复合相变技术在链条锅炉中的应用20110508.doc

复合相变换热技术在链条锅炉中的应用江苏江源热电有限公司 吴 晓 王桂山摘要：复合相变换热技术主要是根据热交换原理，利用复合相变换热器实现烟气与水的对流换热，达到回收烟气余热、提高水温、降低排烟温度的目的，实现节能降耗和治理污染的目标。它通过采用具有自主知识产权的“相变段”独有专利技术，创设“壁面温度”换热器设计参数新理念，彻底解决了烟气低温结露和腐蚀等关键性难题。它的核心部分“相变段”通常安装在烟气进入除尘器前的水平烟道上，加热后的除盐水则送回到除氧器中循环利用。关键词：复合相变 链条锅炉 节能减排增效1、前言江苏江源热电有限公司属技术密集型热电联产企业，位于江阴长江大桥北岸、江苏沿江城市-靖江市城区的东北部，占地80余亩，固定资产1.06亿元。现有职工280人，其中科技人员62人。主要设备有：UG-75/39-MX5-15型75t/h双链条炉1台(0#锅炉)，WGC-35/39-15型35t/h链条炉1台(1#锅炉)，UG-35/39-MX5型35t/h抛煤炉5台(2#6#锅炉)，6MW和3MW背压式汽轮发电机组各一台，6MW抽凝式汽轮发电机组一台，总装机容量为15MW。生产能力为：年产蒸汽约110万吨、电力1.1亿千瓦时。公司正常运行三台炉，每天用煤400多吨，产生烟气约7000km3。这些高温烟气含有较多热量，排入大气中既造成了环境热污染，又造成了能源的大量浪费，还增加了除尘负担。为响应国家节能减排的号召，实现回收烟气余热、降低排烟温度、减少污染物排放，公司经过前期调研、可行性分析及对周边电厂使用效果考察等，决定对0#锅炉实施复合相变换热器技改。2、复合相变换热技术2.1 热管换热器的低温腐蚀由于燃煤锅炉产生的烟气中含有硫氧化物，与水蒸气结合后即形成硫酸蒸汽。当换热器壁面温度低于硫酸蒸汽的凝结点（称为酸露点），则会在其表面形成液态硫酸（称为结露），引起低温腐蚀，导致热管换热器损毁。2.2 复合相变换热技术工作原理2.2.1 复合相变换热技术主要是根据热交换原理，利用复合相变换热器实现烟气与水的对流换热，达到回收烟气余热、提高水温、降低排烟温度的目的，实现节能降耗和治理污染的目标。它通过采用具有自主知识产权的“相变段”独有专利技术，创设“壁面温度”换热器设计参数新理念，彻底解决了烟气低温结露和腐蚀等关键性难题。它的核心部分“相变段”通常安装在烟气进入除尘器前的水平烟道上，加热后的除盐水则送回到除氧器中循环利用。2.2.2 “相变段”的概念是将原热管换热器中相互独立的部分，通过优化设计构造成一个关联的整体，保证“相变段”受热面最低壁面温度只有微小的梯度温降。2.2.3 通过“相变段”烟气与水的对流换热，可以使水充分吸收烟气中的余热，实现提高水温、降低自用汽的目的。2.2.4 通过“相变段”水量的调节，可以对受热面最低壁面温度实现闭环控制，实现壁面温度的恒定或调节。2.3 复合相变换热技术核心内涵2.3.1 大幅度降低烟气排放温度，使大量的中低温热能被有效回收，产生十分可观的经济效益。2.3.2 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，从根本上避免了结露腐蚀和堵灰现象的出现，大幅度降低设备的维护成本。2.3.3 实现了换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态，使复合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。2.3.4 保留了热管换热器所具有的高效传热特性的同时，可通过排除不凝气体有效解决老化问题，大大延长了设备的使用寿命。3、0#锅炉生产情况3.1 运行记录0#锅炉实际运行情况：当锅炉给水流量70t/h时，省煤器进口水温102，出口水温235，沸腾度0.64%，省煤器进出口烟温分别为660、270，空预器进出口风温分别为20、190，排烟温度170，烟气流量为144800m3/h，即89252Nm3/h，通过热平衡计算，得出空气流量为57200 Nm3/h。其相关参数如下图所示： 3.2 燃料分析及酸露点估算0#锅炉采用煤炭作为燃料，煤质分析资料如下表：项目符号单位数值收到基低位发热值Qnet.arMJ/kg21.653收到基水分Mar%14.49收到基灰分Aar%21.884收到基碳Car%52.42收到基氢Har%4.56收到基氧Oar%4.96收到基氮Nar%0.896收到基全硫Sar%0.8采用冯俊凯等主编的锅炉原理及计算（第三版）推荐的经验公式，烟气酸露点计算如下：为常数，当=1.5时，取=129；飞灰系数0.1折算硫分根据上述数据计算得出烟气酸露点为：tld=108.42。下表列出了在通常的运行工况下0#锅炉使用不同煤种的烟气酸露点值：含硫量酸露点含水量0.6%0.7%0.8%0.9%1.0%1.1%1.2%1.3%1.4%1.5%1.6%1.7%6%71727374.57677.579818384.586877%71.572.573.57576.57879.58283.58586.5888%72737475.57778.58082.58485.58788.5为保证受热面足够安全，复合相变换热器壁面温度设定值应高于烟气酸露点值1015左右。根据0#锅炉燃煤煤质及酸露点估算值，我们将复合相变换热器的最低壁面温度设置在118以上、排烟温度设置在133以下。4、技术改造方案4.1 具体方案:加热除盐水在0#锅炉烟气系统尾部水平段即除尘器前的水平烟道，加装一台复合相变换热器（FXH）吸热段。其作用为：a、回收烟气中的热量加热除盐水，使除盐水从环境温度（初定20）被加热至100以上回到除氧器，使排烟温度从原先的170降到133左右；b、FXH吸热段受热面壁面温度始终高于燃煤酸露点温度，保证换热器不结露、不积灰、不腐蚀，安全运行。其缺点为：加装FXH吸热段将增加烟气阻力约280Pa左右，相变下段内部管片上会积灰。4.2 设计参数序号参数单位数值10#锅炉额定蒸发量t/h752烟气流量Nm3/h892523复合相变换热器入口烟气温度1704复合相变换热器出口烟气温度13355复合相变换热器入口水温206复合相变换热器出口水温1007复合相变换热器水流量t/h148复合相变换热器烟气侧压降Pa2809复合相变换热器空气侧压降Pa25010复合相变换热器本体水侧压降MPa0.021211复合相变换热器回收热量kW130412复合相变换热器受热面最低壁面温度1184.3 复合相变换热器工艺流程如下图所示：4.4 复合相变换热器的系统接入如下图所示： 4.5 运行控制4.5.1 现场采用热电阻等采集终端，将烟气及除盐水的温度、流量等信号采集到中控室计算机上，经DCS系统控制处理，使复合相变换热器壁温处于控制范围内，实现无人自动运行。4.5.2 控制流程示意图如下：4.5.3 控制系统控制系统由温度传感器（铂热电阻）、中控室计算机、执行器（电动调节阀）、流量计等组成。控制系统图如下： 4.5.4 复合相变换热器外形及布置4.6 防止磨损、积灰的方法和措施由于烟气中灰尘对复合相变换热器会造成磨损，同时会在烟道底部和相变下段管片上堆积，为保证复合相变换热器的寿命，我们给复合相变换热器前两排受热面（沿烟气方向）加装了防磨瓦，适当增加了导流板以防止烟气走廊的产生；为防止灰尘堆积在烟道底部和相变下段管片上，我们使用弱爆吹灰器（BFAVI系列）定期对相变换热器进行清灰。4.7 对0#锅炉运行的影响4.7.1 对除尘器的影响现有除尘系统为水膜除尘，实施复合相变换热器技改后，0#锅炉除尘器入口烟温从原先170降至133左右，烟气温度下降，除尘水温度随之下降，小灰容易沉淀，除尘效果更好。4.7.2 对引风机的影响4.7.2.1 技改前：0#锅炉引风机开度为50%，排烟温度为170，烟气流量为144800m3/h，引风机全压为3000Pa左右。4.7.2.2 技改后(增设复合相变换热器)：排烟温度为133，复合相变换热器出口烟气流量为132734m3/h。4.7.2.3 技改后比技改前：(1)增设复合相变换热器引风机增加阻力280Pa；(2)烟气体积流量减小8.3%，引风机出力富裕3000Pa0.083249Pa。4.7.2.4 引风机出力需增加=280-249=31Pa，仅仅是略有上升，对引风机的影响很小。4.7.2.5 对引风机的影响图示如下：5、投资效益分析5.1 资金投入0#锅炉复合相变换热器技改原先统包资金预算为116.4万元，但我们通过加强目标成本管理、比质比价采购设备、优化完善技改工艺、采用工程分拆等方法，有效降低了设备采购、土建、安装等费用，最终仅投入88万元就圆满完成了该技改任务。5.2 节能效益估算(烟气法)技改后，复合相变换热器蒸发段进口烟气温度为170，换热器尾部排烟温度为133，此区间烟气降温幅度为37。5.2.1 回收烟气热量Q烟Q烟(VggCpgT)/3600(892521.2951.12370.98)/36001304(kw)式中烟气流量Vg89252Nm3/h，烟气密度g1.295kg/Nm3，烟气比热Cpg1.12kJ/(kg)，复合相变换热器前后排烟温度温差T17013337，设备保热系数取0.98。5.2.2 年节约标煤量GcGc(860QHR)/(Qp1000)(86013047200)/(70001000)1153(吨/年)式中回收烟气热量Q烟1304kw，860kCal/kwh为单位转换系数，0#锅炉每年运行时数HR300天24小时/天7200小时，标煤发热量Qp7000kCal/kg。5.2.3 年预计节能效益按原煤计划全年平均发热量5300 kcal/kg、全年平均无税价730元/吨计算，则标煤无税价730(70005300)964元/吨0#锅炉复合相变换热器年预计节能效益=115396410000=111(万元/年)。5.3 实际节能效益计算(除盐水法)5.3.1 0#锅炉复合相变换热器实际运行数据及节煤数0#锅炉复合相变换热器自2010年10月29日投运后，运行状况良好，至2011年3月29日累计运行近4个月(117天)，共加热除盐水39729吨，进出烟气平均温差为38，进出水平均温差为76，回收烟气余热12621108720kJ/kg，折算原煤547吨，折算标煤431吨。具体如下表： 数据名称 运行区间进水量（t）进水温度（）出水温度（）进出水温差（）回收热量折原煤（t）回收热量折标煤（t）2010.10.29-2010.12.01(34天)1110131.3101.370141 111 2011.01.05-2011.01.28(24天)866422.8100.477.6122 96 2011.01.28-2011.02.26(29天)927824.3104.580.2135 106 2011.02.27-2011.03.29(31天)1068627.5104.877.3149118累计(117天)3972926.8 102.876 5474315.3.2 0#锅炉复合相变换热器运行4个月(117天)回收烟气余热实际节能效益计算期间加热除盐水总流量M水39729(t)；进出水平均温差T76()。除盐水实际吸收烟气的总热量Q水：Q水CPM水T4.18(397291000)7612621108720(kJ/kg)。标煤发热量Qp7000kCal/kg70004.1829260(kJ/kg)除盐水回收烟气余热折算成标煤量Gc为：GcQ水/ Qp1262110872029260431343(kg)431(吨标煤)；按原煤计划全年平均发热量5400 kcal/kg、全年平均无税价730元/吨计算，则标煤无税价730(70005400)946元/吨0#锅炉复合相变换热器运行4个月(117天)回收烟气余热实际节能效益=43194610000=40.77(万元)。具体如下表：数据名称运行区间回收热量折原煤（t）原煤无税价(元/吨)原煤发热量(kcal/kg)标煤无税价(元/吨)回收热量折标煤（t）节能效益(万元)2010.10.29-2010.12.01(34天)141745.25367971.911110.792011.01.05-2011.01.28(24天)122739.395488943.1969.052011.01.28-2011.02.26(29天)135733.45495934.31069.912011.02.27-2011.03.28(30天)149738.315534933.911811.02累计(117天)547/43140.775.3.3 0#锅炉复合相变换热器年回收烟气余热实际节能效益计算目前公司0#锅炉每年运行时间将近10个月(300天)。0#锅炉复合相变换热器年回收烟气余热折标煤(431117)3001105(吨)。0#锅炉复合相变换热器年回收烟气余热实际节能效益110594610000105(万元)。5.3.4 0#锅炉复合相变换热器年减排污染物量计算按1吨标煤燃烧排放灰渣260kg、CO240kg、SO220kg、烟尘15kg计算，0#锅炉复合相变换热器投运每年可降低标煤用量1105吨，同比减排灰渣约290吨、CO2约44吨、S