真空热管低温省煤器在循环流化床机组的应用

张 跃，谢庆亮，但振宇，任 磊，黄前锋，邓志玮

（1.福建龙净环保股份有限公司，福建龙岩 364000；2.国家电投集团江西电力有限公司分宜发电厂，江西新余 336600；3.国家电投集团江西电力工程有限公司，江西南昌 330096）

0 引言

大型循环流化床锅炉排烟温度高，锅炉热效率下降，机组发电标煤耗高、碳减排压力大是当前的突出问题。其中，排烟温度高还会导致布袋除尘器效率及使用寿命下降，影响布袋除尘器的安全运行，也会导致脱硫耗水量高，脱硫能耗、物耗高的问题。

目前常见的管壳式低温省煤器，很难适应循环流化床尾气的大粒径烟尘颗粒冲刷，其换热管容易被磨损，换热管一旦被磨穿将导致冷却水泄漏，从而导致烟风系统堵塞，甚至可能会危及除尘器的安全运行。如何在取得经济效益的同时，提高设备的安全性、可靠性，已成为一个亟需解决的技术问题。

据统计，目前国内燃煤机组配套的低温省煤装置在设备投运后3 年内会出现不同程度的磨损而造成的泄漏。常规低温省煤器大部分是布置在除尘器前烟道的管壳式换热器，这种布置形式的换热器一旦发生泄漏，将对后端的除尘器安全运行造成极其恶劣的影响：

（1）换热管由于发生磨损泄漏，管内冷却水进入烟道内，从而造成烟道堵灰，甚至冷却水进入到除尘器或者灰斗内，影响机组的安全运行。

（2）换热器泄漏后对换热管排的隔离，造成低温省煤器换热面积大量减少，从而影响机组的节煤效益。

（3）局部发生泄漏的烟道由于积灰造成烟气阻力变大，从而使引风机的电耗增加，甚至风机失速[1]。

鉴于大型循环流化床锅炉的烟尘粒径较大，磨损性较强，采用低温省煤器进行节能减排的成功应用案例较少。但是，随着碳配额与碳交易的实施，机组容量相对较低、煤耗较高的循环流化床锅炉将面临越来越大的碳减排压力。因此，一种实现高效换热、冷却水零泄漏的真空热管低温省煤器技术将为国内循环流化床锅炉的节能减排改造提供很好的借鉴。

1 技术原理

真空热管低温省煤器是以重力式热管为基础换热单元，集成制作的真空热管换热器（重力式热管又称两相流虹吸管），在结构上分为蒸发侧、绝热段和冷凝侧（图1）。它是热能工程中应用最广泛的一种换热管，通过在全封闭真空腔管内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等优点。真空热管主要工作过程包括4 个方面[2]：

图1 真空热管换热器工作原理

（1）重力热管的蒸发侧放置于高温流体端，通过源源不断地吸收流经蒸发侧外部热流体的热量，并通过管壁传递给管内工质。

（2）在吸收蒸发侧外部热流体的热量之后，管内工质发生相变、由液态变成蒸汽态。

（3）蒸发侧内部工质吸收热量蒸发之后，沿着热管上升穿过绝热段、进入冷凝侧，与冷凝侧外部的冷流体通过管壁进行热交换，实现对冷流体的加热。

（4）在冷凝侧对冷流体进行加热之后，由于释放自身热量，管内部工质冷凝后变回液态，在重力的作用下回到蒸发侧重新吸热蒸发，周而往复、持续传递热量（图1）。

真空热管低温省煤器不仅换热效率高，同时由于其冷却水和烟气在空间结构上分别从真空热管换热器的上、下部分别流过，烟气和冷却水之间由绝热段的管板分隔，烟气和冷却水两种换热介质在不同的密封结构内不会出现“串漏”现象，可以实现冷却水在烟道中的“零泄漏”优点。与常规管壳式换热的低温省煤器不同，真空热管换热器的每根热管都是独立的换热元件，当某根真空热管在烟气侧发生磨损或腐蚀情况，只有单根真空热管内极少的管内工作介质泄漏进入烟道，并在烟气的高温下快速汽化蒸发，而水侧的冷却水不会进入烟道。常规的管壳式低温省煤器中各换热管之间连通在一起并置于烟道内部，同时换热管内部流通有源源不断的冷却水，一旦换热管被磨损或腐蚀，管内的冷却水将源源不断地流入烟道，堵塞烟道、影响机组安全。因此，以重力式热管为基础换热单元的真空热管低温省煤器，可避免管壳式换热管低温省煤器泄漏造成的烟道堵塞、电除尘排放超标及灰斗堵灰等影响机组运行的问题。

2 工程应用

江西某电厂是一座有着55 年历史的老厂，厂内现有330 MW 循环流化床燃煤机组，经过多年的运行，其稳定性及经济性日益落后。2022 年，为提高机组的经济性、延长布袋除尘器的使用寿命，电厂与国内某环保龙头企业合作开发的真空热管低温省煤器，并在该厂的9 号机组落地。

2.1 工程现状

该9 号机组为国内首台国产化循环流化床锅炉的示范点，具有所有循环流化床锅炉的弊端，锅炉的排烟温度高、热效率低，并且随着国家双碳行动的逐步深入，企业碳减排压力逐步增大，这些成为厂内技改工作中迫切需要解决的技术难题。锅炉排烟温度高还导致布袋除尘器效率及使用寿命下降，影响布袋除尘器的安全运行，导致脱硫耗水量高，进而出现脱硫能耗、物耗高的问题。项目改造前，该厂锅炉后布袋除尘器长期工作在180 ℃左右，布袋的使用寿命降低。同时，由于夏季环境温度高、负荷高，机组不得不解列高加运行，造成煤耗增加，影响机组的安全性。因此，厂内急需一种安全可靠的降低锅炉排烟温度的技术手段，来降低锅炉排烟温度、提高机组运行的安全性。

2.2 改造方案

针对锅炉高排烟温度的特征，本项目在布袋除尘器前布置真空热管低温省煤器，有效降低布袋除尘器工作温度。真空热管低温省煤器有零泄漏的特点，杜绝了传统低温省煤器因循环冷却水泄漏而导致的烟风系统堵塞情况。

本次改造采用双路取水、一路回水的工艺路线，低温省煤器主体换热器采用具有零泄漏特性的真空热管装置。由于机组炉后烟道可利用空间较小，无法使用常规真空热管换热器的布置方案。厂内技术主管与设备厂家多次组织现场场地踏勘，经组织专家论证后确定的技术方案为：采用了一种适用于竖直烟道有限空间的创新型斜置式真空热管低温省煤器，将其倾斜布置在布袋除尘器入口的竖直烟道上，在实现高效换热的同时减少现场场地的占用率（表1）。

表1 真空热管低温省煤器的设计参数

2.3 运行效果

经过近3 个月的施工安装及调试，该真空热管低温省煤器在2022 年下半年正式投运，第三方检测设备的运行测试数据见表2。受电网调峰影响，该机组常年运行在低负荷段，因此本次测试是按照当年9 号机组发电计划，在计划负荷的最高峰值（165 MW）开始进行测试。从表2 可知，真空热管换热器甲、乙侧进口烟气的实测温度分别为159.6 ℃、147 ℃，温度场分布均匀性分别为3.3%、2.1%；甲、乙侧出口烟气实测温度分别为121.0 ℃、126.6 ℃，温度场分布均匀性分别为9.4%、0.9%；甲乙侧测试断面间降温幅度分别为38.6、20.4 ℃，平均降温幅度为29.5 ℃，性能参数优于设计值。

表2 真空热管换热器烟气温度测试数据

2.4 经济效果评价

本工程的成功投运，保证了布袋除尘器始终工作在安全运行参数状态下，产生极为可观的经济效益：

（1）通过真空热管低温省煤器对烟气进行有效降温，实现烟气余热利用，节煤量达到每千瓦时1.1 g（标准煤）以上，单台炉年总收益72 万元（有效利用2000 h，标煤价1000 元/吨），提升了锅炉的经济运行效果。

（2）改造前，每年夏季机组不得不退出高加运行，以降低排烟温度，按照35 d（有效负荷率75%）计影响煤耗约166 万元，通过本改造可保证机组的正常稳定运行、无需高加解列，产生正收益166 万元。

（3）原布袋除尘器由于长期处在高烟温下工作，布袋更换频率高，大约每3 年更换一次布袋，费用约380 万元，年平均更换布袋费用为127 万元；改造后布袋使用寿命延长，预计每5 年更换一次，年平均更换布袋费用为76 万元，年节省更换布袋费用可达51 万元。

在本工程项目实施后，以上各项合计可以每年创造经济效益289 万元以上，经济效果显著。

3 结束语

近两年，在“双碳”效应刺激下，节能减排、超低排放在非电行业以及未完成超净改造的煤电机组中，又掀起了一波小高潮。通过在江西某电厂在狭小空间内布置热管型低温省煤器的工程应用，为国内循环流化床类型机组烟气余热利用装置的安全运行技术升级改造提供示范。目前国内各级地方政府已将环保改造的重点对准了当地钢铁、焦化等非电行业，本工程的成功投运对非电行业烟气余热利用的换热器更新迭代也具有重要的参考意义。因此，本项目的真空热管低温省煤器成功应用，具有明显的经济效益和社会效益。