒸汽被冷凝成液体，并沿下降管回到换热器蒸发段，实现闭环控制。
1．2技术特点
复合式相变换热能够在锅炉的设计和改造中，大幅度降低烟气的排放温度，使大量的中低温热能被有效回收；在降低排烟温度的同时，保持金属受热面壁面温度处于较高的温度水平，远离酸露点的腐蚀区域，避免了结露腐蚀和堵灰现象的出现；实现了换热器金属受热面最低壁面温度可调控性，使复合式相变换热器具有相当幅度的调节能力，适应锅炉的燃料品种以及传热负荷的变化，使排烟温度和壁面温度保持相对稳定；保留了热管换热器所具有的高效传热特性的同时，还可通过排除不凝气体有效解决设备老化问题。
2·复合式相变换热器结构及安装
a．复合式相变换热器，由本体设备及相变本体凝结水管路、相变换热器冷却水管路、相变本体蒸汽管路、管道泵、除盐水管路、汽包、阀门等组成。结构见图1。
b．复合式相变换热器安装在除尘器前烟道空气预热器出口90°弯头12．27～14．6m标高处，共安装2组(炉左炉右各1组)，每组分3件并列安装在指定位置，每件质量约为24t。其中，1台的吸热段加装在原锅炉烟气系统尾部竖直段，即空气预热器之后，除尘设备之前的竖直烟道中。将回收的烟气热量用于加热高温热网水或凝结水。相变下段受热壁面温度始终高于燃煤酸露点温度，从而保证换热器不结露、不积灰、不腐蚀，安全运行。
尾部烟气余热装置安装于空气预器后、除尘器前的竖直烟道中间。换热器在设计上保证出口处烟气温度在安全合理的区间范围内(高于酸露点温度+5 ℃)，以保证尾部烟气余热装置性能设计数据，在最小与冬季额定抽汽工况范围内安全稳定运行。
3·存在的问题及采取的措施
3．1存在的问题
a．复合式相变换热器的受热面金属壁面温度低于酸露点时，烟气中灰分粘附在受热面上，形成堵灰的同时，烟气中含有硫酸酐的水蒸气在壁面凝结，造成低温腐蚀。
b．锅炉尾部烟道中带有固体颗粒或腐蚀成分的高温烟气对换热器会造成冲刷磨损，特别是燃烧灰分大的燃煤锅炉，其尾部受热面处烟气温度比较低，烟气中灰粒相对较硬，发生磨损尤为突出。携有灰粒和未完全燃烧燃料颗粒的高速烟气通过换热器时，粒子对换热器的每次撞击都会剥离掉极微小的金属，从而逐渐使换热器管壁变薄。烟速越高，灰粒对管壁的撞击力就越大；烟气携带的灰粒越多，撞击的次数就越多，对换热器的磨损越大。
3．2采取的措施
a．解决积灰腐蚀措施是防止积灰，合理设计工艺流速，在进口喇叭管中增加导流板，在喇叭管中烟气流速均匀的同时，提高喇叭管下部的局部流速。吹灰器定时正常吹灰避免积灰产生。控制最低壁面温度整体均匀，在正常运行状况下，可根据负荷及燃料变化进行合理调控，使其始终控制在酸露点温度以上，以控制酸露腐蚀。
; b．防止磨损的主要措施是设计扩大段，减少平均流速，考虑到积灰、阻力、迎风面的灰分硬度和换热效率的综合影响，平衡增加流速对防止积灰的正面效益和增加阻力耗能和磨损的负面效益的矛盾，将换热器的烟气平均断面流速控制7～10m／s之间。设计断面速度梯度，避免底部积灰，采用导流板或防磨瓦，进行气固两相流体特性调整。操作时适当调整导流板以防止烟气走廊的产生，在前2排换热管道(沿烟气方向)加装防磨瓦，在前3排换热管道(沿烟气方向)采用防磨翅片，减少飞灰颗粒对换热管道的直接冲击性磨损，保证换热器的寿命；采取锰钢(409)、镍钢等特殊防磨材料，增加管壁厚度，以延长高硬度灰分的磨损周期。通过采用以上措施，可以确保相变换热器的使用寿命在10年以上。
4·经济效益分析
以某2×350MW供热机组为例，其经济效益与环境效益分析如下。
a．加热热网水效益，相变换热器的最低壁面温度设定在113℃以上(高于烟气酸露点107．29℃)，夏季原空气热预器出口平均烟温为157℃，改造后换热器尾部排烟温度127℃，此区间烟气降温幅度为30 ℃。冬季原空气预热器出口平均烟温为161℃，改造后换热器尾部排烟温度123℃，此区间烟气降温幅度为38℃。
拟定年运行7400h、负荷率按64．5%、标煤价按600元／t计算，节约燃煤费用约492．6×10 4元／a。
b．节约冷却水及其他效益。由于进入脱硫塔的烟气由157 ℃／161℃降至123℃，年减少耗水量22．2×10 4t，水价格1．8元／t。节约水费约40×10 4元／a。
c．复合相变换热器实施后，减少℃O2排放9587．3t／a，减少SO2排放52．64t／a。布袋除尘器入口烟气温度降低了34～40℃，满足不高于117℃的要求，远低于最高耐热温度160℃，能够防止烟气温度过高造成布袋烧损现象，提高了布袋的使用寿命，从而带来一定的经济和环境效益。
d．改造工程费用为2136．16×10 4元，运行费用为91．1×104元／a，回收年限4．8年。锅炉加装复合式相变换热器后，通过烟气加热热网水，同时节约了冷却水，降低了排烟温度，有效地减小了引风机叶片的磨损以及除尘器布袋的损坏脱硫冷却水量降低，吸收塔出口净烟气量减小，烟气携带蒸汽量降低，节能减排效益显著。
