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10－220t/h蒸汽锅炉低温腐蚀的实用技术 |
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| 10－220t/h蒸汽锅炉低温腐蚀的实用技术 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-26 20:01:17  |
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原电力学院能源工程系学术委员会主任
中源科扬节能技术有限公司高级顾问 孔祥谦教授
摘要：为了避免下级空气预热器由于结露所引起的堵灰和腐蚀，需要保证其金属受热面最低壁面温度高于燃料的酸露点温度，所以10－220t/h燃煤锅炉的设计排烟温度通常在147－165℃之间，高于一般煤燃料酸露点温度80℃以上。尽管如此，空预器最低壁面温度仍然只能达到85℃，仅高于酸露点温度10℃左右。所以在锅炉的实际运行中，空预器的低温腐蚀现象时有发生，给锅炉的安全运行带来严重隐患。
本文介绍了我们在实际工程中，通过应用复合相变换热技术，对空预器的最低壁温进行控制（设定并可调整），成功地将排烟温度控制在120℃以下，不仅保证空预器的最低壁面温度不低于95℃，同时还可以根据锅炉负荷、燃料含硫量、含水量的变化，使壁面温度实现自动调节。实践证明，应用复合相变换技术，不仅保证了空预器安全可靠、大大延长其使用寿命，同时还能够大幅度地降低锅炉排烟温度，节能效益显著。
关键词：蒸汽锅炉 低温腐蚀 酸露点 复合相变换热技术
锅炉的低温腐蚀
目前，我国国内应用锅炉的行业中，由于煤、石油、天然气等燃料中均含有硫，燃烧时通常会产生硫氧化物，硫氧化物与水蒸气结合后即形成硫酸蒸汽。当锅炉尾部受热面的金属壁面温度低于硫酸蒸汽的凝结点（称为酸露点），就会在其表面形成液态硫酸（称为结露）。长期以来，空气预热器的尾部受热面由于结露而引起的腐蚀时常发生，难以避免。以至于目前在锅炉设计时不得不通过提高排烟温度或使用传热极差的非金属材料（如搪瓷管）来缓解结露和腐蚀现象的产生，并没有从根本上解决问题。而单纯提高排烟温度又势必造成大量低温能源的浪费，无法进一步回收。尽管如此，空气预热器往往在运行一到两年后依旧会出现腐蚀，直至穿孔。这是一个世界性难题。
目前，中小型锅炉大多采用管式空气预热器，设计排烟温度居高不下。上世纪九十年代初，热管换热器曾在空预器改造中一度被推广，虽然一定程度上将排烟温度降低，但其尾部受热面的最低壁面温度仍会低于酸露点温度，不能避免结露导致的腐蚀，且热管普遍存在产生和积累不凝气体，逐渐老化，从而传热效率急剧下降。随着它的这些缺点不断被暴露，人们对应用热管换热器也采取了谨慎的态度。
常用的换热器
一般常用的换热器为管式换热器，其金属受热面最低壁面温度与热流体排放温度之间大致处于一种倍数关系，即排烟温度为140℃时相应的最低壁温仅为70℃左右。
对于热管换热器，“如果金属受热面壁面温度要求不低于77.8℃时，其排烟温度通常不得低于155℃，否则必然引起低温结露腐蚀”（参见顾维藻等著《强化传热》，科学出版社）；
上述换热器的壁温只能作为校核温度，也就是说，当运行工况因运行需要必须进行调整时，即便知道必然会发生低温腐蚀也无法避免，没有任何办法直接对壁温进行调整控制；
复合相变换热技术
复合相变换热技术是一个全新的换热技术，它采用了热管的原理，提出了“相变段”这一概念，开创了以“壁面温度”作为换热器最基本的设计参数这一新理念。从根本上解决了低温腐蚀难题。
“相变段”的概念是将原来热管换热器中一根根相互独立的热管，构造成整体热管。保证“相变段”受热面最低壁面温度只有微小的梯度温降。同时，利用“相变段”将被加热介质（如空气、水）的温度适当地提高。被预热了的空气可以保证下级空预器的安全，解决了低温腐蚀问题；被加热的水回收了烟气中的余热，实现了节能的目的。
通过“相变段”水量的调节，可以对受热面最低壁温面度实现闭环控制，实现了壁面温度的恒定和调高调低。
概括复合相变换热技术，其核心内涵在于：
（1）能够在锅炉的设计和改造中，大幅度降低烟气的排放温度，使大量的中低温热能被有效回收，产生十分可观的经济效益；
（2）在降低排烟温度的同时，保持金属受热面壁面温度处于较高的温度水平，远离酸露点的腐蚀区域，从根本上避免了结露腐蚀和堵灰现象的出现，大幅度降低设备的维护成本；
（3）实现了换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态，使复合相变换热器能够在相当大幅度内，适应锅炉的各种品种以及传热负荷的变化，使排烟温度和壁温保持相对稳定；
（4）保留了热管换热器所具有的高效传热同时，排除不凝气体，大大延长了设备的使用寿命。
复合相变换热技术的应用
福建凤竹集团是福建省最大的针织漂染专业厂家和针织品生产基地。集团总资产近5亿元。水、电、汽及污水处理等基础设施配套齐全。该集团公司十分重视节能环保，先后获得环境保护设施运营资质证书和“全国乡镇环境保护先进单位”等多项荣誉。
以2001年福建凤竹纺织科技股份有限公司新购置的40t/h循环流化床锅炉为例，设计排烟温度在154℃。以其燃煤的酸露点在80℃左右考虑，以上的锅炉所设计的排烟温度是合理的。
福建凤竹纺织科技股份有限公司结合应用复合相变换热技术改造前二台锅炉的经验，为提高锅炉的运行安全和运行效率，再次在新购置的40t/h循环流化床锅炉应用了该技术。
提出以下运行参数和要求：
1、 省煤器出口进入复合相变换热器的烟气温度为245℃，排烟温度低于130℃；
2、 相变换热器出口热风温度不低于140℃；
3、 相变换热器受热面壁面温度不低于100℃；
4、 相变换热器受热面不发生结露以及结露引起的腐蚀；
5、 相变换热器烟/空气侧阻力不大于或略大于普通换热器的标准；
6、 设备使用寿命在6年以上（年连续运行时间不少于8000小时）
我公司根据用户要求，为其设计了一台复合相变换热器。设计参数如下：
项目 数值 项目 数值
锅炉蒸发量 40 t/h
空气流量 45230Nm3/h 烟气流量 50630Nm3/h
空气入口温度 20℃ 空气出口温度 145℃
烟气入口温度 252℃ 烟气出口温度 125℃
水入口温度 40℃ 水出口温度 76℃
水流量 11.7 t/h
燃料含硫量 ≤1%
烟气酸露点 ≤83℃
受热面最低壁温 ≥102℃
考虑到这种节能设计方案必须将回收的能量利用，提高锅炉热效率，我们在原锅炉系统的基础上进行了改进：（如下图）
系统布置：
应用复合相变换热技术的经济效益
仍以2001年福建凤竹纺织科技股份有限公司新购置的40t/h循环流化床锅炉为例，应用复合相变换器取得的直接经济效益情况分析计算如下：
1．换热器回收热量Qg
式中Vg＝50630 Nm3/h，为蒸气产量为40t/h时的烟气流量；
ρg＝1.295 kg/Nm3，为烟气密度；
Cpg＝1.12 kJ/(kg℃)，为烟气比热；
t1为普通锅炉设计排烟温度；
t2为使用复合相变换热器后的排烟温度；
为设备保热系数，可取0.92。
所以Qg＝50630×1.295×1.12×(160－125)×0.92 / 3600＝ 656.8kw
2．每年节煤量Gc
式中Qg＝656.8kw，为回收热量的千瓦数；
Qp＝5000大卡/kg，为煤的发热量；
ηk＝78％，为锅炉效率；
860[大卡/(千瓦时)]为单位转换系数；
HR为设备每年运行时数，即8000小时。
所以Gc＝860×656.8×8000 / (5000×0.78)＝1158705 kg/年＝1159吨/年。
经过几年对节能效果的校核，计算的节能量与实际运行的节能量基本一致。
用户报告
2003年福建凤竹集团有限公司出具的用户报告如下：
我集团公司自1999年起先后在三台锅炉上运用了九江科洋公司（中源科扬节能技术有限公司前身 编者）的《复合相变换热器》，替代原设计的管式空气预热器。
复合相变换热器在锅炉上，长期运行表明：
安全、稳定、可靠，至今未发生任何结露、灰堵、腐蚀、穿孔等现象，未经过任何一次维修。2002年3月，打开最早一台（1999年9月起运行）的25t/h锅炉烟道的人孔观看，未见任何腐蚀和积灰现象，磨损相当轻微。
前两台锅炉运行的日记表明：排烟温度始终维持在120℃－125℃之间；热风温度完全达到设计要求，≥140℃；尾部受热面的最低管壁温度稳定地保持在100℃左右，且根据需要可调高调低；烟风道阻力正常。完全达到设计指标和经济运行指标的要求。
第三台锅炉于2002年5月份正式运行，排烟温度为120℃－125℃，管壁温度≥95℃，可以调控且调控方便，热风温度达到设计要求，≥151℃。
复合相变换热器的设计值及运行值比较：
序号 项目名称 单位 设计值 运行值
1 烟气流量 NM3/h 53446
2 空气流量 NM3/h 45230
3 进口烟气温度 ℃ 252
4 出口烟气温度 ℃ 125 123
5 进口空气温度 ℃ 20
6 出口空气温度 ℃ 144 151
7 阻力损失 空气侧/烟气侧 Pa ≤450/500
8 受热面最低壁温 ℃ 100 95
2003年2月，福建凤竹纺织科技股份有限公司再次将复合相变换热器应用在新购置的2台600万大卡/小时的导热油炉上。对于一般导热油炉而言，由于被加热介质的温度在260℃左右，所以造成设计排烟温度无法降低，往往超过230℃。
2003年10月28日出具的用户报告如下：
我集团公司于2003年2月，在两台600万大卡/小时的导热油炉上采用了九江科洋热技术设备有限公司（中源科扬节能技术有限公司前身 编者）的《复合相变换热器》设备，现已运行8个月。经我公司2003年10月22－23日测定有关参数如下：
检测项目 1号炉 2号炉
入口烟温 246℃ 245℃
排烟温度 120℃ 118℃
最低管壁温度 98℃ 103℃
热风温度 136℃ 140℃
各指标全部达到或超过设计值，至今未发生一次故障，未发生结露、腐蚀、灰堵现象。
导热油炉：
序号 项目名称 单位 数值
1 烟气流量 NM3/h 16292
2 空气流量 NM3/h 13300
3 进口烟气温度 ℃ 245
4 出口烟气温度 ℃ 119
5 进口空气温度 ℃ 20
6 出口空气温度 ℃ 138
7 阻力损失 空气侧/烟气侧 Pa ≤245/482
8 受热面最低壁温 ℃ 100
结论
福建凤竹集团自1999年开始在自备电站25t/h锅炉采用复合相变换热器技术，五年来连续改造安装了7台(自备电厂锅炉25吨、35吨、40吨、50吨各一台，600万大卡导热油炉3台)。前三年，用户自己测量平均每台锅炉年节约燃煤为1244吨，估算年综合节能效益约400余万元；
福建凤竹纺织科技股份有限公司通过应用复合相变换热技术，证明了220t/h以下蒸汽锅炉设计排烟温度完全可以低于120℃，不仅从更从根本上解决了低温腐蚀难题，还可以带来可观的经济效益和社会效益。
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