一种耐腐蚀锅炉余热回收装置

2022-03-15＊顾健

当代化工研究 2022年4期

关键词：余热元件石墨

＊顾健

（江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院江苏 226011）

1.研究背景

(1)锅炉节能意义

锅炉是一种大量耗能的特种设备，其耗能总量占据我国的能源总消耗举足轻重的部分，锅炉节能和减排对于我国锅炉行业降低能源消耗水平，减少排放污染物，提升企业的经济效益发挥着非常重要的意义。

(2)锅炉节能分析

根据锅炉输入及输出的热平衡分析，锅炉输入主要为燃料的化学热，锅炉输出主要是蒸汽热焓或有效热量（为其它设备提供的热量，用q1表示）和各项热损失，主要有排烟热损失（q2）、气体未完全燃烧热损失（q3）、固体未完全燃烧热损失（q4）、散热损失（q5）和灰渣物理热损失（q6）。

q1+q2+q3+q4+q5+q6=100%

其中排烟热损失（q2）所占比例最高。所以近几年来各种类型的锅炉余热回收装置如雨后春笋般涌现出来。国内外也开发了许多类型的节能装置以解决工业锅炉余热回收问题，总的来说主要有铸铁省煤器、各种类型金属管换热装置和热管换热装置等，但普遍存在烟气低温腐蚀，传热性能低、积灰难清理等问题。于是寻找一种既能耐腐蚀、导热系数高、表面光滑的材料已成为当务之急。

(3)现状与节能难点

目前因环保政策的进一步实施。燃煤锅炉逐步减少，但其它替代性燃料层出不穷，如各种类型生物质燃料、废油、渣油、醇基油、生物质制气等，锅炉烟气低温腐蚀愈显复杂多样。

锅炉尾部受热面的腐蚀主要有硫酸露点腐蚀等低温腐蚀，锅炉燃料中的硫在燃烧在燃烧过程中生成SO2，部分SO2可进一步氧化生成SO3，SO2、SO3与烟气中的水蒸汽生成H2SO3（亚硫酸）和H2SO4。因H2SO4蒸汽的存在使烟气的露点显著升高。其次一些燃料（如渣油、生物质燃料）在燃烧过程中会产生一定量酸性气体，主要包括SO2、HF、HCL，也会形成低温腐蚀。此外，目前锅炉已趋向于冷凝化发展，而冷凝水中化学成分及其复杂，出现了许多类型的复合性腐蚀。于是迫切需要一种新型材料制作的锅炉余热回收装置，要求其具有绝佳的耐腐蚀性能和导热性能，并具有可直接用水冲洗的特点。

2.石墨材料

(1)简介

自然界中存在三种不同形态的碳的同素异构体：石墨、金刚石和无定形碳（如木炭、焦炭等）。石墨和金刚石是结晶形碳，石墨属六方晶系具有完整的层状结构，各层面由六角形环构成，层面与层面平行，呈有序的重叠晶体结构。

石墨材料一般分为天然石墨和人造石墨两种，天然石墨纯度低，组织松散，制造石墨设备的石墨材料一般为人造石墨，由焦炭、沥青混捏，压制成型，在窑炉中隔绝空气焙烧，然后再进行石墨化处理。人造石墨在窑中焙烧时，沥青等物质中遍布大量有机物，在高温状态下分解成气体逸出，气体逸出后该部位呈孔洞状，多孔性材料不可作为装置的换热元件，必须经过浸渍处理将树脂浸入石墨材料的孔洞中，形成不透性石墨，才能在换热设备上使用。

不透性石墨一般可分为三种：浸渍石墨、压型石墨、浇注石墨。其中浸渍石墨因为浸渍的区别又可主要分为以下几种：水玻璃浸渍石墨、沥青浸渍石墨和树脂浸渍石墨等，而树脂浸渍石墨又可分为环氧树脂浸渍石墨、呋喃树脂浸渍石墨和酚醛树脂浸渍石墨等。压型石墨一般有模压型和挤压型两种；浇注型石墨一般分为常压成型石墨、加压成型石墨两种。目前酚醛树脂浸渍不透性石墨使用较为广泛。

(2)材料性能

不透性石墨材料在大部分酸性或碱性环境下都具有很好的化学稳定性（除一些强氧化性酸或强碱性条件下表现不稳定性）。其在锅炉尾部的烟气环境中完全能做到耐腐蚀。此外在非金属中，不透性石墨的导热系数首屈一指，甚至高过许多金属，比碳钢大2倍，比不锈钢大5倍，比其他非金属材料大100倍。其导热系数为116.3-183.7W/(m·K)。石墨本身具有极好的耐高温性能，目前工业锅炉尾部烟气温度最高可达300℃左右，余热回收装置利用余热烟气加热常压给水（不超过100℃），石墨元件的壁温度不超过200℃，完全能适应。此外还有线胀系数小，抗热冲击性稳定，抗震性很好，机加工性能优良等优点。

石墨材料与水中杂质及大部分介质不发生化合作用（亲和力小），所以石墨材料制换热元件表面不易结垢，且不透性石墨材料表面光滑，不易积灰，并可用水直接清洗。另外不透性石墨元件制作的石墨设备在化学工业中业已得到广泛应用，并有了几十年的使用经验，使用寿命长、价格也适中。

3.余热回收装置

(1)装置结构

目前不透性石墨装置用于锅炉尾部余热回收技术已相对成熟，本文研究的余热回收装置就是组合采用石墨圆筒和石墨块孔换热元件。石墨圆筒换热元件顺烟气流通方向横向布置，石墨块孔换热元件延烟气流通方向垂直布置，具有自除灰作用。其结构分为再热段、换热段。如图1结构图。

图1 结构图

①再热段

再热段主要换热元件为石墨圆筒，为增加换热面积，在石墨圆筒内外表面均车制沟槽，形成双向翅片石墨内筒，外壳为钢制筒体，从而组成夹套式换热结构。锅炉尾部烟气在内筒通过，石墨圆筒与钢制外筒形成的夹套介质为水，高温烟气首先经过再热段而后进入换热段，而锅炉软水由换热段流入再热段。再热段石墨内筒与钢制外壳间由四氟填料进行密封。

②换热段

换热段换热元件为较典型的石墨圆块孔，由四个石墨块上下叠加组成，中间采用四氟垫片，方便装卸，石墨圆块孔中轴向孔为垂直方向，轴向孔为锅炉烟气流程，横向孔软水流程，轴向孔和横向孔相互交叉垂直，孔间最小距离为6mm，为提高换热效率，在软水流程中，壳体部位设置折流板，从而增加软水流速。壳体材料为碳钢，与石墨圆块间用填料密封。

余热回收装置的再热段横向布置，换热段垂直布置，两则之间的过渡段顶部装有人孔装置，可打开对石墨换热元件进行检查和清灰，也可使用水管对石墨圆块的竖孔进行冲洗。对装置后部的烟道内表面应适当采取防腐措施，可使用有机硅等耐高温防腐涂料进行处理。至于水膜除尘后部的烟道及相关设备的防腐措施可保持为原先状态。

(2)系统流程

其系统流程由锅炉烟气流程和软水流程组成：如图2系统示意图。

图2 系统示意图

①烟气流程

锅炉燃烧烧过程中，烟气在锅炉内部换热后由后部烟窗排出，进入高效节能装置的再热段，在再热段中水平方向流动，与制有翅片的石墨圆筒换热。然后折向进入换热段，烟气呈紊流状态从上而下流经上百个石墨圆孔内，因烟气折向和小孔旋流的作用，烟气中部分细小灰粒会分离沉降出来，类似于烟气多管除尘装置，同时因为烟气在石墨换热元件竖孔内自上而下快速流动，从而具有自除灰的作用，带动孔壁的细灰落入节能装置底部的灰箱内。另外由于高效节能装置可将锅炉烟气温度降至酸露点以下，所以烟气在装置内换热过程中，二氧化硫等有害气体会部分凝结为雾状或为液态附着在烟气细小灰粒上，而分离进入下部灰箱。从而减少了后部设备的进入量，减少了排入大气的有害气体含量。

②软水流程

余热回收装置的本体与水箱之间用循环管路联通。离子交换器处理合格的软水进入水箱冷水区，由循环泵提供循环动力使水箱冷水区里的水进入余热回收装置吸收热量，水温提高后进入水箱热水区，水箱冷水区与热水区之间由孔板连通，如此循环、周而复始，使水箱中水温不断升高。热水经锅炉给水管路由给水泵加压进入锅炉。

(3)实践应用

①设备安装

该石墨材料余热回收装置在一台4T/H蒸汽锅炉尾部安装并使用，该锅炉尾部原有铸铁省煤器因能效低、积灰堵灰等原因已拆除。在余热回收装置安装前先预制换热段圆形基础、设置热水箱、预制部分管道、定制电控箱、购置循环泵、热水给水泵以及仪表阀门等。待圆形基础混凝土完全硬化及准备工作完成后，锅炉停炉降温，先拆部分烟道后换热段就位，然后吊装再热段，为稳固整套节能装置再热段前下设置稳固支撑，紧固换热段和再热段法兰螺栓，连接节能装置前后烟道，连接节能装置与循环水箱的管道管件以及循环泵，安装热水给水泵及相关管道阀门，最后安装热工仪表、安全保护装置和控制柜，连接控制线路，并对节能装置及其管道做0.15MPa的水压试验。

节能装置的出水部位及热水箱上安装就地温度计和热电偶并远传至节能装置控制柜，安全保护装置设置为：A.循环泵启动方可启动锅炉鼓引风机，循环泵停运则鼓引风机跳闸；B.节能装置顶部的水位报警及连锁装置的水位低则锅炉鼓引风机无法启动，锅炉运行过程中该水位低则鼓引风机跳闸。如图3，锅炉节能改造前后对比。

图3 锅炉节能改造前后对比

②调试与运行

余热回收装置安装后进行了调试，锅炉给水温度由常温提高到90℃左右，锅炉排烟温度由250℃左右降到100℃左右，锅炉和余热回收装置以及相关设备辅机等运行正常，安全保护装置灵敏可靠。调试过程中未发现异常情况，然后调节锅炉运行各参数使其符合能效测试条件，并平稳运行，测试锅炉给水装置的原始温度和加热后的给水温度，且每隔5min测试一次锅炉给水温度，然后取其平均值作为计算用的给水温度。调试正常后委托锅炉能效测试单位进行热效率测试，经测试该锅炉安装余热回收装置后锅炉热效率在原有基础上提升了8.72%，节能效果明显。

余热回收装置安装后随锅炉经过8年时间的实际考验，其运行稳定，石墨换热元件未见任何腐蚀，耐腐蚀性能绝佳，同时传热性能高，经能效测试可提高锅炉系统热效率超过8%，换热元件表面光滑未有堵灰现象。实践证明，不透性石墨材料是一种用于锅炉余热回收的理想材料，本文研究的锅炉余热回收装置达到预期的节能效果，并具有显著的耐腐蚀性能。