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摘要：采用热管式低温省煤器技术降低锅炉排烟温度，可达到余热利用的效果，同时可提高静电除尘器的除尘效率，实现烟气达标排放，取得了很好的经济效益和社会效益。对热管式低温省煤器在锅炉节能减排方面的应用进行了探讨。
关键词：低温省煤器；热管；节能减排
随着环境污染和能源紧张问题日益严峻，人们在加速开发可再生能源的同时，更加重视传统工业的节能降耗工作。经济的发展离不开工业的支持，而工业生产过程排放的污染物又是PM2.5的主要来源，因此，控制和减少工业生产排放就成为控制PM2.5排放和减少雾霾的重要途径。工业的发展和人类的现代化生活都离不开能源，特别是对电力的需求。而中国的一次能源主要是煤炭，煤炭的燃烧必然会产生大量的污染物，其中包括烟尘及SO2，NOx等化学物质。中国的电力主要靠燃煤的火电机组提供，因此电力行业成为各种污染物排放之首。严峻的环境形势和巨大的社会需求是必须面对的现实。中国的能源结构决定了中国会长期倚重煤炭为社会提供一次能源。简单的限制使用只为权宜，节能减排、提高能源利用率才是长久之计。燃煤的电力生产需要燃烧大量的煤炭，因而产生各种污染物，但电力又是现代社会不可或缺的优质能源和清洁能源。为了减少分散的燃煤生产、生活方式对环境的污染，人们将会更多地使用电力，因此电力行业既是优质能源的提供者，又是污染的治理者。火力发电厂既是发电企业，也是耗能企业。如何提高火力发电厂的运行经济性、减少能量损失和污染物排放已成为国内外研究的热点课题。在火电厂中，锅炉的排烟余热问题（即锅炉排烟温度高）一直是困扰着人们的一个难题。因为仅锅炉排烟余热这一项损失所造成的能源消耗就相当可观。据统计，在火力发电厂中，锅炉排烟热损失占锅炉热损失的70%～80%。受热面污染程度随锅炉运行时间加剧，且由于燃烧煤种的变化，实际排烟温度要比设计温度高20～30℃。锅炉的排烟温度升高，造成了火力发电厂燃煤消耗量增加，同时污染物的排放量也增加了。火电机组一般采用静电除尘，而静电除尘器对烟气温度有一定的要求。高温烟气使飞灰比电阻增高，易形成反电晕，造成除尘效率下降。严峻的环境形势下，国家不断加大治理环境的力度，其中烟气含尘质量浓度排放标准提高到30mg/m3，重点地区要达到20mg/m3。减少燃煤量可有效减少污染物的排放，降低烟气温度可提高除尘设备效率，这是排放达标的技术保证。在这种背景下，低温省煤器有关技术应运而生。
1低温省煤器的功能和作用
有关研究表明，低温省煤器的应用可有效降低锅炉排烟温度。该技术采用在静电除尘器之前的烟道加装换热器的方法吸收烟气余热，有效降低锅炉排烟温度，达到降低机组能耗的功效。烟气经该换热器放出热量、降温后进入静电除尘器；低温凝结水或热网回水流经该换热器吸热、温度升高后返回热力系统。低温省煤器技术通过降低烟气温度，在降低飞灰比电阻及减小烟气体积流量的共同作用下可明显提高静电除尘器效率，具有降低能耗的功能[1]。有关实践表明，在烟温140℃的工况下，经低温省煤器后的烟气降温幅度平均可达50℃以上，飞灰比电阻下降明显。并且在增设低温省煤器后，粉尘排放质量浓度从约50mg/m3下降到约20mg/m3，降温冷却后的烟气流量可缩减10%，可提高静电除尘器的功率。低温省煤器布置于锅炉的最后一级受热面（空气预热器）后，其传热行为对锅炉一切受热面的传热均不会产生影响，因此既不会降低入炉热风温度而影响锅炉燃烧，也不会使空气预热器的传热量减少而削弱排烟温度的降低效果。
2传统低温省煤器存在的问题
虽然近些年来已有不少火力发电厂采用了低温省煤器，但是传统的低温省煤器在使用过程中仍存在一些问题，主要表现为：a)为降低进入静电除尘器烟气的温度，需要较大体积的换热器，这使得一般的换热形式难以发挥效果。为了解决上述问题，传统的办法是在换热管上焊接翅片或H形钢片以增加换热面积，减小设备体积。但由于低温省煤器安装于锅炉尾部烟道，其复杂的结构一方面增加了烟气流动阻力，另一方面成为增加积灰的因素。积灰是换热元件的技术难点，其会使换热元件的换热效率大大降低，以至不能换热，且清理难度很大。b)受锅炉运行负荷和季节变化等因素的影响，烟气参数处在不断的变化中，这会对低温省煤器的运行产生影响。c)低温省煤器布置于锅炉尾部烟道，烟气温度较低，基本处于酸露点以下，导致低温省煤器容易发生低温腐蚀。而且锅炉排烟温度会受到锅炉运行负荷及环境温度等因素的影响，同时受燃煤中含硫量不断变化的影响，酸露点会发生变化。高硫煤的使用也使得低温省煤器难以发挥效能[2]。综合以上情况，选用合理的换热形式及采用先进的防腐措施是保证低温省煤器高效和安全运行的前提。经过多年研究和论证，热管式低温省煤器能以其独特的性能解决传统低温省煤器存在的腐蚀、积灰、低温换热、运行安全问题。
3热管式低温省煤器的节能减排优势
3.1热管换热技术简介
热管换热技术是随着近些年来对余热利用的需要应运而生的。热管由于其通过自身工质液-汽相变传热的特点，具有良好的传热性能。处于烟道中受热段内的工质受热后迅速汽化，携带大量潜热向处于水箱中的放热段放出热量后冷凝为液态回流到受热段并被再次汽化，就这样余热被高效回收。由于热管中的换热工质处于真空状态，可在较低的温度下汽化而产生潜热，特别适用于低温环境下的换热。另外，热管不需要吸液芯，具有制作简单、成本低廉的优点。因此，国内余热回收用的低温省煤器大多采用热管形式[3]。热管换热原理如图1所示。
3.2热管式低温省煤器的基本构造
热管式低温省煤器中包含由若干支独立的热管组成的换热单元。根据所需换热量，数组换热单元可进行优化组合。可根据用户的实际情况和需求对换热单元采用不同的设计方案。换热单元主要由上下联箱、箱板和受热面蛇形管构成。将4块钢板用螺栓螺母紧固并围成长方体形状，形成省煤器换热单元的箱体。热管式低温省煤器设备体积小，更适用于场地有限的发电厂改造项目。烟气和冷凝段冷却水集箱之间由绝热段的隔板分隔，烟气于绝热隔板下方流通，冷却水于绝热隔板上方流通，隔板采用特制的管板结构，以保证整个换热模块全密封。冷却水侧每根套管设置套管组件进行独立隔离，套管与绝热段隔板互不相通，可实现双重物理隔离。
3.3热管式低温省煤器的技术优势
与其他形式的低温省煤器相比，热管式低温省煤器能在锅炉余热利用领域得到广泛应用，是因为其具有以下主要优点：a)运行更安全。热管式低温省煤器由若干支独立的热管组成换热单元，每支热管独立完成换热工作。与传统低温省煤器整组换热单元比较，可大大降低换热单元故障的风险，因此有效保证了低温省煤器整体的安全。同时由于流经热管式低温省煤器的冷凝水等换热水媒介质处于烟道外的水箱中，与烟道隔绝，保障了锅炉系统的安全运行。b)耐低温腐蚀。热管式低温省煤器由于采用了搪玻璃防腐工艺，具有极佳的抗低温腐蚀性能。采用静电喷涂的方式将釉料均匀地涂于低碳钢换热元件上，通过850℃的高温搪烧，使瓷釉密着于金属铁胚表面，形成无机材料与碳素钢的复合材料，使换热元件既具有碳素钢的原有传热性能和机械强度，又能保证金属具有类似玻璃的良好耐腐蚀性能，特别是耐低温酸性物质对金属的腐蚀，同时可有效解决金属换热材料的积灰问题，提高换热效率。经过搪玻璃防腐工艺处理的热管不受壁温影响，可适应机组锅炉运行负荷及季节的变化，不受燃煤含硫量引起的酸露点变化制约。c)不易积灰。热管式低温省煤器的热管采用了光管结构，尽量简化了低温省煤器换热元件的结构形式，减少了换热元件积灰的结构因素（热管高效的低温换热能力为低温省煤器采用光管结构提供了条件，传统的间壁换热为了减小低温省煤器体积需在换热管上增加各种形式的翅片以提高换热效率）。热管式低温省煤器的热管垂直于烟道，光滑的表面在合理设计的烟气流速下可实现不积灰。d)装置结构简洁高效，不需要外部配置其他装置。热管是通过自身管内工质在受热和放热之间相变完成换热过程，无需外源动力消耗，且无需旋转装置，因此该换热系统没有漏风的隐患，可避免工作区域环境被二次污染。e)长周期运行更可靠。常规省煤器一般都是间壁换热，冷热流体分别在器壁的两侧流过，如果管壁或器壁有泄漏，则将造成停产损失。而热管式低温省煤器是二次间壁换热，即热流要通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能传到冷流体，热管的蒸发段和冷凝段一般不可能同时被损坏，因此大大增强了设备运行的可靠性[4]。f)优化烟气温度控制。在低温余热回收或热交换的过程中，通过适当的热流变换可调节热管管壁的温度到低温烟气露点以上。因此搪玻璃热管式低温省煤器的控制系统最为简洁。通过监测搪玻璃热管式低温省煤器出口烟气设定温度，调整变频水泵的水量来控制换热量，从而控制搪玻璃热管式低温省煤器出口烟气温度，这样不仅保证进入静电除尘器的烟气温度符合设计温度，保证除尘器正常工作及安全，还能防止低温腐蚀，避免烟气灰尘在管壁上黏结，从而保证了锅炉的长期运行，并且提高了锅炉效率。g)现场安装布置更灵活。由热管组成的低温省煤器受热部分和换热部分的结构设计和位置布置非常灵活，可适应各种复杂的场合。由于结构紧凑、占地空间小，其特别适用于工程改造及地面空间狭小和设备拥挤的场合，并且大大减少了维修工作量。h)提高电除尘效率。进入静电除尘器的烟气温度降低，降低了飞灰比电阻，烟气体积流量减小（一般可减小10%以上），两者均使静电除尘器的效率提高。
3.4热管式低温省煤器的经济性
热管式低温省煤器具有较高的经济性，主要表现为：a)换热烟气中的热量被进入热管式换热器上部水箱的冷凝水或热网回水吸收，被加热后的冷凝水或热网回水通过管道被送入低压加热器或直接送入锅炉。b)置于静电除尘器前的热管式低温省煤器通过换热将烟气降温，使烟气体积流量减小，同时烟阻也相应降低，因此在该处设置低温省煤器不会对系统阻力带来不利影响。c)热管式低温省煤器由于采用搪玻璃防腐工艺，不受烟气温度变化和燃煤含硫量变化的制约，可大大简化工艺流程，为设备运行提供便利。
4热管式低温省煤器在锅炉中的应用实例
4.1技术改造目的
山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城电厂为了进一步降低锅炉排烟温度以提高除尘效率，同时加大锅炉余热回收利用的力度，降低机组运行整体能耗水平，决定充分利用锅炉本体以外的场地空间，布置热管式低温省煤器，并留有足够的检修维护空间。
4.2项目基本情况
阳城电厂的锅炉为东方锅炉厂DG480/13.7-Ⅱ2型循环流化床锅炉，超高压中间一次再热，单汽包自然循环，单炉膛单布风板平衡通风，固态排渣，露天布置。锅炉主要由炉膛、高温汽冷旋风分离器、自平衡“J”阀双路回料器和尾部对流烟道组成。热管式低温省煤器布置在空气预热器至静电除尘器入口的竖直烟道内。热管式低温省煤器的换热管采用铅垂、顺列布置，水侧逆流进入换热器本体，热管采用SiO2复合搪瓷材料喷涂光管形式。布置换热面积相同的2层换热器，每层4组管束，换热器整体倾斜20°。省煤器内冷却水采用集箱逆流串联形式，烟道内热管采用错列结构。4.3技术方案热管式低温省煤器系统的管内冷却水与主凝结水为并联布置。其进水取自冷渣器出水，水温60℃，流量120t/h，经Φ159mm×6mm管（材质为20号钢）进入低温省煤器，经过与烟气换热，水温升至95.5℃，经回水管返回5号低压加热器入口。Φ159mm×6mm回水管上装有变频泵（型号为150-350）调整水量，以满足出口排烟温度要求。热管式低温省煤器布置在空气预热器与静电除尘器之间的烟道内（见图2），采用钢结构支撑。一般150MW机组进入静电除尘器之前有2个烟道，因此热管式低温省煤器设计为6台，每个烟道内并联布置3台。热管式低温省煤器可将烟气温度从140℃降到110℃，烟气飞灰比电阻降低，最大限度地提高除尘效率，又可以保证除尘设备安全运行。为了尽可能降低烟气中飞灰对低温省煤器换热管的磨损，保证省煤器的使用寿命，在低温省煤器入口前设置可更换防磨管排，避免飞灰对换热管正面的冲刷磨损。此外，将以SiO2为主要成分的釉料涂搪在金属表面，经过高温烧制形成了特殊的复合材料，可防止热管式低温省煤器换热管发生低温腐蚀。热管式低温省煤器实现了介质、烟气的逆向流动，大大提升了低温省煤器的换热效果，减小了换热面积，而且可使排烟温度的降低不受介质出口水温限制，最大限度地降低了排烟温度。另外，经过热管式低温省煤器加热后的冷凝水被送回低压加热器管路系统，减少了低压加热器的用气量和汽轮机的抽气量，达到节能的目的。5结语阳城电厂150MW机组通过在锅炉尾部加装热管式低温省煤器，有效利用了锅炉余热，减少了烟气排放，提高了机组的整体经济性。排烟温度从140℃降至110℃，TRL（TechnologyReadinessLevel，机组铭牌额定功率）工况下可降低发电标准煤耗率2.4g/(kW·h)，年利用时间按6000h计算，年节约2160吨标准煤，年节约燃料费1.73×106元。由于企业每节约1吨标准煤政府给予200～250元的政策补贴，节约2160吨标准煤，可获得政府补贴约4.86×105元（按每吨标准煤225元补贴计算），因此该项目取得了良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
［1］纪绍斌，李生生.热管技术的应用与发展［J］.山西建筑，2005，31(13)：140-141.
［2］谢庆亮，袁素华，王正阳，等.燃煤电厂低温省煤器应用现状与改进［J］.节能与环保，2020(12)：44-45.
［3］李琼，张颖，安国银，等.电站锅炉烟气余热回收利用装置的试验分析及研究［J］.电站系统工程，2016，32(2)：34-36．
［4］毛双华，多文明，姜国强，等.氟塑料低温省煤器在热电厂烟气余热回收中的应用［J］.化工生产与技术，2015，21(5)：50-52.
作者:刘炜 单位:山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城电厂
