褐煤机组炉后烟气提水可行性探讨

段飞飞

（内蒙古大唐国际锡林浩特发电有限责任公司，内蒙古 锡林浩特 026000）

1 项目研究的意义

锡林郭勒盟（以下简称“锡盟”）地区褐煤储量丰富，但水资源匮乏、生态环境脆弱。为遵循国家能源局关于“注重环保，高度节水，集成应用当今最先进技术，实现可持续发展”的原则建设锡盟煤电基地。锡盟胜利煤田的高水分褐煤，全水含量高达35%～40%，甚至更高，内水含量也在14%左右。针对锡林浩特地区严重缺水的现状，将高水分褐煤燃烧后烟气中的水分提取出来作为脱硫补水及机组制除盐水水源具有重要的意义。

2 炉后烟气提水原理及理论依据

烟气在换热器入口时处于过热状态，随着烟气温度的降低，当贴近壁面的烟气局部温度低于烟气中水蒸汽饱和温度的露点温度时，水蒸汽因为过饱和而在壁面上发生凝结。冷凝下来的液滴不断聚集，最终在壁面上形成一层液滴，汇集至提水收集器内。经测试表明，经过氟塑料换热器后的烟气固体颗粒降低率为59.2%、三氧化硫去除率为14%、铵盐去除率为83%。

烟气氟塑料换热器布置在湿法脱硫塔后的烟道中，烟气在换热管管外冲刷，通过热交换使湿饱和烟气温度降低，并从烟气中析出大量凝结水；热媒循环水在换热管管内流动，换热后由入口较低温度到换热器出口处较高的温度；经热媒循环管路系统送入机械通风间接空冷系统，通过冷却塔使热媒循环水的温度由（塔）入口温度降低到（塔）出口较低的（规定）温度。凝结水收集系统包括提水换热器烟道底部收集装置，设置有管路输送、水的加药化学处理及蓄水池等设备。

3 烟气提水系统简介

该烟气提水系统主要由4部分组成：烟气氟塑料换热器系统、热媒循环管路系统、机械通风间接空冷系统、冷凝水回收系统。

3.1 烟气氟塑料换热器系统

烟气提水换热器布置在脱硫吸收塔出口和烟囱烟道进口之间，脱硫吸收塔后的净烟气经提水换热器冷却后进入烟囱，排入大气。烟气提水换热器采用模块分组拼装，每台炉14个可单独隔离模块，每个模块为U型管束，设计单独进回水管口。14个模块共用两根进回水母管。换热器设在线喷淋冲洗系统。在机组运行过程中换热器管束上不断有水分析出流动，只会发生少量沾灰情况，不会聚集。因此，在换热器本体上设在线喷淋系统，运行过程中可对管束定期喷淋，以防沾灰过多影响换热效率。

3.2 热媒循环管路系统

换热器内的换热介质采用闭式循环冷却水。烟气提水换热器将烟气中的热量带入系统闭式循环水系统中（使用除盐水作为换热介质），循环水系统设计两台2500m3/h的循环泵，然后通过机械通风间接空冷系统对闭式循环水进行冷却降温，循环水管道设有管道加药装置，保证循环水水质的pH值。

3.3 机械通风间接空冷系统

烟气提水换热器的换热形式为烟气-水换热器，水侧设置独立的闭式循环水系统。烟气提水机械通风间接空冷系统的空冷散热器所需散热面积按环境空气温度为8.5℃、相对湿度58%、大气压力901.6hPa；外界10m高处平均环境风速4.4m/s，风机100%转速条件进行设计，风机采用变频调速，循环水流量5000m3/h，机械通风间接空冷系统闭式循环水进口温度31.28℃；出口温度21.61℃；辅助设施设有冲洗系统、充水泵及贮水箱。

3.4 冷凝水回收系统

净烟气在冷却降温过程中，部分湿饱和蒸气将凝结成水，凝结水在烟气提水换热器底部的集水槽中不断聚集，并通过管道自流至凝结水收集箱。烟气凝结水收集箱中的凝结水再通过自流至厂区生产水池，冷凝水管道设置管道加药装置，将pH约等于2的冷凝水中和至pH=7，作为电厂脱硫补水及除盐水制水水源。提水量按单台机组每天提水量为78.8t/h×24h×5000h/7000h=1351t进行设计考虑。单台机组全年提水量为78.8t/h×5000h=39.4万t。

4 研究难点

4.1 氟塑料原材选择

现阶段国内项目用于净烟气侧的换热器材料主要有不锈钢316L涂搪瓷和氟塑料两种。脱硫塔出口净烟气冷凝回收水的pH值约为3，水中携带SO2等形成稀硫酸，腐蚀性很高。若采用不锈钢316L涂搪瓷材质，耐磨性较好，但其焊缝处容易产生裂缝，进而发生腐蚀。因此该工程表面式换热器管束拟采用抗腐性强的进口氟塑料材料（PTFE），其可熔性焊接性能较好，利于制作小口径管，提高换热系数。同时换热器布置在脱硫除尘一体化设备之后，烟气中的固体颗粒物含量极低（≤5mg/Nm3），烟气携带的固体颗粒物对管道的磨损性较低，可通过加大流通截面、控制烟气流速等来弥补氟塑料材料耐磨性能的不足。氟塑料换热器采用美国杜邦PTFE（氟塑料）制造的换热器。PTFE（氟塑料）换热器耐烟气酸露点腐蚀，可回收低温烟气，耐高温（260℃左右）；管束排布方向和烟道方向平行，烟阻很小；氟塑料管束表面光滑，使用时微有震动，不易积灰，且设有清灰装置，以保证换热器正常运行。

4.2 氟塑料管径选择

氟塑料管束设计中管子直径、壁厚的选取，目前在国内市场上尚未形成统一的认识，有的公司采用内径≥10mm、壁厚≥1mm的管子，有的采用内径6～8mm、壁厚0.5～0.7mm的管子。通过计算研究和多方调研得出以下观点：

（1）热力方面：如从传热学的角度讲，小管子有利于传热，如管长相同，小管径需要的有效面积小。

（2）烟气压降方面：小管径占有一定优势。

（3）水侧压降：大管径占有一定优势。

（4）承压方面：管子材料，壁厚一样，管径越小，环向应力越低，管子承压能力越低。另外，如果材料强度较低，就必须采用小管径，否则承压有问题。

材料的强度特性是材料的固有特性，只与材料本身的成分有关，与外载、管径壁厚无关。有两个参数：1）屈服强度σy：当材料的实际应力超过材料的屈服强度时，材料将发生塑性变形，即如果是φ14mm管，由于环向应力超过了屈服强度，管径变为φ14.3mm，那么当内压卸掉后，管径回不到φ14mm。如环向应力小于屈服强度，内压卸掉后，管子能恢复到φ14mm。2）断裂强度σb：当材料的应力超过断裂强度，材料会破坏。管道承压能力设计是要保证环向应力低于屈服强度，并有相当的裕量，裕量越大、管子越安全。σy、σb是材料的本有特性，通常只与温度有关，温度越高，σy、σb越低。塑料换热器管子的刚度也是需考虑的问题，管子的刚度与管径和壁厚有关，直径越小，管径越薄，其刚度就越差，管子如果膨胀不畅就会弯折。大管径带来的另一个好处是，管子数量降低，接口少，清洗更有效，从而有利于膨胀、顺畅。

（5）抗弯能力（刚度）：在这一点上大直径管有明显的优势。由于氟塑料的热膨胀是钢的10倍，因此处理氟塑料的热膨胀就是设计换热器必须考虑的关键问题之一。小管如膨胀受阻，由于刚度差易发生弯折，会导致管子破损，而大管则更容易顺利的胀开，不易被定位装置卡住。而小管径因管子数量较多，清洗效率也要差一些。

圆管的刚度与直径和壁厚有关。

圆管的抗弯截面模量W =πD3（1-a4）/32；a = d/D =（D - 2s）/D。

其中D为管子外径，s=壁厚，d为内径；φ14×1的管子W=123mm3；φ10×1的管子W=57mm3；8×1的管子W=34mm3。

可见φ14×1的抗弯模量为φ10×1管子的2倍，是φ8×1管子的3.6倍。弯曲应力=弯矩/抗弯模量，也就是在同样的弯矩下，φ10×1的弯曲应力比φ14×1的弯曲应力大1倍。而PTFE的屈服强度还比PFA、MFA高。因此，从抗弯特性来说，φ14×1的管子具很大优势。

（6）可靠性：由于小管需要更多的管子，因此管道和管板的接口数量大大增加，管子的定位更加繁复，可靠性也大大降低。

（7）抗磨损能力：壁厚越小，抗磨损能力就越差，容易导致管子和限位装置之间因磨损而使管子磨漏的情况发生。目前国内某些项目仅投运一周就出现了管子漏水的情况，与壁厚小有直接关系。

综上所述，氟塑料换热器是否能可靠运行，选材、管束设计都很重要，

4.3 影响提水量的主要因素研究

（1）流速对烟气冷凝换热过程的影响：由于塑料的导热系数比金属低很多，因此与传统金属换热器不同，在塑料换热器中，传热过程的主要热阻可能是塑料管外表面到内表面的导热热阻，而不在烟气侧，所以改变烟气流速、提高雷诺数对换热系数影响不大，换热系数本身也不大。同时由于烟气流速变化，换热系数变化不大，因此凝结水量也变化不大，但速度越高，进口烟气量越大，带入的水蒸汽质量就越大，导致凝结效率下降。

（2）进口水温对烟气冷凝换热过程的影响：随着进口水温的提高，凝结水量和凝结效率均呈下降趋势。这是因为进口水温越高，传热温差越小，换热系数基本无变化，但实际换热量下降，所以凝结水量减少，凝结效率降低。

（3）进口烟温对烟气冷凝换热过程的影响：随着入口烟气温度升高，水蒸汽分压变大、传质动力增强、进口烟温提高、凝结水量增加、凝结效率提高。

（4）换热面积对烟气冷凝换热过程的影响：随着换热面积的增加，换热器进、出口烟温差增大，凝结水量增加。

5 提水量的确定

影响提水量的自然环境不可控，如年最高温度超过设计预期，或高温持续时间过长，都会影响提水量。就此不可控因素，采用蓄水池的方式，分冬季和夏季两个工况运行。表面污垢和制造误差及可靠性导致的总体换热性能影响，可利用水冲洗的方式，定期进行除污。

潜热换热在氟塑料提水器工作的过程中有重要作用。通过计算流体力学的仿真分析结果，管外壁综合换热系数为132W/m2·K，管内壁换热系数为157W/m2·K、平均换热系数为140W/m2·K、传热面积需要约11,744m2，在烟温降低（53℃～57℃）4℃的条件下，保证全年平均提水量78t/h。

6 烟气提水回用方式

通过对若干项目脱硫后烟气冷凝水进行水质化验如下表。

由上表可知，烟气提水水质偏酸性，pH值在2～6，需要进行加碱处理，将1%～5%浓度的NaOH溶液与烟气提水冷凝液进行管道混合，加药采用自动加药方式，加药根据提水流量和烟气提水管pH信号控制加药量。合格的冷凝液通过管道自流至烟气提水蓄水池储存，作为脱硫工艺水补水或制除盐水原水。

7 结语

对于严重缺水的地区，采用炉后烟气提水工艺可实现高度节水。炉后烟气提水换热器投运过程中，可进一步降低机组出口烟尘排放浓度，除尘效率可达50%左右。烟气凝结水除了pH显酸性同时水质较好，可作为脱硫工艺补水及制备除盐水的原水，炉后烟气提水量为78t/h，年提水量为42.9万t（年利用5500h），可节约201.6万元（水价按4.7元/t计），具有较高的经济性，值得推广。

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