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    • 某电厂空预器高效换热改造项目分析

          摘要:

          对某电厂锅炉尾部烟道空预器进行了三维肋管换热改造,改造后原有换热性能参数不变,换热面积大幅减小,管道积灰和腐蚀基本消除,达到了设备布置空间缩小的目的。证明了三维肋管是一种高效换热设备。

          1概述

          某电厂共有3台240t/h循环流化床锅炉,为满足超净排放要求,计划在尾部烟道增加选择性催化还原烟气脱硝SCR装置,而烟道内已无足够安装空间。因尾部烟道内原有的空预器已运行10年,腐蚀和磨损严重,决定通过采用高效换热技术对空预器进行整体更换改造,改造后空预器性能要求不变,高度和体积减小,从而在省煤器和空预器之间的烟道内腾出足够空间布置SCR装置。

          锅炉原有空预器采用普通钢管卧式布置,一、二次风各两回程,一次风空预器分冷、热两段,热段布置于省煤器后,冷段布置于二次风空预器后,二次风空预器布置于一次风空预器中间,整体布置高度10.2m。原空预器设计数据如下:空预器进口烟温289℃,出口烟温132℃,空预器进口烟气流量458200m3/h;一、二次风进口风温20℃,一次风出口风温211℃,二次风出口风温182℃。空预器一次风进口空气量140500m3/h,空预器二次风进口空气量93700m3/h。

          2空预器改造方案

          通过对几种新型的换热技术进行比较后,决定将空预器整体更换为三维肋片管换热器。三维内外肋片是在金属管内外壁采用刻切加工的方法而形成的,肋面是曲面与平直面的结合体,称之为三维肋化技术。

          2.1对三维肋管强化换热的分析

          (1)三维肋片扩大了传热面积,起到了强化传热的作用。

          (2)强化流体扰动达到湍流:在各个肋片截流扰动作用下,流体交替的扩张与收缩,使流体产生脉动及振动。非连续的交叉布置的三维肋片使流体边界层受到破坏,边界层的平均厚度大大减薄,流体产生横向二次流、翻越流、涡漩流、以及回流等,流动状态达到充分湍流,使得三维肋片管换热系数明显提高。

          (3)增加了管壁粗糙度:三维肋片管加工后的表面会形成微小的凸凹,粗糙度要高于初始表面,也能破坏流体边界层,强化换热。

          (4)增大了湍流对流换热系数:管内多层肋片增加湿周的同时,缩小了流通面积,减小了当量直径,而湍流对流换热系数α∝1/de0.2与当量直径成反比。

          (5)在管外布置的肋片会破坏流体绕流圆管时的流动边界层、分离区回流边界层,肋片将边界层截流成为了短节流,流体绕流外肋管时在壁面消除或减弱流动分离,降低了绕流脱体阻力。

          2.2三维肋管防积灰磨损分析

          通过对三维肋管内的流场和粉尘颗粒分布趋势分析,烟气流经肋片时所产生的在垂直方向上的翻越和水平方向上的绕流,对粉尘颗粒的流动有重要影响。

          流场和粉尘颗粒分布使得更多的粉尘颗粒远离壁面,进入管内中心区域,降低了壁面周边的粉尘浓度,避免了大面积积灰和对肋片的磨损;

          非连续肋片结构使烟气在肋间流动,对壁面存在冲刷,肋片表面和附近的积灰受到扰动无法附着,从而具有自清灰作用。

          管内断面烟气流速分布不均匀,由中心向周边呈现高流速、中流速、低流速等3个区域,肋片处于低流速区,在低粉尘浓度下肋片受到的冲刷磨损最轻。

          2.3三维管空预器方案介绍

          改造后空预器一、二次风在烟道内变为并列布置,两者的通流面积比例6:4,分为上下两级,上级管箱与下级管箱间留有800mm检查维护空间。三维管束采用立式布置,用57mm×2mm焊管加工制作,材质为Q235,烟气自上而下从管内流过;一、二次风空气从管外横掠,经两回程后与原有风道相接送入锅炉。整体安装高度5.8m,相比原来减小了4.2m的烟道空间。空预器在上管板以上安装200mm整流防磨管,防磨管周围浇筑耐火骨料,形成可长期不泄漏的防磨层。进口烟温289℃,出口烟温132℃,烟气气速度10.05m/s,空气速度10.45m/s,出口风温209℃。原一次风换热面积6020m2,二次风换热面积3320m2,改造后一次风换热面积2835m2,二次风换热面积1890m2,在相同空气风量的条件下,改造后的一次风空预器换热能力是原来的2.1倍,二次风空预器换热能力是原来的2.05倍。

          立式布置可最大限度降低积灰风险,再加三维肋管自清灰功能,可确保换热管不积灰,所以空预器不需要装设吹灰器。

          空预器换热管件三维肋管实际采用了变肋参数设计。在一、二次风空气进口区域,对管内烟气侧加工肋片强化传热,管外空气侧不加工肋片弱化传热,提高换热管管壁温度,控制空预器下部冷端最低管壁温度84℃以上,此温度远大于美国GE公司推荐的冷端平均温度导则提出的68.3℃这一安全温度,降低了低温腐蚀风险。

          2.4硫酸氢铵危害及消除措施

          超净排放改造后,可能出现氨逃逸,由于锅炉烟气中还存在SO2等气体,催化剂V2O5中的活性组分钒在催化降解NOx的过程中,也会对SO2的氧化起到一定的催化作用,使烟气中部分SO2氧化生成SO3(V2O5+SO2=V2O4+SO3),SO3与SCR脱硝过程中未反应的氨反应生成硫酸氢氨(NH3+SO3+H2O=NH4HSO4)。硫酸氢铵在147~220℃范围内呈浓稠的液态,具有较强的吸附性,导致飞灰流动性变差进而在空预器中沉降,造成空预器局部结垢、积灰、堵塞。部分堵塞的空预器管由于管内侧壁面附着含尘的硫酸氢铵垢层导致换热减弱,管壁温度降低,发生垢下腐蚀。部分空预器管堵塞后,烟气侧通流面积减小,局部烟气流速加大,将加剧对空预器管的磨损,磨穿后冷空气漏入,管壁温度降低,发生硫酸蒸汽结露,产生低温腐蚀。出现堵塞后烟气侧阻力增加或者腐蚀穿孔后空气漏入烟气中,会使引风机电耗增加。

          本次改造将空预器分割为8个独立通道,一、二次风各4个,配8个隔离挡板门,利用硫酸氢铵在220℃以上气化的物性特点,运行中定期切断某一通道空气,提高通道换热管管壁温度,使换热管表面沉积的硫酸氢铵气化分解,从而消除硫酸氢铵形成的结垢、积灰,消除堵塞。干烧时,待通道进出口烟温接近时,稳定20min(稳定时间可在运行中摸索优化),再开启隔离挡板门进行下一通道干烧。用PLC程序控制,每天依次、轮流干烧1次,确保不形成灰尘与硫酸氢铵的多层包裹,保持受热面清洁。

          改造后运行6个月,空预器各项参数满足运行要求。停炉检查,无积灰和磨损及腐蚀情况,完全达到预期效果。

          3结语

          三维肋片管对比普通钢管可以实现强化传热,换热能力和抗积灰能力更强,可以使换热设备更加高效和紧凑。相同换热要求下,可以减小换热面积,节省设备空间。反之,在相同换热面积下,可以达到更高的换热性能要求,具有广泛的社会适用性。

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