熱管煙氣換熱器在濕法脫硫工藝中的應用及比較
石灰石-石膏濕法煙氣脫硫(FGD)工藝是應用最多、最成熟的技術,具有脫硫效率高(脫硫效率可達95%以上)、吸收劑價廉易得、副產品便于利用、煤種適用范圍廣等優點。隨著濕法脫硫設備的國產化,工程造價可大幅度降低,因此,該工藝是我國大型火電機組煙氣脫硫的基本工藝,是重點發展的脫硫技術。在石灰石 -石膏濕法煙氣脫硫系統中,由引風機來的煙氣溫度一般在130～150℃,在進入吸收塔前,需降溫至100℃以下(由吸收塔內襯防腐材料所要求)。在吸收塔噴霧區內煙氣上升過程中,SO2被噴淋層循環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,落入吸收塔底部循環氧化槽內。在吸收塔經洗滌、凈化的煙氣溫度降至50℃以下,這個溫度低于酸的露點。為防止煙氣對下游設備的腐蝕和對環境的影響,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入大氣。煙氣在上述降溫和升溫處理中,最節能的方法是讓高溫煙氣與低溫煙氣間進行熱交換,可用來在其間進行熱交換的氣-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、設計與制造時的注意事項及與回轉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
熱管煙氣換熱器是利用熱管技術設計、制造的利用熱煙氣余熱加熱冷煙氣的換熱設備。熱管是一種具有極高導熱性能的元件,它通過在全封閉真空管內工質的蒸發與凝結來傳遞熱量,具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變等優點。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、沒有附加動力消耗、運行及維護費用低等優點。
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備。換熱器中的熱管一般由管殼和內部工作液體(工質)組成。鋼制、密閉管殼內抽成真空, 工質是經特殊處理的液體,如圖1所示。熱管受熱側吸收高溫流體熱量,通過熱管壁傳給管內工質,工質吸熱后沸騰和蒸發,轉變為蒸汽。蒸汽在壓差的作用下上升至放熱側,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。如此周而復始,高溫流體熱量便傳給低溫流體, 加熱低溫流體。
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由于熱管內一般抽成10-4～1.3×10-1Pa的真空,工質極易沸騰與蒸發,熱管啟動非常迅速,因此,它具有很高的導熱能力。
1.2 熱管煙氣換熱器的特點熱管煙氣換熱器具有以下特點:
(1) 傳熱效率高。熱管煙氣換熱器中的熱管,其冷、熱側均可根據需要采用高頻焊翅片來強化傳熱,彌補了氣-氣換熱器換熱系數低的弱點。(2)可有效避免冷、熱流體串流。每根熱管都是相對獨立的密閉單元,熱管的蒸發段和冷凝段同處于一個整體的上、下2個空間,冷、熱流體都在管外流動,中間密封板嚴密將冷、熱流體隔開。(3)可有效防止露點腐蝕。通過調整熱管數量或熱管冷熱側的傳熱面積比,使熱管壁溫提高到露點溫度以上。(4)可有效防止積灰。換熱器設計可采用變截面結構,保證流體進、出口等流速流動,達到自清灰的目的。(5)運行及維護費用低。由于無任何轉動部件,屬靜設備,沒有附加動力消耗,運行費用低;另外, 操作和維護簡單,不需備品、備件,即使有部分元件損壞,也不影響正常生產。
2 熱管煙氣換熱器的設計與制造
熱管煙氣換熱器最主要的問題是低溫區的煙氣溫度低于酸露點溫度,使設備長期處于酸性環境中,因此,低溫區的換熱元件需采用耐腐蝕材料制造;高溫區換熱元件可以采用低碳鋼制造;殼體則采用碳鋼Q235-A材料(內側噴涂防腐油漆)制造。
2.1 燒鍍搪瓷技術的采用
熱管是低溫區的換熱元件,其外表面采用燒鍍搪瓷來防止換熱器低溫露點的腐蝕,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,因而與碳鋼結合緊密,對傳熱效果影響很小。搪瓷管的傳熱系數大于等于48.3W/(m2?℃),與碳鋼管相比,傳熱系數相對降低率小于 7.14%;且搪瓷表面光滑,不易結垢和積灰,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
根據熱管的特點,通過調整冷熱側的傳熱面積比,使熱管工作在“允許腐蝕區域”。根據國內、外的試驗證明:腐蝕速度不是簡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,其腐蝕程度并不高,最高腐蝕點在接近酸露點處;然后隨著溫度的繼續降低,腐蝕程度也迅速下降,直至最低腐蝕點;再繼續降低溫度,腐蝕程度又會增加.
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這說明,在酸露點以下存在著一個腐蝕速度很小的區域———“允許腐蝕區域”。如果受熱面工作在這個區域內,就可把腐蝕降低到最小。可通過調整熱管冷熱側的傳熱面積比,使熱管工作在“允許腐蝕區域”。
2.3 選擇合適的煙氣流速
選擇合適的煙氣流動速度,使熱管具有自清灰性能。一般說來,使熱管具有自清灰性能的風速范圍是8～12m/s。該熱管式GGH中,在滿足煙氣阻力降的要求下,煙氣流速應控制在9～11m/s,此時設備正常運行時,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,熱管采用錯排形式,但考慮清灰,設備內按一定間距布置了若干組蒸汽吹灰管束;同時,在換熱器的冷、熱流體通道中,各留出4個人行通道,必要時可采取人工清灰。也利于設備的內部維護。設備底部和中部均留有排污口和排液口,可方便清灰和及時排污。
2.5 換熱器內中孔板的密封
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。設計時必須注意確保密封的可靠性。另外,為了確保熱管在運行中不會因熱膨脹及振動引起密封破壞,為保證中孔板嚴格密封,可在每根熱管的頂部用彈簧對熱管壓緊。
2.6 熱管的熱膨脹熱管在換熱器內只有1個固定點,設在中孔板處,其兩端可自由膨脹,因此熱管的膨脹不會對換熱器產生危害。
3 熱管煙氣換熱器與其他換熱器比較
3.1 回轉式煙氣換熱器
回轉式煙氣換熱器的工作原理和結構類似于鍋爐回轉式空氣預熱器,是通過作為載熱體的波紋金屬薄板將高溫煙氣的熱量傳遞給凈化的冷煙氣。回轉式煙氣換熱器運行時,熱煙氣從煙氣壓力高的一側通過轉子及軸向密封和徑向密封系統泄漏到壓力低、已凈化的冷煙氣一側,導致凈化的煙氣被污染,使脫硫效率降低。
造成回轉式煙氣換熱器漏風的情況有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通過轉子軸向密封和徑向密封系統泄漏到煙氣壓力低的一側;而攜帶泄漏是轉子格倉中的煙氣,由于轉子的轉動從煙氣的一側攜帶到另外一側。
實際應用時,可采取有效措施最大限度地減少漏風量:徑向密封系統設計成網格狀密封,安裝在轉子徑向格板和徑向密封板之間。徑向密封板上帶有傳感器,能自動控制轉子與徑向密封板之間的間隙,從而使這個間隙一直保持最小值,不受轉子發生熱變形的影響。另外,在設備中氣體壓力最大的位置即位于熱煙氣側,安裝一個特殊的漏風量最小化裝置,消除直接泄漏。這個裝置包括1個小型風機,為轉子和徑向密封板之間的間隙吹進處理過的清潔氣體,這部分氣體可以防止熱煙氣穿過氣體壓力大的一側,同時將轉子和徑向密封板之間熱煙氣清除出轉子,進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量,但回轉式煙氣換熱器轉子軸向密封和徑向密封結構復雜,安裝、檢修技術要求較高,往往運行一段時間后系統泄漏增大,煙氣泄漏量能達到3%～5%。這對于煙氣SO2濃度高或者對脫硫效率要求高的電站來說,是不太適宜的。而且回轉式煙氣換熱器的工程造價、運行及維護費用都比較高。
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中的煙氣換熱器,除采用上述的回轉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備為了對各種換熱器進行比較,可以參考美國休斯飛機公司對各種換熱器的考評,其考評結果如表1所示。表1中括號內的數字是考評結果。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、脫硫系統有較高的脫硫效率、沒有附加動力消耗、運行及維護費用低等優點,更適合石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統。
回轉式煙氣換熱器的進、出煙道必須垂直、平行布置,煙道轉彎點多,所占空間較大;而熱管煙氣換熱器盡管體積龐大,但它的進、出煙道水平布置,實際所占空間較小,且工程投資也低于回轉式煙氣換熱器。因此,一些大型火電廠的石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統更傾向于采用熱管煙氣換熱器。
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