氟塑料换热器在火电站中的应用实践

樊鹏，李优，谢杰

(1.北京新世翼节能环保科技股份有限公司，北京 100176； 2.南海长海发电有限公司，广东 佛山 528212)

氟塑料换热器在火电站中的应用实践

樊鹏1，李优1，谢杰2

(1.北京新世翼节能环保科技股份有限公司，北京 100176； 2.南海长海发电有限公司，广东 佛山 528212)

介绍了一种针对电厂烟囱冒白烟和石膏雨问题而设计的新型氟塑料零泄漏水媒式烟气再热(MGGH)系统，详述了氟塑料换热器特点、系统工艺组成、系统工作原理、系统设计参数及系统运行性能等几方面内容。通过对投运后氟塑料MGGH系统的换热效果、烟风系统运行阻力、低负荷工况辅助蒸汽耗量、系统漏风率等4方面进行性能测定和分析。结果表明，氟塑料MGGH系统运行状况良好，各项指标均达到或优于设计性能值，整个系统运行安全性和可靠性强，有效解决了烟囱冒白烟和石膏雨的问题。

氟塑料；换热器；火力发电；烟气再热

0 引言

伴随着全球工业化水平的提高和大量化石能源的消耗，人类的生存环境遭到了严重破坏，大气污染(雾霾天)、水污染等问题日渐突出。火力发电站作为国内发电系统的主要载体，为我国工业化进程做出了巨大贡献，但受限于燃煤尾气的处理技术，在排空的烟气中依然含有大量的硫化物、氮氧化物和水分等成分。随着火力发电站的长期运转，积累的有害排放物对大气环境造成的影响也逐渐显现出来，空气质量急转直下，雾霾天气与日俱增，人类生存与社会发展矛盾日益突出。

为了改善由工业发展而带来的环境问题，很多专家学者进行了大量的研究和实践。目前，火力发电行业主要研究及应用成果包括脱硫、脱销、除尘、除石膏雨等技术，其中王爱军等人[1]、杨奇文[2]、马双忱[3]通过对影响锅炉脱硫效率的因素进行分析研究，建立了脱硫效率预测模型，并提出了提高脱硫效率的相关措施。宋闯等人[4]通过分析几种脱硝技术的工作原理及使用特点，为用户选择适合的脱硝技术提供了理论指导；高岩等人[5]通过研究不同工况下一种蜂窝状选择性催化还原技术(SCR)催化剂的活性性能，确定了催化剂的活性变化规律，并提出了提高脱硝效率的措施。

赵海宝等人[6]通过对低低温电除尘系统进行研究，明确了多种因素之间的相互影响关系。熊英莹等人[7]通过实验测定和数值模拟方法研究了湿式相变冷凝除尘技术对不同粒径粉尘的脱除性能。吴炬等人[8]结合实例对混合式烟气再热技术进行了经济技术分析，明确了其相较于传统烟气换热器(GGH)的优点，为火电厂消除“石膏雨”提供了新的选择。孙志春[9]从传统GGH堵塞机理出发，通过实验测定和数值模拟研究了除雾器的性能和鼓泡塔(JBR)的控制方式对GGH运行的影响，提出了一套解决GGH堵塞的技术方案。安康[10]通过对GGH的结垢物成分进行分析，确定了影响GGH的结垢的主要因素，并提出了一系列预防和减缓GGH结垢的措施。通过这一系列烟气处理技术的应用，环境污染现象得到了一定程度的缓解。然而这并未从根本上解决环境污染的问题，环保技术自身存在的缺陷随着实践的深入逐渐突显，其中主要问题之一就是金属GGH装置的腐蚀、泄漏、堵塞等，已成为火电站技改的重要内容。

本文旨在通过引入一种新型柔性氟塑料管换热器来解决国内传统金属GGH装置所存在的运行问题。文章基于氟塑料换热器自身特性、工艺系统设计和运行参数分析等几个方面，阐明了氟塑料零泄漏水媒式烟气再热(MGGH)系统的工作原理及其运行性能，并通过本投运项目的长期无故障运行，说明氟塑料MGGH系统相较于其他GGH技术具有更好的安全性和可靠性，以期为同类改造项目提供切实可行的技术支持和解决方案。

1 氟塑料换热器简介

氟塑料作为一种高分子材料，因其特殊的分子结构而具有特别的物化特性：强度高、稳定性强、高热阻、低摩擦系数和良好的表面不黏性。随着氟塑料产品加工工艺水平的提高，氟塑料被广泛应用于航天、化工、电子、医药和汽车等领域[11]。

上世纪80年代，欧洲地区相关机构经过大量试验研究，开发出新型氟塑料材质换热器，使得氟塑料产品的应用拓展到了工业换热器领域。在国内，鲍听等人[12]对氟塑料换热器在燃煤电站中的应用进行了可行性研究；陈林等人[13]明确了氟塑料换热器可以解决低温烟气余热的回收问题，并对2种不同形式氟塑料换热器的换热性能进行了对比分析。

氟塑料种类繁多，性能差异巨大。目前在氟塑料烟气换热器产品上应用较多的主要有2种氟塑料：可熔性聚四氟乙烯(PFA)和聚四氟乙烯(PTFE)。

与金属换热器相比，氟塑料换热器产品的技术特点如下所示。

(1)耐腐蚀：化学性能极稳定，抗蚀性能极好，能耐H2SO4、HCL、王水和一切有机溶剂，彻底解决了金属烟气换热器的低温腐蚀问题。

(2)耐高温：长期安全使用温度为200～260 ℃。装置在系统中可实现全工况无障碍投入和停运，不影响电厂安全生产。

(3)低阻力：具有极小的摩擦系数(0.04)，拥有较低的水侧及气侧阻力。

(4)抗积灰：具有固体材料中最小的表面张力，而且黏附的任何物质非常容易清理，壁面清洁，传热系数稳定，长期运行不降低。

(5)抗结垢：氟塑料管壁表面光滑且有适度的挠性，使用时有振动现象，故不易结垢。

(6)高强度：挠性的氟塑料管能在流体的冲击和振动中安全工作，调质后的氟塑料管抗拉强度很大，能够抵抗强烈的摆动和振动。

(7)耐老化：极强的热稳定性，管材使用寿命大于20年。

(8)强传热性：氟塑料换热器采用的是小管径、薄壁管束(壁厚0.3～1.0 mm)，由此克服了材料本身导热系数低的缺点，换热器整体换热性能良好。同等换热量的情况下，氟塑料管换热器的体积约是金属管换热器体积的1/4。

2 氟塑料零泄漏水媒式烟气再热(MGGH)系统介绍

2.1 氟塑料MGGH系统简述

氟塑料MGGH系统主要由氟塑料换热器本体、热媒循环水系统、辅助加热系统、补水稳压系统、取样加药系统、在线冲洗系统和排污系统等组成，常规氟塑料MGGH工艺系统如图1所示。

图1 氟塑料MGGH工艺系统

2.2 氟塑料MGGH系统工作原理

氟塑料MGGH系统的核心为2台氟塑料烟气换热器，分别为烟气冷却器和烟气再热器，烟气冷却器布置于烟气湿法脱硫装置(FGD)塔前，烟气再热器布置于FGD塔后，用管路系统将冷却器和再热器接通形成闭式回路，如图1所示，以除盐水为载热介质，在循环水泵的驱动作用下，低温除盐水首先在烟气冷却器内与高温烟气进行热交换，吸热升温后的除盐水进入烟气再热器与低温烟气完成热交换，除盐水放热降温后经循环水泵回到烟气冷却器开启下一个循环。塔前高温烟气经冷烟气冷却器降温后进入FGD塔内进入脱硫工序，塔后低温烟气经烟气再热器升温后由烟囱排放，升温后的烟气扩散能力增强，排放高度提升，从而达到消除火力发电厂常见的“冒白烟”和“石膏雨”的目的。

与此同时，氟塑料MGGH系统还配有若干辅助系统，其中热媒水循环系统采用循环水泵驱动，为载热介质提供循环动力。辅助加热系统在机组低负荷运行时，给烟气再热系统提供热源补充，由此保证排烟的温度。补水稳压系统一方面为氟塑料MGGH系统完成上水操作，另一方面在系统运行中维持水侧的运行压力，保障系统的安全运行。取样加药系统实时在线监测循环水的水质情况，当水质恶化时，通过加药装置向循环水中加药来保证循环水的水质。排污系统与取样加药系统配合工作，当循环水水质恶化时，可开启排污系统来改善其水质状况。在线冲洗系统采用高压在线水冲洗方式，定期对氟塑料换热管束进行冲洗，保证换热管束表面洁净度，从而提高氟塑料烟气换热器的运行效率。

2.3 氟塑料MGGH系统设计参数

本项目南海长海发电厂1台670 t/h煤粉锅炉烟风系统为改造对象，其原烟气处理系统流程为脱硝、静电除尘、石灰石-石膏湿法脱硫和湿电除尘，本MGGH系统在FGD前后水平烟道上各设置1台氟塑料烟气换热器，来实现电厂消除烟囱白烟和石膏雨的目标，设计参数见表1～2。

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表1 烟气设计参数

表2 MGGH系统设计参数

3 氟塑料MGGH系统运行性能

3.1 性能测定方法

本项目氟塑料MGGH系统于2016年2月份正式投运，投运后一直保持无故障运行。为了掌握氟塑料MGGH系统的实际运行情况，电厂委托某权威机构对本系统进行了性能测试，测试内容主要围绕氟塑料MGGH系统烟气侧阻力、烟气换热器进出口烟温、低负荷辅助加热蒸汽耗量及换热器的漏风率等几个方面展开。

本次性能测试中，在烟气换热器进出口烟道各设3个测孔，每个测孔分别设置6个测点，烟道测孔位置及测点布置情况分别如图2、3所示。

图2 烟道测孔位置示意

图3 截面测点布置示意

本性能测试中，辅助加热蒸汽的耗量主要通过测量蒸汽母管的蒸汽流量来确定。

3.2 烟气温度

烟气温度采用K型热电偶进行测量，分别对每个测孔的6个测点依次测量，最后求各个测点温度的平均值作为该截面的目标温度。

3.2.1 75%～100%锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况

如图4～7所示，锅炉负荷为527 t/h，未投辅助加热蒸汽，烟气冷却器进口烟温为125.89 ℃，出口烟温为88.56 ℃，大于85.00 ℃；烟气再热器进口烟温为47.48 ℃，出口烟温为81.26 ℃，大于80.00 ℃。由此可知，氟塑料MGGH系统的运行参数达到了设计的烟温要求。

图4 75%～100%BMCR工况下烟气冷却器进口烟温曲线

3.2.2 50%～75%BMCR工况

如图8～11所示，锅炉负荷为442 t/h时，烟气冷却器进口烟温为123.59 ℃，出口烟温为95.07 ℃，为了保证烟气再热器出口烟温达到80.00 ℃以上，投入了一定量的辅助加热蒸汽，此时测得，烟气再热器进口烟温为45.82 ℃，出口烟温为82.93 ℃。

图5 75%～100%BMCR工况下烟气冷却器出口烟温曲线

图6 75%～100%BMCR工况下烟气再热器进口烟温曲线

图7 75%～100%BMCR工况下烟气再热器出口烟温曲线

图8 50%～75%BMCR工况下烟气冷却器进口温度曲线

3.3 辅助蒸汽耗量

在机组50%～75%负荷工况下，辅助蒸汽加热系统投入运行，每隔5 min，读取并记录分布式控制系统(DCS)画面蒸汽流量读数，依次得到13个蒸汽耗量数据，绘制蒸汽耗量曲线如图12所示，本项工作与3.2中烟温测试工作同步开展。

图9 50%～75%BMCR工况下烟气冷却器出口烟温曲线

图10 50%～75%BMCR工况下烟气再热器进口烟温曲线

图11 50%～75%BMCR工况下烟气再热器出口烟温曲线

图12 辅助蒸汽耗量曲线

这里取13个蒸汽耗量数据的平均值为辅助蒸汽的目标耗量，为1.13 t/h。

为了对标设计工况下的蒸汽耗量值，须对上述测得的目标蒸汽耗量进行修正，根据氟塑料烟气换热器的换热特性，绘制烟气再热器的烟温修正曲线如图13所示。

图13 烟温修正曲线

根据上述烟温修正曲线及实测烟温数据，折合到设计工况下，计算得到低负荷运行时MGGH系统达到设计要求的烟温指标所消耗的蒸汽量为0.11 t/h，小于设计蒸汽耗量值1.00 t/h。

3.4 烟气阻力

如图14所示，当锅炉负荷为442 t/h时，烟气冷却器和烟气再热器气侧阻力之和为612 Pa。当锅炉负荷为527 t/h时，烟气冷却器和烟气再热器气侧阻力之和为669 Pa。锅炉满负荷时，烟气冷却器和烟气再热器气侧阻力之和约为765，均低于对应工况下烟气阻力设计值。

图14 烟气侧阻力曲线

3.5 漏风率

本项目中烟气量采用自动烟尘测试仪进行测定，分别对氟塑料烟气冷却器和再热器进出口的6个测孔36个测点进行测量，由此得到换热器的进口烟气量和出口烟气量，最终计算得到烟气冷却器和烟气再热器的漏风率曲线如图15所示。

图15 漏风率曲线

由图15可以看出，当锅炉负荷为442 t/h时，测得烟气冷却器的漏风率为0.48%，再热器的漏风率为0.39%；当锅炉负荷为527 t/h时，测得烟气冷却器的漏风率为0.40%，再热器的漏风率为0.51%。取2个工况下的漏风率平均值为目标漏风率，计算得到烟气冷却器的漏风率为0.44%，烟气再热器的漏风率为0.45%，均小于系统设计漏风率0.50%，达到设计要求。

4 结束语

由第3部分氟塑料MGGH系统的性能测定数据可知，氟塑料MGGH系统的运行性能达到了设计的要求如下。

(1)机组高负荷运行时，未投辅助蒸汽加热器，烟气再热器出口烟温为81.26 ℃，大于烟温设计值80 ℃。

(2)机组满负荷工况下，烟气冷却器和烟气再热器气侧阻力之和为765 Pa，小于烟气阻力设计值880 Pa。

(3)机组低负荷运行时，投入辅助蒸汽加热器，使得烟气再热器出口烟温>80 ℃，系统消耗辅助蒸汽量为0.11 t/h，小于蒸汽耗量设计值1 t/h。

(4)烟气冷却器的漏风率为0.44%，烟气再热器的漏风率为0.45%，均小于系统漏风率设计值0.5%。

本项目运行以来，氟塑料MGGH系统未出现换热管的泄漏、腐蚀和磨损等问题，整体运行状况良好，烟囱冒白烟的现象消失，石膏雨问题也得到彻底解决，为企业的节能环保事业做出了重要贡献，给企业和社会带来了显著的环境效益。

本氟塑料MGGH项目的成功投运实践，不仅从技术、设备、工艺等方面证明了氟塑料换热器产品在锅炉尾气处理方面的可行性和安全性，而且从运行效果方面体现了氟塑料换热器产品良好的运行性能，给工业企业的节能改造和环保升级提供了一项新的选择，为企业排放指标达到环保要求注入了新的动力。

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1674-1951(2017)12-0030-05

2017-04-11；

2017-09-04

(本文责编：齐琳)

樊鹏(1985—)，男，河北石家庄人，工程师，工学硕士，从事工业企业节能环保技术、设备的研发及相应工艺系统设计方面的工作(E-mail:beyondfanpeng@163.com)。李优(1987—)，男，河北石家庄人，工程师，工学学士，从事工业企业节能环保设备的结构及系统设计方面的工作(E-mail:liyou@bjxsy.cn)。谢杰(1987—)，男，广东湛江人，助理工程师，工学学士，从事电厂工程改造及检修管理方面的工作(E-mail:510773864@qq.com)。