基于烟风耦合换热技术的新型节能复合式换热器的研究与应用

邓 思，胡孔亮

(1.重庆旗能电铝有限公司，重庆 401420；2.国电重庆恒泰发电有限公司，重庆 401420)

“十三五”期间，全国火电机组超低排放改造推进，各地火电厂纷纷进行脱硫、脱硝超低排放改造，但因脱硝改造而产生的硫酸氢铵会导致空气预热器(以下简称“空预器”)堵塞。为了解决空预器堵塞，各厂家提出了不同的解决方案。本文提出的就是解决空预器堵塞的一种方法。

1 工程概况

某电铝有限公司自备电厂的空预器为东方锅炉股份有限公司采用引进技术制造的回转三分仓空预器，露天布置，主轴垂直布置，烟气和空气以逆流方式换热。空预器的冷端受热面由抗腐蚀大波纹搪瓷元件制成。空预器具有良好的密封性，采用先进的双密封结构。空预器旋转方向为烟气侧→二次风侧→一次风侧。BMCR工况烟气侧设计阻力为1 250 Pa。电厂于2015年增设了烟气暖风器。由于实际使用燃料的含硫量较高，锅炉NOx排放值在400～800 mg/Nm3，烟气经过脱硝装置后，逃逸的氨会与烟气中的三氧化硫结合形成硫酸氢铵，在空预器冷端发生凝结，与积灰共同作用，导致空预器严重堵塞，使得实际运行中空预器烟气侧阻力增大。根据2019年1～2月的生产报表数据可知，1#炉A空预器阻力最大值为2.21 kPa，月平均值为1.9 kPa；1#炉B空预器阻力最大值为2.78 kPa，月平均值为2.2 kPa。2#炉A空预器阻力最大值为2.77 kPa，月平均值为2.52 kPa；2#炉B空预器阻力最大值为3.1 kPa，月平均值为2.79 kPa。

从机组运行经验来看，冬天暖风器全投入时空预器进口空气温度只能提高到36 ℃。尽管长期投入暖风器可以缓解空预器堵塞情况，但空预器阻力增加速度下降，不能彻底解决堵塞。经过在线高压冲洗后，堵塞情况会有短暂改善，可又面临空预器阻力增加过快的问题。

空预器堵塞造成的影响如下：

1)空预器运行阻力增加，送风机、引风机、一次风机的电耗增加，影响机组带负荷能力，严重时将导致机组被迫停机；

2)空预器冷端堵塞，导致蓄热元件换热能力降低，排烟温度超过150 ℃(超原设计30 ℃)，出口风温较原设计低20 ℃，影响机组运行的经济性；

3)空预器漏风率增加，锅炉效率降低；

4)空预器冷端蓄热元件受硫酸氢铵腐蚀严重；

5)吹灰器使用频繁，造成冷端蓄热元件和密封组件吹损严重。

由此可见，空预器堵灰不仅对机组的效率影响非常大，而且已严重影响到机组的长期、稳定、安全运行。因此，采用可靠、有针对性的方案来预防并解决空预器硫酸氢铵堵塞问题非常必要。该自备电厂年运行小时数达8 000 h，负荷率高，改造能解决安全风险，同时节能收益空间非常大。

2 改造方案

2.1 方案的选取

根据目前国内外空预器防堵技术，可采用多种改造方案。方案一：热二次风加热+蒸汽吹灰防堵，热二次风通过增设的循环风机加热分仓(8°)内的转子蓄热元件进行加热。方案二：利用低低温省煤器(气-水换热方式)加热空气，减轻空预器换热压力，提高空预器排烟温度。方案三：采用烟风耦合换热技术的新型节能复合式换热器(三维肋管低低温省煤器+干烧+空预器选型优化)。

鉴于热二次风循环加热1～2个分仓，每次加热时间非常有限，不能将硫酸氢铵全部气化，同时热二次风中带有较多大颗粒的烟尘，会导致循环风机叶轮被快速磨损，所以方案一不可取。

针对方案二中所用的换热介质，进行了充分的考察调研，重点考察重庆、贵州等地区高硫燃煤发电机组的低低温省煤器使用情况。考察结果表明，采用气-水换热方式的低低温省煤器使用效果非常差，因其换热管磨损快、检修难度大、检修工期长等缺点，投产2～3年后几乎会全部退出运行，同时硫酸氢铵的凝结由回转式空预器转移到了低低温省煤器，会造成堵塞，烟气阻力增大，对安全、经济运行造成负面效果，所以方案二也不可取。

方案三烟风耦合换热在空预器下游采用三维内外肋管低低温省煤器。三维内外肋管及其加工工艺是一项先进的强化换热管设计、制造技术，这种换热管的传热能力可数倍于同样管径的光管的传热能力，而且能根据换热要求调整换热强度[5-10]。即通过合理的传热设计(调整三维肋片的数量、高度等)来适当提高处于低温区域金属表面的温度，以降低该区域金属材料的酸腐蚀程度，能产生很好的经济效益和社会效益。硫酸氢铵的凝结由回转式空预器转移到三维肋管的冷端，在三维肋管进口加装干烧系统(小股热二次风)，经干烧系统的干烧(时长可设置)后，硫酸氢铵汽化进入电除尘器，在电除尘器前烟道凝结成雾滴与烟尘包裹，进入灰中，在电除尘器内不会形成二次凝结，电除尘器极丝和极板无板结现象，所以方案三可取。同时，可通过优化蓄热元件设计，将回转式空预器综合温度提高。

2.2 烟风耦合换热技术的新型节能复合式换热器设计

2.2.1 改造目标

提升回转式空预器进口风温(一、二次风)至120 ℃，从而提高回转式空预器冷端综合温度，彻底解决回转式空预器低温腐蚀和硫酸氢铵堵塞问题；降低进入电除尘器的排烟温度至120 ℃(由150 ℃降至120 ℃)，降低灰飞比电阻，提高除尘效率，并实现节能。

2.2.2 改造设计

1)三维肋管低低温省煤器设计方案

在回转式空预器出口至静电除尘器进口的烟道设置三维肋管低低温省煤器，取消原蒸汽暖风器，利用烟气直接加热冷空气，同时对回转式空预器进行设计选型。改造工艺流程见图1。

图1 改造工艺流程

在回转式空气预热器出口至静电除尘器的垂直烟道处，布置立式三维肋管低低温省煤器，基础座落在地面，管内侧通烟气，管外侧通空气。利用一次风机、二次风机将冷空气以后进前出的方式送入三维肋管预热器与原烟气换热，将25 ℃空气(基于25 ℃的环境温度)加热到120 ℃后，送入回转式预热器换热，回转式预热器的出口烟气温度升高到194 ℃后，进入三维肋管低低温省煤器换热，最终使进入除尘器的烟气温度降到120 ℃以下。

三维肋管低低温省煤器的烟气与空气的进出口均设置有静压风箱，利用风箱稳定进出口烟气和空气的压力，可使管式换热器流场均匀。布置模型见图2。

三维肋管形式选择。三维内外肋管对流换热强化强化换热强化比M可达2.8甚至更高值，其热力性能系数可达其他强化管难以达到的高值，减少换热器体积和重量[1-3]，有利于节约空间。管内通过的烟气顺着管方向流动，使烟气和粉尘的流向与管壁平行，最大限度减小粉尘对管壁的冲刷以减轻磨损[4]。采用烟气-空气换热，即使三维肋管部分被磨穿，也只会增加漏风率，不会对机组安全运行造成影响。所以本次采用三维内外肋管。

图2 布置模型(单侧)

2)回转式空预器优化设计

本次回转式空预器需与三维肋管低低温省煤器配合回收余热，若想要从根本上解决空预器堵塞问题，需对空预器蓄热元件进行优化设计。本次空预器热端蓄热元件材质为优质SPCC钢，采用全封闭大通道大波纹DUF板型，元件单片厚度为0.6 mm，元件高度为1 300 mm。单组蓄热元件栏框采用不小于4 mm厚的Q235钢板制成，且需R4的圆角，加强筋为两根扁钢，交叉布置。空预器的冷端蓄热元件采用考登钢，元件单片厚度为1 mm，元件高度为900 mm，并采用全封闭大通道大波纹DUF板型。蓄热元件能耐受1.5 MPa 的过热蒸汽吹灰。无论是热端换热元件还是冷端换热元件，其与篮框之间的间隙(到边尺寸)为5 mm。 换热元件的换热面积、分层布置可实现使现有排烟温度不大于194 ℃(BMCR工况)的换热效果。

3)解决硫酸氢铵堵塞和二次凝结的措施

干烧原理：根据试验研究表明，硫酸氢氨(NH4HSO4)从气态向液态转变的温度区间为232～149 ℃(NH3逃逸浓度2.28～3.8 mg/m3时)，低于149 ℃时，硫酸氢氨发生液化，高于232 ℃时硫酸氢氨变为气态。因此在运行中，将三维肋管低低温省煤器分成若干管箱，可通过将三维肋管低低温省煤器管箱的烟气侧、空气侧隔离，然后在隔离的管箱的入口依次引入小股(不超过1%)热二次风，使管壁温度提高到232 ℃，使已经发生结晶的硫酸氢氨挥发成气态，通过热一次、二次风引入炉膛。

干烧布置：设置三维肋管低低温省煤器干烧系统，即利用三维肋管低低温省煤器自身的防振板分隔出16组(其中一次风4组，二次风12组)独立管箱，相应地形成16个独立的烟道和16个风道，在每个三维肋管低低温省煤器的烟气通道进口设置干烧挡板门，在冷空气进口侧对应设置16个干烧风门，并在烟气干烧挡板门和进入三维肋管低低温省煤器的烟道上设置16个高温热风引入接口，通过关闭三维肋管低低温省煤器烟气进口烟气挡板门和冷风挡板，同时将高温热风(约330 ℃)引入三维肋管低低温省煤器烟气侧进口侧，对进行干烧，使金属壁温迅速升高到进口干烧介质的温度，硫酸氢铵被气化蒸发，从而保证三维肋管低低温省煤器内不会形成硫酸氢铵堵塞三维肋管。

干烧采用程序控制，每次一组，轮流进行(每组自动或人为设置干烧时长)，确保干烧的高温热风(不超过总风量的1%)与没有干烧的低温烟气在三维肋管低低温省煤器出口烟气管箱内充分混合，使混合后的烟温不会超过120 ℃，硫酸氢铵结晶以灰的形式被除尘器清除，防止硫酸氢铵再次凝结。

干烧耗气量核算：本项目干烧采用空预器出口热二次风来提高三维肋管低低温省煤器的管壁温度。单侧换热器体积约为429 m3，利用300 ℃及以上的热二次风加热一组26.8 m3的三维肋管至232 ℃，只需要升温，不需要吹扫，且需要的风量很少，约为总风量的1%，不影响系统。

3 改造后投运效果

3.1 防堵防腐预估效果

1)空预器防堵防腐：采用新型节能复合式换热器方案后，回转式空预器的排烟温度和进口风温大大提高，冷端综合温度大幅度提高，具体如表1所示。

表1 改造设计风烟理论温度 ℃

根据大量工程实践及实验总结出的合理的冷端综合温度运行曲线见图3。

图3 回转式空预器冷端推荐综合温度曲线

改造工程原设计的煤质含硫量为4%，实际空预器冷端综合温度高于185 ℃。而改造后，空预器冷端综合温度高于推荐的安全温度，有效地解决了回转式空预器冷端腐蚀及硫酸氢铵堵塞问题。

2) 三维肋管低低温省煤器干烧的效果：运行半年后，停机对三维肋管检查，发现管内、外非常干净，无积灰和硫酸氢铵凝结，电除尘内部极线、极板表面无硫酸氢铵凝结。见图4。

图4 三维肋管低低温省煤器及电除尘器内部

3.2 节能效果评估

1) 排烟温度降低的节能收益

改造后，锅炉排烟温度从150 ℃降低至120 ℃，进入锅炉的热风从280～300 ℃提高至330 ℃以上，回收的烟气余热全部用于加热进入锅炉的热风，锅炉效率提高1%～1.5%[5]，节能效果非常显著。该电厂属于自备电厂，年运行小时达到8 000 h，年节约标煤2.524 5万t，按该厂2020年到厂标煤含税单价900元/t计算，节约成本2 272.05万元/年。

2)取消蒸汽暖风器的节能收益

改造前，在冬季，电厂采用辅助蒸汽加热空预器进口的一、二次风，将预热器入口风温提高至40 ℃，以防止回转式预热器冷端腐蚀。本次改造后，原蒸汽暖风器取消。根据中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司测算，单台锅炉一次风温由18.7 ℃(全年平均气温)提高至40 ℃，温升21.3 ℃；二次风温由18.7 ℃提升至35 ℃，温升16.3 ℃，一次风暖风器的蒸汽耗量(两台暖风器)约 3.7 t/h，二次风暖风器的蒸汽耗量(两台暖风器)约 10.5 t/h，合计约 14.2 t/h。改造前，单炉暖风器实际投运(按3个月计)2 160 h，耗汽量蒸汽3.067 2万t，单价180元/t，折算成本552.096万元/年。所以改造后取消蒸汽暖风器，2台锅炉的节能收益为1 104.192万元/年。因冬天平均环境温度达不到18.7 ℃，所以实际节能收益甚至高于1 104.192万元/年。

3)减少空预器蒸汽吹灰的收益

目前投运半年，空预器压差能保持在800 ～1 000 Pa，所以停用了蒸汽吹灰。改造前，由于空预器堵塞严重，阻力大，每天蒸汽吹灰时长达20 h，每个吹灰枪耗蒸汽量44 kg/min，同一时段左右两侧空预器各投1根吹灰枪，单炉吹灰蒸汽用量5.28 t/h，按年运行8 000 h，其中有6 666 h均在吹灰计算，年用汽量为3.52万t，2台炉耗汽7.04万t/年，再按饱和蒸汽价格180元/t计算，年节约成本1 267.2万元。

4)阻力降低的节能量

按照烟气侧和空气侧比改造前分别降低580 Pa 和600 Pa的阻力估算，单台炉可以节约电量：

空气侧电量=Q×ΔP/(3 600×1 000×η0×η1)=1 065 778×600/(3 600×1 000×0.85×0.98)=213 kW，8 000 h节约电量=8 000×213=170万kW·h ，按照0.39元/(kW·h)，节约电费=170×0.39=66.8 万元；

烟气侧电量=Q×ΔP/(3 600×1 000×η0×η1)=1 201 387×580/(3 600×1 000×0.85×0.98)=232 kW，8 000 h节约电量=8 000×232=185.6万kW·h ，按照0.39元/(kW·h)，节约电费=185.6×0.39=72.4万元

两台锅炉阻力降低的节电收益为278.4万元/年。

5)其他

热风温度提高、燃烧效率提高、飞灰减少等产生的收益；除尘器入口烟温降低，飞灰比电阻降低，除尘效率提高；脱硫入口烟气温度降低，脱硫水耗降低；除尘器及后续设备烟气量降低，阻力降低。

4 结论

为了使某电铝有限公司自备电厂2台330 MW燃煤锅炉的空预器实现防堵并同时降低排烟温度，进行了基于烟风耦合换热技术的新型节能复合式换热器的研究及应用，取得非常好的效果，这是全国330 MW机组低低温省煤器首次采用三维肋管换热(烟气-空气换热)。经过1年多时间的运行，对改造后烟气系统的运行性能和经济效益进行分析，可得到以下结论。

1)该方案不仅能够满足烟气的换热要求，提高锅炉效率，而且能够有效解决高硫燃煤炉的回转式空预器硫酸氢铵堵塞难题，提高电厂运行的可靠性。

2)三维肋管低低温省煤器干烧系统能将二次凝结的硫酸氢铵气化，使其在进入电除尘前凝结成水雾，与灰包裹，在进入电除尘后被净化，有效防止硫酸氢铵对三维肋管低低温省煤器的堵塞，换热管和管板无腐蚀，管内轻微积灰容易清洗。

3)经过经济性分析，新型节能复合式换热器改造后，电厂的实际节能收益巨大。

4)三维肋管低低温省煤器避免了传统的水媒介质低低温省煤器的易泄漏、堵塞，进而影响整个锅炉稳定运行的问题。采用三维内外肋管作为强化换热管可使得换热能力增强，其具有结构简单、运行可靠，维护方便，经济性能好等优点，是适合推广使用的新型应用技术，可为我国烟气换热器的创新性改造提供很好的借鉴。

5 问题及建议

1)因受改造条件限制，三维肋管低低温省煤器冷端只有烟气温度测点，无金属壁温监控，无法更好地摸索干烧经验。如在冬季或者低负荷时，三维肋管低低温省煤器出口烟温过低，三维肋管冷端段有发生腐蚀、堵塞的风险。增加金属壁温，可指导干烧，所以本设计还可进一步优化。

2)鉴于空间和投资有限，该电厂只能将三维肋管低低温省煤器在锅炉零米布置，造成烟风管道布置紧凑，顺畅度不佳，如有条件，最好将三维肋管低低温省煤器布置在6.3 m层，烟风阻力将进一步降低，同时有足够的维护空间。

6 结语

“十四五”期间，全国火电机组完成节能改造，到2025年，全国火电平均供电煤耗降至300 g标准煤/(kW·h)以下。本方案既能解决空预器堵塞，又能有效节约煤耗，值得全国推广使用。