关于垃圾发电厂一次风空气预热器结构优化技术探讨

曲文龙

(威海环境再生能源有限公司，山东 威海 264200)

0 引言

垃圾焚烧发电厂主要燃料为日常生活垃圾，而生活垃圾中含水率较高，为使垃圾在焚烧炉内得到充分干燥，燃烧更加稳定，锅炉燃烧效率更高，需要对燃烧用的空气进行充分加热。垃圾发电厂空气预热器一般采用蒸汽预热器，主要因为垃圾发电厂烟气中的酸性气体多，低温时易造成低温腐蚀，所以加热的热源不能使用烟气而采用蒸汽，空气预热器的出口风温直接影响焚烧炉的稳定运行，因此预热器的结构形式，换热效率的高低是优化改造的关键点。

威海环境再生能源有限公司垃圾焚烧发电所采用的的一次风空气预热器为传统的两段串联式管式换热器。预热器分为低压段和高压段。减温减压器提供低压段蒸汽，入口温度300 ℃，压力0.98 MPa;高压段蒸汽为锅炉出口新蒸汽，入口温度400 ℃，压力2.5 MPa；参数详见表1，一次风源取自垃圾坑内的常温空气，加热后的一次风送入锅炉，提供垃圾燃烧所需的氧气。空气预热器换热效率的高低、运行的可靠性直接影响着锅炉燃烧的稳定性和经济性。

威海环境再生能源有限公司目前使用的一次风空气预热器工艺流程图如下图1所示。

预热器为了实现空气的充分加热，采用了两段串联式结构，分为低压段(Ⅰ段)+高压段(Ⅱ段)，技术特性见表1。

表1 技术特性表

1 空气预热器运行中存在的问题

(1)预热器内部管道容易出现泄漏，特别是在预热器下部区域位置，泄露后排查检修困难，设备整体使用寿命短。

(2)预热器内部结构上排管间距和鳍片间距过于密集，易积灰难清理(如图3)，风阻较大，影响换热效率。

(3)预热器高、低压疏水母管运行过程中经常会出现汽水冲击，管路振动并伴有异响；弯头处汽水冲刷严重，极易泄漏(如图4)，难以保证设备的稳定运行。

(4)高压段(Ⅱ段)的高温高压疏水目前是经过连续排污扩容器常压闪蒸并气水分离后，水蒸汽进入除氧器作为热源(量少时为了不影响除氧器的正常背压直接从连续排污扩容器排空放散)，闪蒸后的疏水直接排入疏水箱，导致疏水箱水温升高至90 ℃以上，引起后续工艺设备疏水泵汽化，汽蚀，水泵不能稳定安全运行。需要通过排污并补充除盐水来降低水温，造成水能和热能的大量浪费。

2 技改设计方案

经过设备解体查看分析，通过热力计算，结合实际运行工况，本着低风阻、效率高、热损失少、汽水冲击小的设计要点，提出一套技改优化方案。

现场一次风空气预热器设备采用两段式逐级加热，即低压段和高压段。这样必将会有两路疏水，且高压段疏水的热量难以回收。为从根本上解决此问题，从空气预热器设备的源头考虑，根据目前新的运行参数(空气量67 920 Nm3/h，温度5～220 ℃)以及加热蒸汽(2.35 MPa，390 ℃)，尝试把空气预热器做成整体式加热，并考虑在预热器底部引入过冷段，将加热蒸汽凝结水从饱和温度220 ℃过冷至70 ℃。在疏水母管上安装电动调节阀，通过液位控制来调节疏水量，保证蒸汽完全换热变成疏水，完成热量交换，管道内就只是疏水而不是汽水混合物，从而解决汽水混合冲刷管路的问题；由于疏水已经过冷至70 ℃，再进入疏水箱，便不会导致疏水泵吸入温度过高，造成泵的高温气蚀问题，达到整个系统的热量得到最大限度的回收利用。新的整体式预热器流程原理见图5。

图5中上部红色部分为蒸汽过热冷却段，蒸汽在该段由400 ℃冷却至饱和温度220 ℃；

图5中部黄色部分为蒸汽凝结段，蒸汽在该段由220 ℃饱和蒸汽凝结为220 ℃饱和水；

图5中下部绿色部分为疏水过冷段，饱和水在该段由220 ℃冷却至70 ℃；

三段总的翅片管冷却面积约为2 050 m2。

右侧蒸汽母管和疏水母管连接一个带远传功能的磁翻板液位计，将液位控制在正常水位，在疏水母管下游增加一个电动调节阀，可以根据疏水母管的出水温度来控制电动调节阀的开度从而调节液位高度。液位越高，疏水过冷段越大，即出水温度越低；反之亦然。

预热器管内气液两相流在设计整体式预热器中也不存在，由于预热器出口的疏水已经过冷至70 ℃，所以在下部不会出现汽化、闪蒸等现象。

3 技术实施方案

(1)将预热器结构由分体式改造为整体成型蛇形翅片管(如图6)，避免常规的预热器在U型弯处需要焊接的问题，最大程度减少焊接漏点。整体式预热器结构示意见图7。

(2)针对汽水混合段的汽水冲刷爆管问题，将汽水混合段设计为烤瓷喷涂，达到耐冲刷、延长设备寿命。

(3)预热器的进汽布置将采用十排管一个集箱一台截止阀控制，形式分段控制隔断，方便在不停运设备的情况下就可以查漏检修。

4 经济效益分析

通过HTRI热传递计算软件模拟换热，得出原两段式加热计算书，见图8～10。

从以上模拟计算数据分析，可以得到如下对比结果(见表2)。

表2 模拟计算数据分析

从计算结果得出，在一次风压力、流量各项参数相同的情况下，采用整体式结构比两段式结构更加节能，锅炉运行的经济性显著，主要体现在以下几点：

(1)改造后由压力降引起的一次风机功率节能年收益为：

W=0.526×1 000×67 920/(1 000×0.7×3 600×0.95)×1.15=17.2 kW

17.2 kW×24 h/天×30天/月×10月/年×0.5元/kWh=61 920元

(2)改造后由蒸汽耗量节省的年收益为：

Q=0.292×3.6 t/h×24 h/天×30天/月×10月/年×100元/t=756 864元

总的年收益为61 920元+1 513 728元=757 483.2元

(3)改造后空气预热器完全消除了汽水冲刷现象，降低了预热器内部蛇形管道及疏水母管的频繁泄漏，有效延长了设备的使用寿命。

(4)改造后疏水箱水温由90 ℃以上降到70 ℃ 以下，无需通过排放高温疏水补充除盐水来降温；疏水泵运行更加稳定，无汽化汽蚀。

5 结论

将串联式管式预热器改造为整体式加热器，能够大量回收之前两段式加热器的疏水带走的热量，从而节约了加热蒸汽耗量；整体式预热器风阻减少，一次风机电耗降低；消除管道汽水冲刷，延长设备使用寿命，检修工作量减少，设备运行更加稳定。

总之，整体式加热器改造能从设备根源上解决高温高压的疏水冲刷、热量损失、水泵汽化等问题；并且与现有的除氧器设备不存在背压干扰等问题；热力性能远胜于常规的两段串联式空气预热器，能够达到节能降耗，经济效益显著。