低低温除尘器灰斗蒸汽加热系统设计

井丽波

(上海电气斯必克工程技术有限公司，上海 200090)

0 引言

随着我国环保法规、排放标准的日趋严格，煤电节能减排升级改造计划在全国各地开始实施。国内相关环保企业通过自主研发、技术引进和成立合资公司的方式，掌握了以低低温电除尘技术为核心的烟气协同治理技术路线，该技术可使燃煤电厂烟气污染物排放浓度达到或接近燃机标准，即满足超低排放的要求。

但是，采用低低温除尘技术实现超低排放效果的同时，也面临着除尘器灰斗堵灰的问题。由于除尘器进口烟气温度降低，收集下来的灰的流动性变差，特别是当保温措施不好或出现局部漏风时，易产生灰斗堵灰的情况，灰斗下部的气力疏灰系统也会存在问题。因此，灰斗须有更大面积的加热系统以保证灰的流动性及更好地防腐。常温电除尘灰斗加热所需功率相对较低，一般可选择电加热，而低低温电除尘器灰斗加热所需功率较高，采用蒸汽加热更为合适[1]。

1 灰斗蒸汽加热系统设计

灰斗采用蒸汽加热，需具有良好的保温措施，在整个灰斗区域内设置蒸汽盘管，外层敷设保温材料。灰斗上装设测温热电偶，随时监测，保证灰斗壁温在烟气酸露点10 ℃以上。蒸汽加热盘管具有较高的导热效率，满足加热蒸汽压力参数，不发生蒸汽泄漏，导热管不积水，保证导热管能通畅疏水。

以某电厂低低温电除尘器项目为例：

除尘器烟气运行温度87 ℃，露点温度99.8 ℃，环境最低温度-10 ℃，其加热负荷要求保持灰斗壁温不低于110 ℃。蒸汽加热管布置面积不小于灰斗高度的2/3，即单个灰斗需加热面积约为42 m2。一台炉配两台除尘器，共32个灰斗，所需加热面积约1 344 m2。灰斗加热蒸汽汽源参数：蒸汽压力0.8 MPa，蒸汽温度280 ℃。该除尘器布置如图1所示(一台除尘器)。

1.1 蒸汽加热系统图

在做灰斗蒸汽加热系统设计时，通常需要考虑蒸汽分配均匀性及检修方便等问题，为此做了如下设计(见图2)：

图中每个灰斗蒸汽加热盘管进出口均需设置蒸汽截止阀，当盘管出现泄气、腐蚀等问题时可及时检修更换。每片加热盘管需在厂内制作并完成水压试验，合格后方可供货到现场安装，以减少运行故障。灰斗蒸汽加热系统的蒸汽来自厂内供汽母管，疏水管道引至厂内疏水母管(或疏水扩容器)。每路加热蒸汽管路设置蒸汽调节阀，以保证各分支管道蒸汽流量均匀，确保每个灰斗达到所需温度。同时，为保证过热蒸汽管路安全可靠，需设置高位放气阀。为保证蒸汽加热质量，需设置低位放水阀。疏水管道设置截止阀、止回阀以及疏水阀等。

1.2 蒸汽耗量计算

1)根据热量传递原理计算蒸汽耗气量，加热管放热量Q1等于空间转移热量Q2与对外逃逸热量Q3之和，单位kJ/(m2·h)。

其中：Q2=α2(θ1-θ2)=125.6×(110-87)=2 888.8 kJ/(m2·h)

θ0——蒸汽温度,℃；

θ1——灰斗壁温度,℃；

θ2——灰斗内烟气温度,℃；

θ3——外界最低温度,℃；

α1——加热管传热系数,kJ/(m2·h·℃)(无缝钢管20#钢)；

α2——灰斗壁传热系数,kJ/(m2·h·℃)(材料碳钢)；

α3——保温材料传热系数,kJ/(m2·h·℃)(材料玻璃丝棉)；

λ——保温材料热传导率,kJ/(m·h·℃)(材料玻璃丝棉)；

δ——保温层厚度,m(灰斗保温厚度设定0.15 m)；

其中：α1α2α3λ均为查表取值;

计算得出：

Q1= 2 888.8+148.37=3 037.17 kJ/(m2·h)

2)每m2壁板加热所需蒸汽量:

查表得：

I＂——过热蒸汽焓值,kJ/kg(蒸汽压力0.8 MPa、蒸汽温度280 ℃时，取3 013.26)；

I＇——饱和水焓值,kJ/kg(蒸汽压力0.8 MPa、蒸汽温度280 ℃时，取721.2)；

单个灰斗需加热面积约42 m2，所需热量1.33×42=55.86 kg/h。

一台炉32个灰斗所需热量55.86×32=1 787.52 kg/h。

3)所需蒸汽量总量取值：

1 787.52×1.1=1 966.27≈2 000 kg/h

通常情况下，电厂提供的蒸汽热源参数与实际运行中参数存在差异，故在计算耗气量时耗汽裕量的选取视情况而定。

1.3 蒸汽管路计算

1.3.1 盘管尺寸

1)灰斗每m2加热管当量传热面积：

假定选用无缝钢管型号32X3，计算得:

2)灰斗每m2内加热管总表面积:

0.364m2(>0.213m2)

其中,d为加热管两层间距,mm.

经计算，选用无缝钢管32X3作为盘管材质可满足热量传递要求。

1.3.2 盘管强度

上两式中:δ——管道计算壁厚，mm；

P——设计压力，MPa；

D0——管道外径，mm；

Di——管道内径，mm；

[σ]t——管道在设计温度t下的许用应力，MPa；

查表得：350 ℃时，[σ]t=92 MPa;

Y——系数;

对于≤482 ℃的钢管，Y=0.4;510 ℃,Y=0.5;

φ——焊接接头系数，无缝钢管取1.00;

计算蒸汽盘管32X3强度是否满足要求，只需将相关数据代入公式即可算出[2]。

结果显示可以采用上述公式计算管道强度。

得出结论：选用蒸汽盘管32X3强度满足要求。

不仅蒸汽盘管可用上述公式计算，系统中其他管路强度也可采用此方法计算校核。在此仅以盘管计算举例，其他管路不再赘述。

1.3.3 管道蒸汽流速选取

蒸汽流速的大小直接影响蒸汽压力降和管径，因此选择时应慎重考虑，其选择原则如下：管径小，流速宜偏低；管径大，流速宜偏高。做供热用的蒸汽管道，由于对压力要求不严，流速可高一些。一般情况下，支管过热蒸汽管路流速推荐30～40 m/s，支管饱和蒸汽管路流速推荐15～30 m/s。

1.3.4 导热材料的选用原则

同样的材料，导热率是一个不变的数值，热阻值是随厚度发生变化的。厚度越大，可简单理解为热量通过材料传递出去要走的路程越多，所耗的时间越多，效能也越差。对于热导材料，选用合适的导热率、厚度，对性能有很大的关系。选用热导率很高的材料，但是如厚度很大，性能也是不够好的。最理想的选择是：导热率高，厚度薄，完美的接触压力，保证最好的界面接触。这里不仅对导热材料有一定的选择要求，同时对保温材料、保温厚度以及盘管及保温的安装均有严格的要求，只有选材到位、安装到位，蒸汽加热效果才能得以保证。

1.3.5 盘管的安装固定

在新建项目中，在制作时灰斗盘管可直接附在灰斗壁板上，随灰斗壁板一起发货至现场拼接安装。在改造项目中，为保证热交换效果，蒸汽盘管的安装需贴近灰斗壁板表面，需割除原灰斗壁板表面加强筋干涉部分，待盘管安装完后再补强加强筋。盘管与灰斗壁板的固定如图3。

1.4 阀门的选用与安装

阀门是控制介质流动的一种管路附件，是管道中不可缺少的配件之一。阀门种类很多，本系统中用到的阀门有：闸阀、截止阀、安全阀、调节阀、减压阀、疏水阀、止回阀等。其中疏水阀的选用在该系统设计中尤为重要，它关系到冷却水能否顺利排出，从而直接影响到蒸汽加热系统的性能。

1.4.1 疏水阀的选用

1.4.1.1 疏水阀的类型

灰斗蒸汽加热系统中，通常选用机械型疏水阀。机械型疏水阀有自由浮球式、自由半浮球式、杠杆浮球式、倒吊桶式等。它是利用凝结水与蒸汽的密度差，通过凝结水液位变化，使浮子升降带动阀瓣开启和关闭，达到阻气排水的目的。在该系统中，我们一般选用自由浮球式疏水阀，见图4。这种阀的优点是排量大，排空气性能好，能连续排除凝结水，体积小，结构简单，浮球和阀座易互换；缺点是抗水击能力差，疏水阀内蒸汽有热损失，排除凝结水时有蒸汽卷入。所以现场看到的直接排放到排水沟的水带有大量蒸汽。

1.4.1.2 疏水阀的疏水量

合理计算蒸汽管道疏水量，选择性能合适、容量匹配的蒸汽疏水阀是低低温除尘器及输灰系统正常运行的保证，更是节约生产成本和能源的保障。

选用疏水阀时，疏水阀排放能量不够，会造成凝结水不能及时排出，降低加热设备的热效率。当蒸汽加热设备刚开始送汽时，设备是冷的，内部充满空气，需要疏水阀把空气迅速排出，再排大量低温凝结水，使设备逐渐热起来，然后设备进入正常工作状态。由于开车时，含大量空气和低温凝结水，以及较低的入口压力，使疏水阀超负荷运行，此时疏水阀要求比正常工作时的排水量大，所以按倍率2～3倍来选择疏水阀。

1.4.1.3 疏水阀的工作压差

选用疏水阀时，不能以公称压力选疏水阀，因为公称压力只能表示疏水阀体壳承受压力等级，疏水阀公称压力与工作压力的差别很大。所以要根据工作压差来选择疏水阀的排水量。工作压差是指疏水阀前的工作压力减去疏水阀出口背压的差值。

1.4.1.4 疏水阀的工作温度

选用疏水阀时，要根据管道蒸汽最高温度来选择能满足工艺条件要求的疏水阀。管道蒸汽最高温度超过公称压力相对应的饱和蒸汽温度称为过热蒸汽，在过热蒸汽管道选择疏水阀时，应选用高温高压过热蒸汽专用疏水阀[3]。

1.4.2 疏水阀的安装

在蒸汽管道的末端，最低点蒸汽系统减压阀、调节阀前，蒸汽加热设备的低处，扩容器，水平安装的波纹补偿器波峰的下部，不可避免的袋形的底部及可能积液的地方，都应安装疏水阀。当蒸汽管道较长时，每隔一段距离应适当增加输水接点。

一般情况下，疏水阀入口管都是安装在低于冷凝水排出设备的位置。必要时在采取防止积水和防止汽锁措施后，才能将疏水阀安装在比凝结水出口高的位置上。疏水阀出口管应减少弯曲，管径比选定疏水阀公称直径大1～2级。当出口管有向上的立管时，在疏水阀后应安装止回阀。

对于凝结水回收系统，疏水阀后要设置切断阀和排污阀。将冷凝水排至排水沟的场合下，若将排水管直接伸入水中易引发冷凝水飞溅的危险。如果必须要被水淹没的场合下，为防止蒸汽停止时排水沟的水逆流至疏水阀而出现故障，应在排水管中进行开口或设置真空调节阀。在冷凝水回收系统中，疏水阀前后都要设置关断阀，阀前还要设置排污阀，阀后设检查阀、窥视镜[4]。

2 值得关注的问题

目前，灰斗蒸汽加热系统在低低温除尘器项目实际应用中存在以下几个问题：

1)实际应用气源参数与设计时提供参数不符，蒸汽温度远低于设计值，造成灰斗加热后温度在80 ℃左右，还有个别温度在70 ℃左右；

2)前电场灰斗温度高于末电场灰斗温度，且前电场灰斗温度随卸灰呈周期性波动；

3)灰斗加热温度虽未达到设计值，但灰斗并未因此出现堵灰现象；

4)灰斗温度显示低，初步判断可能与温度计的安装方式及深度有关；

5)灰斗加热盘管的安装与灰斗壁板不贴合，传热效果差；

6)灰斗保温安装不符合要求，保温材料与壁板贴合度差，导致灰斗加热盘管散失热量多，热源损耗大。

3 结语

灰斗蒸汽加热系统的设计只有充分考虑了设备应用环境与需求，从系统图设计、耗气量计算、盘管选用、阀门选用、系统安装等方面着手，布置合理的蒸汽加热系统，才能保证除尘器及输灰系统安全可靠运行。本文对灰斗蒸汽加热系统设计进行了详细论述， 旨在后续项目中给予更严谨的设计安装指导。