摘要:為了避免下級空氣預熱器由於結露所引起的堵灰和腐蝕,需要保證其金屬受熱面最低壁面溫度高於燃料的酸露點溫度,所以10-220t/h燃煤鍋爐的設計排煙溫度通常在147-165℃之間,高於一般煤燃料酸露點溫度80℃以上。儘管如此,空預器最低壁面溫度仍然只能達到85℃,僅高於酸露點溫度10℃左右。所以在鍋爐的實際運行中,空預器的低溫腐蝕現象時有發生,給鍋爐的安全運行帶來嚴重隱患。
關鍵詞:蒸汽鍋爐 低溫腐蝕 酸露點 複合相變換熱技術
鍋爐的低溫腐蝕
目前,我國國內應用鍋爐的行業中,由於煤、石油、天然氣等燃料中均含有硫,燃燒時通常會產生硫氧化物,硫氧化物與水蒸氣結合后即形成硫酸蒸汽。當鍋爐尾部受熱面的金屬壁面溫度低於硫酸蒸汽的凝結點(稱為酸露點),就會在其表面形成液態硫酸(稱為結露)。長期以來,空氣預熱器的尾部受熱面由於結露而引起的腐蝕時常發生,難以避免。以至於目前在鍋爐設計時不得不通過提高排煙溫度或使用傳熱極差的非金屬材料(如搪瓷管)來緩解結露和腐蝕現象的產生,並沒有從根本上解決問題。而單純提高排煙溫度又勢必造成大量低溫能源的浪費,無法進一步回收。儘管如此,空氣預熱器往往在運行一到兩年後依舊會出現腐蝕,直至穿孔。這是一個世界性難題。
目前,中小型鍋爐大多採用管式空氣預熱器,設計排煙溫度居高不下。上世紀九十年代初,熱管換熱器曾在空預器改造中一度被推廣,雖然一定程度上將排煙溫度降低,但其尾部受熱面的最低壁面溫度仍會低於酸露點溫度,不能避免結露導致的腐蝕,且熱管普遍存在產生和積累不凝氣體,逐漸老化,從而傳熱效率急劇下降。隨著它的這些缺點不斷被暴露,人們對應用熱管換熱器也採取了謹慎的態度。
常用的換熱器
一般常用的換熱器為管式換熱器,其金屬受熱面最低壁面溫度與熱流體排放溫度之間大致處於一種倍數關係,即排煙溫度為140℃時相應的最低壁溫僅為70℃左右。
對於熱管換熱器,「如果金屬受熱面壁面溫度要求不低於77.8℃時,其排煙溫度通常不得低於155℃,否則必然引起低溫結露腐蝕」(參見顧維藻等著《強化傳熱》,科學出版社);上述換熱器的壁溫只能作為校核溫度,也就是說,當運行工況因運行需要必須進行調整時,即便知道必然會發生低溫腐蝕也無法避免,沒有任何辦法直接對壁溫進行調整控制;
複合相變換熱技術
複合相變換熱技術是一個全新的換熱技術,它採用了熱管的原理,提出了「相變段」這一概念,開創了以「壁面溫度」作為換熱器最基本的設計參數這一新理念。從根本上解決了低溫腐蝕難題。
「相變段」的概念是將原來熱管換熱器中一根根相互獨立的熱管,構造成整體熱管。保證「相變段」受熱面最低壁面溫度只有微小的梯度溫降。同時,利用「相變段」將被加熱介質(如空氣、水)的溫度適當地提高。被預熱了的空氣可以保證下級空預器的安全,解決了低溫腐蝕問題;被加熱的水回收了煙氣中的餘熱,實現了節能的目的。
通過「相變段」水量的調節,可以對受熱面最低壁溫面度實現閉環控制,實現了壁面溫度的恆定和調高調低。
概括複合相變換熱技術,其核心內涵在於:
(1)能夠在鍋爐的設計和改造中,大幅度降低煙氣的排放溫度,使大量的中低溫熱能被有效回收,產生十分可觀的經濟效益;
(2)在降低排煙溫度的同時,保持金屬受熱面壁面溫度處於較高的溫度水平,遠離酸露點的腐蝕區域,從根本上避免了結露腐蝕和堵灰現象的出現,大幅度降低設備的維護成本;
(3)實現了換熱器金屬受熱面最低壁面溫度處於可控可調狀態,使複合相變換熱器能夠在相當大幅度內,適應鍋爐的各種品種以及傳熱負荷的變化,使排煙溫度和壁溫保持相對穩定;
(4)保留了熱管換熱器所具有的高效傳熱同時,排除不凝氣體,大大延長了設備的使用壽命。
複合相變換熱技術的應用
福建鳳竹集團是福建省最大的針織漂染專業廠家和針織品生產基地。集團總資產近5億元。水、電、汽及污水處理等基礎設施配套齊全。該集團公司十分重視節能環保,先後獲得環境保護設施運營資質證書和「全國鄉鎮環境保護先進單位」等多項榮譽。
以2001年福建鳳竹紡織科技股份有限公司新購置的40t/h循環流化床鍋爐為例,設計排煙溫度在154℃。以其燃煤的酸露點在80℃左右考慮,以上的鍋爐所設計的排煙溫度是合理的。
福建鳳竹紡織科技股份有限公司結合應用複合相變換熱技術改造前二台鍋爐的經驗,為提高鍋爐的運行安全和運行效率,再次在新購置的40t/h循環流化床鍋爐應用了該技術。
提出以下運行參數和要求:
1、省煤器出口進入複合相變換熱器的煙氣溫度為245℃,排煙溫度低於130℃;
2、相變換熱器出口熱風溫度不低於140℃;
3、相變換熱器受熱面壁面溫度不低於100℃;
4、相變換熱器受熱面不發生結露以及結露引起的腐蝕;
5、相變換熱器煙/空氣側阻力不大於或略大於普通換熱器的標準;
6、設備使用壽命在6年以上(年連續運行時間不少於8000小時)
我公司根據用戶要求,為其設計了一台複合相變換熱器。設計參數如下:
項目 數值 項目 數值
鍋爐蒸發量 40 t/h
空氣流量 45230Nm3/h 煙氣流量 50630Nm3/h
空氣入口溫度 20℃ 空氣出口溫度 145℃
煙氣入口溫度 252℃ 煙氣出口溫度 125℃
水入口溫度 40℃ 水出口溫度 76℃
水流量 11.7 t/h
燃料含硫量 ≤1%
煙氣酸露點 ≤83℃
受熱面最低壁溫 ≥102℃
考慮到這種節能設計方案必須將回收的能量利用,提高鍋爐熱效率,我們在原鍋爐系統的基礎上進行了改進 。
應用複合相變換熱技術的經濟效益
仍以2001年福建鳳竹紡織科技股份有限公司新購置的40t/h循環流化床鍋爐為例,應用複合相變換器取得的直接經濟效益情況分析計算如下:
1.換熱器回收熱量Qg
式中Vg=50630 Nm3/h,為蒸氣產量為40t/h時的煙氣流量;
ρg=1.295 kg/Nm3,為煙氣密度;
Cpg=1.12 kJ/(kg℃),為煙氣比熱;
t1為普通鍋爐設計排煙溫度;
t2為使用複合相變換熱器后的排煙溫度;
為設備保熱係數,可取0.92。
所以Qg=50630×1.295×1.12×(160-125)×0.92 / 3600= 656.8kw
2.每年節煤量Gc
式中Qg=656.8kw,為回收熱量的千瓦數;
Qp=5000大卡/kg,為煤的發熱量;
ηk=78%,為鍋爐效率;
860[大卡/(千瓦時)]為單位轉換係數;
HR為設備每年運行時數,即8000小時。
所以Gc=860×656.8×8000 / (5000×0.78)=1158705 kg/年=1159噸/年。
經過幾年對節能效果的校核,計算的節能量與實際運行的節能量基本一致。
用戶報告
2003年福建鳳竹集團有限公司出具的用戶報告如下:
我集團公司自1999年起先後在三台鍋爐上運用了九江科洋公司(中源科揚節能技術有限公司前身 編者)的《複合相變換熱器》,替代原設計的管式空氣預熱器。
複合相變換熱器在鍋爐上,長期運行表明:
安全、穩定、可靠,至今未發生任何結露、灰堵、腐蝕、穿孔等現象,未經過任何一次維修。2002年3月,打開最早一台(1999年9月起運行)的25t/h鍋爐煙道的人孔觀看,未見任何腐蝕和積灰現象,磨損相當輕微。
前兩台鍋爐運行的日記表明:排煙溫度始終維持在120℃-125℃之間;熱風溫度完全達到設計要求,≥140℃;尾部受熱面的最低管壁溫度穩定地保持在100℃左右,且根據需要可調高調低;煙風道阻力正常。完全達到設計指標和經濟運行指標的要求。
第三台鍋爐於2002年5月份正式運行,排煙溫度為120℃-125℃,管壁溫度≥95℃,可以調控且調控方便,熱風溫度達到設計要求,≥151℃。
複合相變換熱器的設計值及運行值比較:
序號 項目名稱 單位 設計值 運行值
1 煙氣流量 NM3/h 53446
2 空氣流量 NM3/h 45230
3 進口煙氣溫度 ℃ 252
4 出口煙氣溫度 ℃ 125 123
5 進口空氣溫度 ℃ 20
6 出口空氣溫度 ℃ 144 151
7 阻力損失 空氣側/煙氣側 Pa ≤450/500
8 受熱面最低壁溫 ℃ 100 95
2003年2月,福建鳳竹紡織科技股份有限公司再次將複合相變換熱器應用在新購置的2台600萬大卡/小時的導熱油爐上。對於一般導熱油爐而言,由於被加熱介質的溫度在260℃左右,所以造成設計排煙溫度無法降低,往往超過230℃。
2003年10月28日出具的用戶報告如下:
我集團公司於2003年2月,在兩台600萬大卡/小時的導熱油爐上採用了九江科洋熱技術設備有限公司(中源科揚節能技術有限公司前身 編者)的《複合相變換熱器》設備,現已運行8個月。經我公司2003年10月22-23日測定有關參數如下:
檢測項目 1號爐 2號爐
入口煙溫 246℃ 245℃
排煙溫度 120℃ 118℃
最低管壁溫度 98℃ 103℃
熱風溫度 136℃ 140℃
各指標全部達到或超過設計值,至今未發生一次故障,未發生結露、腐蝕、灰堵現象。
導熱油爐:
序號 項目名稱 單位 數值
1 煙氣流量 NM3/h 16292
2 空氣流量 NM3/h 13300
3 進口煙氣溫度 ℃ 245
4 出口煙氣溫度 ℃ 119
5 進口空氣溫度 ℃ 20
6 出口空氣溫度 ℃ 138
7 阻力損失 空氣側/煙氣側 Pa ≤245/482
8 受熱面最低壁溫 ℃ 100
結論
福建鳳竹集團自1999年開始在自備電站25t/h鍋爐採用複合相變換熱器技術,五年來連續改造安裝了7台(自備電廠鍋爐25噸、35噸、40噸、50噸各一台,600萬大卡導熱油爐3台)。前三年,用戶自己測量平均每台鍋爐年節約燃煤為1244噸,估算年綜合節能效益約400餘萬元;
福建鳳竹紡織科技股份有限公司通過應用複合相變換熱技術,證明了220t/h以下蒸汽鍋爐設計排煙溫度完全可以低於120℃,不僅從更從根本上解決了低溫腐蝕難題,還可以帶來可觀的經濟效益和社會效益。