锅炉烟气余热相变换热器研究与应用

辛 亮，安 洋

(吉林吉长电力有限公司，吉林 四平 136001)

1 设备概况

吉林吉长电力有限公司2号锅炉是武汉锅炉厂设计、制造的WGZ-4109.8-10型自然循环汽包炉，采用平衡通风，锅炉烟气处理为两级除尘系统，一级为电除尘器，二级为布袋除尘器，锅炉设计排烟温度为167.9 ℃，经过多年运行，目前已达到210 ℃左右。由于机组建设时间较长,机组受场地制约,只能选择换热效率高的换热器,才能实现在有限空间内将排烟温度降低到预期目标，从而改善布袋除尘器的使用条件和使用寿命，同时达到对回收热量进行梯形利用的目的。

2 相变式换热器

2.1 技术原理

从余热回收热量的多少及提高电除尘效率等方面考虑，通常将余热回收系统布置在2个电除尘器入口烟道前，因现场烟道的位置、空间尺寸、降温幅度以及设计边界条件选取等方面问题，同时考虑有限空间可能导致烟道内流场不均，从而加快磨损等，此外因结构原因，在系统启停过程中会出现管道振动[1-2]。鉴于以上问题，同时考虑到其他电力企业低温省煤器存在的问题，为了确保机组运行的经济性和安全性，利用相变式换热器对烟气余热装置进行研究设计，形成新的系统。

本文借鉴热管的原理，设计开发微正压相变式换热器。相变换热器采取的两相流换热，当加热壁面的过热度较小时，壁面上没有汽泡产生，传热属于自然对流工况，即单相流状态[3-4]。随着壁面温度增加，壁面上汽化核心开始产生汽泡。在汽泡扰动下，边界底层热阻大幅减小，传热系数迅速提高，同时介质吸收潜热，热流密度急剧增大，这也是核态沸腾换热系数较单相流换热大几个数量级的原因[5-6]。

2.2 相变式换热器优点

a.通过调整进入烟道换热器工质的温度，来实现烟道换热器壁温的控制，既可解决低温腐蚀问题，也可最大限度回收余热。

b.由于传热效率高，相同边界条件下，换热器换热面积小，管间距增大，烟气流速降低，既解决了由于烟速过快而导致的磨损问题，又可提高效率，降低造价。

c.由于温度可调可控，换热器对钢材综合性能要求相对低，成本小。

d.相变换热器内的传热工质为有机物等混合物，即使发生泄漏，也可以气体状态随烟气进入脱硫吸收塔，不会发生换热器堵塞问题。

e.系统调整手段较多，可以根据负荷情况、煤的硫含量来调节进入烟道换热器的工质温度，从而调控烟气温度。

烟气余热回收利用系统见图1，锅炉尾部烟气余热回收装置采用的相变式换热器，通过采用有机工质作为中间介质，实现取热和放热。锅炉烟气余热回收通过2个回路实现，一个回路为工质回路，也称内回路或取热回路；另一个回路为冷凝回路，也称外回路或放热回路。内回路吸热段采用相变式换热器布置于烟道内，相变介质吸取烟气热量由液态变成气态，经导气管流入外回路；外回路放热段换热器单独布置在烟道外侧，气态介质在放热段换热器中放热，加热冷却水，相变介质冷凝成液态回储液罐，在工质泵驱动下往复相变循环。吸热段换热器与放热段换热器具有独立通道，相变介质作为中间介质实现热量的梯形转移利用。

图1 烟气余热回收利用系统

3 余热回收装置系统组成

2号机组烟气余热回收装置系统见图2，本装置由吸热段换热器及放热段换热器、工质系统、控制系统、凝结水、热网水管路系统和吹灰系统等6部分组成。

图2 2号机组烟气余热回收装置系统

3.1 吸热段换热器

该系统主要是吸收烟气的热量将锅炉排烟温度由210 ℃降至160 ℃(冬季)，锅炉左右烟道内部各布置1组烟道内部换热器，每组烟道内部换热器各由4组换热器构成，每组换热器出入口布置截止门，每组换热器出现问题时均能够独立切断与主系统的连接。同时，系统还配置了吹火器，定期清除受热面可能积存的干灰，确保受热面清洁，以保证设备高效的换热效果。吸热段换热器主要参数见表1。

表1 吸热段换热器主要参数

3.2 放热段换热器

放热段换热器由凝结水换热器、热网水换热器构成，型式为卧式、管壳式表面加热器。凝结水换热器、热网水换热器设计工况及主要数据汇总见表2—表4。

表2 凝结水换热器设计工况

表3 热网水换热器设计工况

表4 换热器主要数据汇总

3.3 相变工质系统

a.相变工质理化特性

外观与特性：无色透明液体,具有刺激性气味，腐蚀性较小；pH值：7.8～11.7(与设计有关)；熔点：-77～-10 ℃；沸点：65～96 ℃(与设计有关)；相对密度(水为1)：0.91～0.98；相对蒸气密度(空气为1)：0.6～0.87；临界压力：与设计有关。

b.稳定性和反应性

稳定性：稳定；禁配物：酸类、铝、铜；危险的分解产物：无。

c.环境影响

大气臭氧损耗潜能值(ODS)为零；全球温室效应潜能值(GWP)小于1。

d.其他

相变工质因在烟道换热器内实现单相流与两相流转换，其转换温度与系统压力及系统输入的热量有关，这些相关条件都应在设计中统筹考虑。

工质系统由工质泵、阀门、管道、吸热段、放热段、储液罐、液位计构成。工质泵共设置3台，2运1备，系统可以进行切换互供。流程如下：工质泵输送液态工质进入烟道内部吸热段换热器，工质吸热相变成气态通过管道输送进入放热段换热器(凝结水换热器和热网水换热器)，通过与凝结水、热网水换热后，工质由气态变成液态回流进入储液罐，完成工质系统的循环，此循环往复进行。

3.4 控制系统

3.4.1 烟气侧换热器出口烟气温度

出口烟气温度取决于烟道换热器的换热效果，因此关键是工质在换热器汽化过程，工质液位高度受负荷波动影响，需要控制工质泵的转速来控制液位，最终达到排烟温度：进口为200～210 ℃；出口为155～165 ℃。

3.4.2 冷凝侧换热器水量控制

降低烟气侧温度，关键是工质携带热量能否被冷凝侧吸收，凝结水量为决定条件。烟气换热器出口温度、烟气换热器液位高度、工质泵转速、凝结水量形成闭环回路，即烟气温度升高时，提高工质泵转速增加，工质流量携带更多的热量，同步增加凝结侧凝结水或热网回水流量，确保出口烟气温度在160 ℃左右，并且越低越好，但不能低于110 ℃。

3.4.3 其他保护设置

a.烟气换热器泄漏

烟气侧换热器泄漏保护设计主要是每组4个模块差压变化，低于平均值时设计成报警提醒功能。

b.外置换热器泄漏

凝结水或热网回水泄漏主要反映在储液罐液位，当液位突升时可判断换热器是否发生泄漏。

c.工质泵

当储液罐液位低于一定高度时停止工质泵运行；当工质泵电流、振动超过标准值也要停止工质泵运行。

3.5 凝结水、热网水管路系统

从1号入口引出的部分凝结水进入放热段凝结水换热器管程，吸收了工质带出的烟气热量，凝结水温度升高后回流至出口，完成外循环过程。冬季从热网循环泵引出部分热网水进入放热段热网水换热器管程，吸收了工质带出的烟气热量，热网水温度升高后回流至热网水母管混合，完成外循环。

4 结语

吉林吉长电力有限公司完成了2号锅炉尾部烟气余热回收装置改造。装置采用相变式换热技术，分为吸热段和放热段2部分。吸热段设置2组H型翅片式烟气换热器；放热段设置2组相变式换热器，释放出回收的热量。

冬季供热工况下，热网换热器及凝结水换热器均投入使用，回收余热全部用于 1号机组。锅炉蒸发量为256 t/h时，烟气换热器两侧烟气平均温降为51.6 ℃，烟气换热器总回收功率为6377 kW，等效1号机组热效率提高0.723个百分点,烟气余热系统总体影响供电煤耗降低2.76 g/kWh。夏季纯凝典型工况下，仅凝结水换热器投入使用，回收余热全部用于3号机组。锅炉蒸发量为373 t/h时，烟气换热器两侧烟气平均温降为51.8 ℃，总回收净功率为9801.3 kW，等效3号机组热效率提高0.776个百分点，供电煤耗降低3.15 g/kWh。

相变换热与单相流换热相比，其传热系数同比提高3～5倍，综合考虑烟道换热器换热管内外部因素，其综合传热系统为单相流换热的1.5～2.4倍。采用相变式换热器可以在有限空间内实现大幅度降温的效果。