熱管煙氣換熱器在濕法脫硫工藝中的應(yīng)用及比較
石灰石-石膏濕法煙氣脫硫(FGD)工藝是應(yīng)用最多、最成熟的技術(shù),具有脫硫效率高(脫硫效率可達(dá)95%以上)、吸收劑價(jià)廉易得、副產(chǎn)品便于利用、煤種適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。隨著濕法脫硫設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化,工程造價(jià)可大幅度降低,因此,該工藝是我國(guó)大型火電機(jī)組煙氣脫硫的基本工藝,是重點(diǎn)發(fā)展的脫硫技術(shù)。在石灰石 -石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中,由引風(fēng)機(jī)來(lái)的煙氣溫度一般在130～150℃,在進(jìn)入吸收塔前,需降溫至100℃以下(由吸收塔內(nèi)襯防腐材料所要求)。在吸收塔噴霧區(qū)內(nèi)煙氣上升過(guò)程中,SO2被噴淋層循環(huán)噴出的石灰石漿液吸收,生成亞硫酸鈣隨同漿液從煙氣中分離出來(lái),落入吸收塔底部循環(huán)氧化槽內(nèi)。在吸收塔經(jīng)洗滌、凈化的煙氣溫度降至50℃以下,這個(gè)溫度低于酸的露點(diǎn)。為防止煙氣對(duì)下游設(shè)備的腐蝕和對(duì)環(huán)境的影響,一般需要在熱交換器中將煙氣加熱至80℃以上,然后再由煙囪排出進(jìn)入大氣。煙氣在上述降溫和升溫處理中,最節(jié)能的方法是讓高溫?zé)煔馀c低溫?zé)煔忾g進(jìn)行熱交換,可用來(lái)在其間進(jìn)行熱交換的氣-氣換熱器有熱管煙氣換熱器。下面敘述熱管煙氣換熱器的工作原理、特點(diǎn)、設(shè)計(jì)與制造時(shí)的注意事項(xiàng)及與回轉(zhuǎn)式煙氣換熱器和其他換熱器的比較。
1 熱管煙氣換熱器的工作原理及特點(diǎn)
熱管煙氣換熱器是利用熱管技術(shù)設(shè)計(jì)、制造的利用熱煙氣余熱加熱冷煙氣的換熱設(shè)備。熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的元件,它通過(guò)在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量,具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變等優(yōu)點(diǎn)。由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高,流體阻力損失小、煙氣不泄漏、沒(méi)有附加動(dòng)力消耗、運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。
1.1 熱管煙氣換熱器的工作原理熱管換熱器是一種利用高溫流體余熱加熱低溫流體的換熱設(shè)備。換熱器中的熱管一般由管殼和內(nèi)部工作液體(工質(zhì))組成。鋼制、密閉管殼內(nèi)抽成真空, 工質(zhì)是經(jīng)特殊處理的液體,如圖1所示。熱管受熱側(cè)吸收高溫流體熱量,通過(guò)熱管壁傳給管內(nèi)工質(zhì),工質(zhì)吸熱后沸騰和蒸發(fā),轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝Ｕ羝趬翰畹淖饔孟律仙练艧醾?cè),受管外低溫流體的冷卻,蒸汽冷凝并向外放出汽化潛熱,低溫流體獲得熱量,冷凝液靠重力回到受熱側(cè)。如此周而復(fù)始,高溫流體熱量便傳給低溫流體, 加熱低溫流體。
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由于熱管內(nèi)一般抽成10-4～1.3×10-1Pa的真空,工質(zhì)極易沸騰與蒸發(fā),熱管啟動(dòng)非常迅速,因此,它具有很高的導(dǎo)熱能力。
1.2 熱管煙氣換熱器的特點(diǎn)熱管煙氣換熱器具有以下特點(diǎn):
(1) 傳熱效率高。熱管煙氣換熱器中的熱管,其冷、熱側(cè)均可根據(jù)需要采用高頻焊翅片來(lái)強(qiáng)化傳熱,彌補(bǔ)了氣-氣換熱器換熱系數(shù)低的弱點(diǎn)。(2)可有效避免冷、熱流體串流。每根熱管都是相對(duì)獨(dú)立的密閉單元,熱管的蒸發(fā)段和冷凝段同處于一個(gè)整體的上、下2個(gè)空間,冷、熱流體都在管外流動(dòng),中間密封板嚴(yán)密將冷、熱流體隔開(kāi)。(3)可有效防止露點(diǎn)腐蝕。通過(guò)調(diào)整熱管數(shù)量或熱管冷熱側(cè)的傳熱面積比,使熱管壁溫提高到露點(diǎn)溫度以上。(4)可有效防止積灰。換熱器設(shè)計(jì)可采用變截面結(jié)構(gòu),保證流體進(jìn)、出口等流速流動(dòng),達(dá)到自清灰的目的。(5)運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用低。由于無(wú)任何轉(zhuǎn)動(dòng)部件,屬靜設(shè)備,沒(méi)有附加動(dòng)力消耗,運(yùn)行費(fèi)用低;另外, 操作和維護(hù)簡(jiǎn)單,不需備品、備件,即使有部分元件損壞,也不影響正常生產(chǎn)。
2 熱管煙氣換熱器的設(shè)計(jì)與制造
熱管煙氣換熱器最主要的問(wèn)題是低溫區(qū)的煙氣溫度低于酸露點(diǎn)溫度,使設(shè)備長(zhǎng)期處于酸性環(huán)境中,因此,低溫區(qū)的換熱元件需采用耐腐蝕材料制造;高溫區(qū)換熱元件可以采用低碳鋼制造;殼體則采用碳鋼Q235-A材料(內(nèi)側(cè)噴涂防腐油漆)制造。
2.1 燒鍍搪瓷技術(shù)的采用
熱管是低溫區(qū)的換熱元件,其外表面采用燒鍍搪瓷來(lái)防止換熱器低溫露點(diǎn)的腐蝕,即在普通碳鋼(翅片管)外涂一層耐酸搪瓷。由于搪瓷層很薄,一般厚度為 0.2mm,因而與碳鋼結(jié)合緊密,對(duì)傳熱效果影響很小。搪瓷管的傳熱系數(shù)大于等于48.3W/(m2?℃),與碳鋼管相比,傳熱系數(shù)相對(duì)降低率小于 7.14%;且搪瓷表面光滑,不易結(jié)垢和積灰,又耐磨損、抗腐蝕;與選用耐酸不銹鋼材料相比,可降低投資。
2.2 合理控制熱管壁溫
根據(jù)熱管的特點(diǎn),通過(guò)調(diào)整冷熱側(cè)的傳熱面積比,使熱管工作在“允許腐蝕區(qū)域”。根據(jù)國(guó)內(nèi)、外的試驗(yàn)證明:腐蝕速度不是簡(jiǎn)單地隨溫度的降低而增加,而是如圖 2所示的曲線。從圖2中可知,在酸露點(diǎn),其腐蝕程度并不高,最高腐蝕點(diǎn)在接近酸露點(diǎn)處;然后隨著溫度的繼續(xù)降低,腐蝕程度也迅速下降,直至最低腐蝕點(diǎn);再繼續(xù)降低溫度,腐蝕程度又會(huì)增加.
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這說(shuō)明,在酸露點(diǎn)以下存在著一個(gè)腐蝕速度很小的區(qū)域———“允許腐蝕區(qū)域”。如果受熱面工作在這個(gè)區(qū)域內(nèi),就可把腐蝕降低到最小。可通過(guò)調(diào)整熱管冷熱側(cè)的傳熱面積比,使熱管工作在“允許腐蝕區(qū)域”。
2.3 選擇合適的煙氣流速
選擇合適的煙氣流動(dòng)速度,使熱管具有自清灰性能。一般說(shuō)來(lái),使熱管具有自清灰性能的風(fēng)速范圍是8～12m/s。該熱管式GGH中,在滿足煙氣阻力降的要求下,煙氣流速應(yīng)控制在9～11m/s,此時(shí)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí),能起到自清灰作用。
2.4 合理的管排布置與靈活的清灰方式
為提高傳熱效率,熱管采用錯(cuò)排形式,但考慮清灰,設(shè)備內(nèi)按一定間距布置了若干組蒸汽吹灰管束;同時(shí),在換熱器的冷、熱流體通道中,各留出4個(gè)人行通道,必要時(shí)可采取人工清灰。也利于設(shè)備的內(nèi)部維護(hù)。設(shè)備底部和中部均留有排污口和排液口,可方便清灰和及時(shí)排污。
2.5 換熱器內(nèi)中孔板的密封
熱管煙氣換熱器中孔板是分隔原煙氣與凈煙氣的隔板,為不使原煙氣與凈煙氣串流,其密封性要求較高。設(shè)計(jì)時(shí)必須注意確保密封的可靠性。另外,為了確保熱管在運(yùn)行中不會(huì)因熱膨脹及振動(dòng)引起密封破壞,為保證中孔板嚴(yán)格密封,可在每根熱管的頂部用彈簧對(duì)熱管壓緊。
2.6 熱管的熱膨脹熱管在換熱器內(nèi)只有1個(gè)固定點(diǎn),設(shè)在中孔板處,其兩端可自由膨脹,因此熱管的膨脹不會(huì)對(duì)換熱器產(chǎn)生危害。
3 熱管煙氣換熱器與其他換熱器比較
3.1 回轉(zhuǎn)式煙氣換熱器
回轉(zhuǎn)式煙氣換熱器的工作原理和結(jié)構(gòu)類似于鍋爐回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器,是通過(guò)作為載熱體的波紋金屬薄板將高溫?zé)煔獾臒崃總鬟f給凈化的冷煙氣。回轉(zhuǎn)式煙氣換熱器運(yùn)行時(shí),熱煙氣從煙氣壓力高的一側(cè)通過(guò)轉(zhuǎn)子及軸向密封和徑向密封系統(tǒng)泄漏到壓力低、已凈化的冷煙氣一側(cè),導(dǎo)致凈化的煙氣被污染,使脫硫效率降低。
造成回轉(zhuǎn)式煙氣換熱器漏風(fēng)的情況有2種,即直接泄漏和攜帶泄漏。直接泄漏是煙氣從煙氣壓力高的一側(cè)通過(guò)轉(zhuǎn)子軸向密封和徑向密封系統(tǒng)泄漏到煙氣壓力低的一側(cè);而攜帶泄漏是轉(zhuǎn)子格倉(cāng)中的煙氣,由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)從煙氣的一側(cè)攜帶到另外一側(cè)。
實(shí)際應(yīng)用時(shí),可采取有效措施最大限度地減少漏風(fēng)量:徑向密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)成網(wǎng)格狀密封,安裝在轉(zhuǎn)子徑向格板和徑向密封板之間。徑向密封板上帶有傳感器,能自動(dòng)控制轉(zhuǎn)子與徑向密封板之間的間隙,從而使這個(gè)間隙一直保持最小值,不受轉(zhuǎn)子發(fā)生熱變形的影響。另外,在設(shè)備中氣體壓力最大的位置即位于熱煙氣側(cè),安裝一個(gè)特殊的漏風(fēng)量最小化裝置,消除直接泄漏。這個(gè)裝置包括1個(gè)小型風(fēng)機(jī),為轉(zhuǎn)子和徑向密封板之間的間隙吹進(jìn)處理過(guò)的清潔氣體,這部分氣體可以防止熱煙氣穿過(guò)氣體壓力大的一側(cè),同時(shí)將轉(zhuǎn)子和徑向密封板之間熱煙氣清除出轉(zhuǎn)子,進(jìn)入到未處理的熱煙氣管道中。盡管采用這些措施可以大大減少漏風(fēng)量,但回轉(zhuǎn)式煙氣換熱器轉(zhuǎn)子軸向密封和徑向密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安裝、檢修技術(shù)要求較高,往往運(yùn)行一段時(shí)間后系統(tǒng)泄漏增大,煙氣泄漏量能達(dá)到3%～5%。這對(duì)于煙氣SO2濃度高或者對(duì)脫硫效率要求高的電站來(lái)說(shuō),是不太適宜的。而且回轉(zhuǎn)式煙氣換熱器的工程造價(jià)、運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用都比較高。
3.2 各種煙氣換熱器的性能比較
石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中的煙氣換熱器,除采用上述的回轉(zhuǎn)式煙氣換熱器和熱管煙氣換熱器外,還采用蒸氣管式換熱器等煙氣換熱設(shè)備為了對(duì)各種換熱器進(jìn)行比較,可以參考美國(guó)休斯飛機(jī)公司對(duì)各種換熱器的考評(píng),其考評(píng)結(jié)果如表1所示。表1中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字是考評(píng)結(jié)果。最佳為分,最差為0分,熱管換熱器以其總分 30列于榜首。
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從對(duì)各種換熱器的比較看,熱管煙氣換熱器以其具有傳熱效率高、流體阻力損失小、煙氣不泄漏、脫硫系統(tǒng)有較高的脫硫效率、沒(méi)有附加動(dòng)力消耗、運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),更適合石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)。
回轉(zhuǎn)式煙氣換熱器的進(jìn)、出煙道必須垂直、平行布置,煙道轉(zhuǎn)彎點(diǎn)多,所占空間較大;而熱管煙氣換熱器盡管體積龐大,但它的進(jìn)、出煙道水平布置,實(shí)際所占空間較小,且工程投資也低于回轉(zhuǎn)式煙氣換熱器。因此,一些大型火電廠的石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)更傾向于采用熱管煙氣換熱器。
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