為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的嚴(yán)格要求，國(guó)內(nèi)諸多燃煤電廠鍋爐的尾部煙氣排放系統(tǒng)正面臨更新改造。但從運(yùn)行實(shí)際效果看，無(wú)論是煙氣-煙氣換熱器（GGH）、蒸汽-煙氣換熱器（SGH）還是熱媒煙氣-煙氣換熱器（MGGH）等很少能夠真正有效防止低溫?zé)煔舛说乃崧陡g現(xiàn)象，因而不得不采用昂貴的耐腐蝕合金材料作為換熱元件，增加了電廠的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，影響煙氣潔凈排放技術(shù)的推廣。而我公司研發(fā)的新型水媒煙氣-煙氣換熱WGGH系統(tǒng)則有效的解決了這些問(wèn)題。
       1.系統(tǒng)簡(jiǎn)介。
       我公司研發(fā)的新型水媒煙氣-煙氣換熱WGGH系統(tǒng)見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)主要由原煙氣放熱器、凈煙氣再熱器、熱媒水補(bǔ)熱系統(tǒng)以及相應(yīng)的管道、閥門、水泵等組成。

圖1：新型水媒煙氣-煙氣換熱WGGH系統(tǒng)圖

       2.技術(shù)原理。
       （1）原煙氣放熱器回收煙氣余熱。
       眾所周知，鍋爐空氣預(yù)熱器出來(lái)的煙氣溫度普遍較高。很多電廠的空預(yù)器出口煙溫高于120℃（BMCR工況），這其中有很大的余熱回收的潛力。經(jīng)過(guò)計(jì)算研究，我們決定采用加裝原煙氣放熱器的方式，可以將煙氣溫度由120℃以上降低到90℃左右，回收的熱量用來(lái)加熱閉式循環(huán)水，將水溫由70℃加熱到100℃左右。原煙氣放熱器布置在鍋爐引風(fēng)機(jī)出口、脫硫塔進(jìn)口之間煙道上。有些電廠選擇將原煙氣放熱器安裝在電除塵前的煙道上。
       （2）凈煙氣再熱器將煙氣升溫。
       從濕式電除塵出口出來(lái)的凈煙氣溫度比較低，只有40-50℃（BMCR工況），如果直接經(jīng)煙囪排放，會(huì)容易對(duì)煙囪造成腐蝕，同時(shí)煙氣排放指標(biāo)肯定無(wú)法達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。所以我們采用在濕式電除塵出口與煙囪之間的煙道上加裝凈煙氣再熱器，利用在原煙氣放熱器中被加熱過(guò)的閉式循環(huán)水來(lái)將濕式電除塵出口的煙氣加熱升溫，使煙溫升高到-78℃以上。這樣就通過(guò)閉式循環(huán)水為媒介，將原煙氣的熱量傳遞給了凈煙氣。
       （3）鍋爐低負(fù)荷工況進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)熱。
       鍋爐出口煙氣溫度隨著機(jī)組負(fù)荷變化，也隨著外界環(huán)境溫度變化，當(dāng)冬季機(jī)組負(fù)荷低于70%時(shí)，有可能鍋爐出口煙氣溫度低于100℃，此時(shí)原煙氣放熱器回收的煙氣熱量不足以將脫硫后的凈煙氣加熱到78℃以上，為了保證將脫硫后的凈煙氣加熱到78℃以上，同時(shí)保證WGGH不會(huì)發(fā)生煙氣低溫腐蝕，就需要設(shè)計(jì)補(bǔ)熱系統(tǒng)。
       3.使用效果。
       從已投運(yùn)的實(shí)際情況來(lái)看，本系統(tǒng)應(yīng)用于電廠后主要會(huì)產(chǎn)生以下積極的效果：
       （1）提高煙囪凈煙氣的排放溫度，使其由40-50℃提高到～78℃，消除石膏雨及煙囪冒白煙現(xiàn)象。
       （2）同利用蒸汽加熱脫硫后的凈煙氣達(dá)到78℃以上的技術(shù)方案比較，本W(wǎng)GGH系統(tǒng)能降低機(jī)組煤耗1.2克/千瓦時(shí)以上（以圖中的參數(shù)為例）。一臺(tái)1000兆瓦機(jī)組每年節(jié)約鍋爐燃煤6000噸標(biāo)煤以上，節(jié)煤經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)每年400萬(wàn)元。具有明顯的節(jié)能效益。
       （3）明顯降低脫硫水耗。因?yàn)闈穹摿虻淖罴褵煔鉁囟葹椤?0℃左右。如果沒(méi)有加裝WGGH，煙氣直接從空氣預(yù)熱器出來(lái)的溫度為120℃-130℃，然后進(jìn)入脫硫塔，而加裝WGGH后煙氣以80℃-90℃的溫度進(jìn)入脫硫塔，很明顯這要比煙氣以120℃-130℃的溫度進(jìn)入脫硫塔少噴很多水即可實(shí)現(xiàn)將煙氣溫度降低到～50℃左右。經(jīng)計(jì)算，對(duì)于1000兆瓦鍋爐機(jī)組來(lái)說(shuō)，加裝WGGH后可以減少脫硫水耗40-50噸/小時(shí)，節(jié)水效果顯著，尤其是對(duì)于北方干旱缺水地區(qū)更顯重要。
       （4）實(shí)現(xiàn)了氣氣換熱過(guò)程的煙氣零泄漏，提高脫硫效率。而傳統(tǒng)的GGH工藝中的煙氣，由原煙氣側(cè)向凈煙氣側(cè)泄漏，會(huì)降低系統(tǒng)的脫硫效率。
       （5）提高煙氣排放溫度，減輕煙囪鈦合金材料腐蝕，減少維修費(fèi)用，延長(zhǎng)煙囪的使用壽命。
       二、關(guān)鍵技術(shù)
       1.防止低溫腐蝕的關(guān)鍵技術(shù)研究。
       （1）WGGH原煙氣放熱器最低出口煙氣溫度研究。
       WGGH原煙氣放熱器類似于低溫省煤器，低溫腐蝕的關(guān)鍵是控制煙氣結(jié)露。只要傳熱管金屬壁溫高于煙氣結(jié)露溫度，就不會(huì)發(fā)生煙氣結(jié)露現(xiàn)象，當(dāng)然就不會(huì)出現(xiàn)煙氣低溫腐蝕。經(jīng)我們研究發(fā)現(xiàn)，煙氣結(jié)露溫度與煤種含硫量、含水量關(guān)系最為密切，后面闡明的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和煙氣露點(diǎn)溫度計(jì)算方法詳細(xì)說(shuō)明這一關(guān)系，本節(jié)僅僅說(shuō)明原煙氣放熱器的最低煙氣出口溫度取值結(jié)論。
       對(duì)于含硫量低于1%的煙煤，原煙氣放熱器的最低煙氣出口溫度取值可以到80℃，運(yùn)行安全可靠，設(shè)備造價(jià)也不是很大，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性都可以接受。上海某電廠1000兆瓦機(jī)組的運(yùn)行DCS截圖見(jiàn)圖2。

圖2：上海某電廠1000兆瓦機(jī)組低溫省煤器運(yùn)行參數(shù)（左圖）及600兆瓦機(jī)組低溫省煤器運(yùn)行DCS截圖（右圖）

       圖2可見(jiàn)，上海某電廠1000兆瓦機(jī)組低溫省煤器在部分負(fù)荷煙氣出口溫度達(dá)到83℃，運(yùn)行5年沒(méi)有出現(xiàn)低溫腐蝕。上海某電廠600兆瓦機(jī)組低溫省煤器在額定負(fù)荷煙氣進(jìn)口溫度139℃，出口煙氣溫度降低到83℃，運(yùn)行1年沒(méi)有出現(xiàn)低溫腐蝕。
       煙氣低溫腐蝕的關(guān)鍵是控制傳熱管最低金屬壁溫，對(duì)于含硫量低于1%的煙煤，傳熱管最低金屬壁溫要求控制在70℃以上，設(shè)計(jì)10℃的傳熱端差，所以原煙氣放熱器的最低煙氣出口溫度取值可以到80℃。
       （2）煙氣露點(diǎn)溫度計(jì)算公式。
       煙氣露點(diǎn)溫度的計(jì)算和煤種關(guān)系密切，表1列出了3種典型煤種資料以及相應(yīng)的煙氣露點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果。

表1：煤種資料

       鍋爐熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中列出的煙氣露點(diǎn)溫度計(jì)算公式有下面2 種存在爭(zhēng)議的表達(dá)公式:
       
       
       式中：
       tld：煙氣露點(diǎn)溫度，℃；tsld：煙氣水露點(diǎn)溫度，℃；S∏：燃料的折算硫分，%；A∏：燃料的折算灰分，%；αfh：飛灰占總灰的份額，%。
       公式1分母呈現(xiàn)乘積的形式,稱為乘積型公式;公式2分母呈現(xiàn)指數(shù)的形式,稱為指數(shù)型公式。
       這2個(gè)計(jì)算公式都有學(xué)者認(rèn)可和應(yīng)用。可能這2個(gè)公式適合于鍋爐設(shè)計(jì)，但不適合于本可行性研究中的低溫省煤器，因?yàn)楸究尚行匝芯恐械牡蜏厥∶浩魑挥陔姎獬龎m器之后，煙氣中的灰分被除去了99%，再用鍋爐煤種中的灰分含量計(jì)算，不符合實(shí)際情況。但用實(shí)際煙氣中的灰分含量，計(jì)算出的煙氣露點(diǎn)溫度會(huì)高達(dá)1000℃以上，顯然不準(zhǔn)確，所以公式（1）和公式（2）都不適合于本可行性研究中的低溫省煤器。
       匯總2007年所做的鍋爐煙氣低溫腐蝕模擬試驗(yàn)和2011年所做的鍋爐煙氣低溫腐蝕現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以及十多年來(lái)的鍋爐低溫受熱面煙氣低溫腐蝕研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了適合于本可行性研究中的低溫省煤器的煙氣露點(diǎn)溫度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式：
       t1d=tsld+10+38-Ah(A∏)0.6  （1）
       其中：t1d：煙氣露點(diǎn)溫度，℃；tsld：煙氣水露點(diǎn)溫度，℃；S∏:燃料的折算硫分，%；A∏：燃料的折算灰分，%；Ah：管壁積灰系數(shù),除塵器前取值3,除塵器后取值1。
       （3）WGGH凈煙氣再熱器低溫腐蝕研究。
       凈煙氣再熱器（WGGHH）的低溫腐蝕在煙氣進(jìn)口的低溫段最為危險(xiǎn)，尤其是進(jìn)入凈煙氣再熱器（WGGHH）的煙氣含濕量比較大時(shí)，這些煙氣中的水分就相當(dāng)于煙氣結(jié)露，可能造成嚴(yán)重的低溫腐蝕。
       解決凈煙氣再熱器（WGGHH）低溫腐蝕的研究思路是：盡管煙氣中含有水分，但當(dāng)這些水分碰撞在傳熱管上時(shí)，馬上蒸發(fā)變?yōu)檎羝沟脗鳠峁苌喜粫?huì)有水滴黏附，同時(shí)后續(xù)傳熱面上不會(huì)發(fā)生煙氣結(jié)露造成低溫腐蝕問(wèn)題。
       所以凈煙氣再熱器（WGGHH）的低溫腐蝕從上述兩個(gè)方面考慮。
       1）低溫段煙氣中的水分蒸發(fā)。
       由于煙氣中的水露點(diǎn)溫度為48℃，當(dāng)?shù)蜏囟蝹鳠峁芙饘俦跍馗哂?5℃時(shí)，煙氣中的水分碰撞到傳熱管金屬表面后，會(huì)馬上蒸發(fā)變?yōu)檎羝Ｒ簿褪钦f(shuō)當(dāng)傳熱管壁溫低于58℃，煙氣中的水蒸氣會(huì)凝結(jié)結(jié)露到管壁上；當(dāng)傳熱管壁溫高于75℃，煙氣中的水分會(huì)在碰撞到管壁上的瞬間蒸發(fā)。
       設(shè)計(jì)凈煙氣再熱器（WGGHH）的低溫段進(jìn)水溫度為105℃，出水溫度為101℃，凈煙氣進(jìn)口溫度48℃，凈煙氣出口溫度52℃。
       凈煙氣再熱器（WGGHH）低溫段的傳熱溫差為103℃-50℃=53℃；
       凈煙氣再熱器（WGGHH）低溫段的傳熱系數(shù)為2000～40w/m2℃（在水分蒸發(fā)傳熱的工況、傳熱系數(shù)為-2000w/m2℃；在水分蒸發(fā)完成后的干煙氣傳熱的工況、傳熱系數(shù)為～40w/m2℃）。
       所以當(dāng)凈煙氣中的水分含量符合設(shè)計(jì)給出的70毫克/標(biāo)立方米時(shí),水分完全蒸發(fā)后凈煙氣溫度再升高3℃,凈煙氣吸熱量：
       當(dāng)凈煙氣中的水分含量超出設(shè)計(jì)給出的70毫克/標(biāo)立方米達(dá)到500毫克/標(biāo)立方米時(shí), 水分蒸發(fā)后煙氣溫度可以升高～3.5℃，水分蒸發(fā)吸熱量和煙氣升溫吸熱量：500×10-6×600×4.1868+0.33×3×4.1868=5.4 kJ/Nm3( 計(jì)算中的前一項(xiàng)代表水蒸發(fā)吸熱量，后一項(xiàng)代表煙氣升溫吸熱量)；
       由于在煙氣中的水分蒸發(fā)傳熱的工況、傳熱系數(shù)為～2000w/m2℃，在水分蒸發(fā)完成后的干煙氣傳熱的工況、傳熱系數(shù)為～40w/m2℃。而實(shí)際運(yùn)行中的低溫段，這兩個(gè)傳熱過(guò)程交織在一起，可能水分在煙氣中的不均勻性會(huì)對(duì)傳熱起很大作用，使得計(jì)算難以準(zhǔn)確進(jìn)行。但可以肯定的是：只要有水分，蒸發(fā)過(guò)程非常快速，所以保證凈煙氣中的水分完全蒸發(fā)難度不大，但要準(zhǔn)確計(jì)算低溫段出口煙氣溫度比較困難。
       通過(guò)上述分析計(jì)算可以看出，按照水分完全蒸發(fā)后凈煙氣溫度再升高3℃設(shè)計(jì)低溫段，能保證在凈煙氣中的水分含量達(dá)到500毫克/標(biāo)立方米時(shí)完全蒸發(fā)。
       由于低溫段畢竟在煙氣中含有水分，類似于煙氣已經(jīng)結(jié)露，所以設(shè)計(jì)保證低溫段完成煙氣中的水分完全蒸發(fā)，給后續(xù)傳熱面積提供穩(wěn)定的設(shè)計(jì)工況，同時(shí)低溫段采用高一檔的254smo不銹鋼材質(zhì)。
       綜合起來(lái)，低溫段設(shè)計(jì)控制低溫腐蝕的措施為：
       第一：控制傳熱管金屬壁溫高于75℃；
       第二：采用254smo耐腐蝕不銹鋼。
       2）中溫段和高溫段的煙氣低溫腐蝕。
       中溫段和高溫段的煙氣已經(jīng)變?yōu)楦蔁煔猓紤]低溫腐蝕的控制措施類似于原煙氣放熱器，同樣考慮到?jīng)]有經(jīng)驗(yàn)和把握，設(shè)計(jì)中采用提高材料檔次的方法解決低溫腐蝕問(wèn)題。
       對(duì)于傳熱管壁溫高于85℃的高溫段，采用ND耐酸腐蝕特種鋼傳熱管；
       對(duì)于傳熱管壁溫在75～85℃之間的中溫段，采用316L不銹鋼傳熱管。
       2.WGGH防積灰技術(shù)研究。
       WGGH的積灰主要發(fā)生在原煙氣放熱器側(cè)，而凈煙氣再熱器側(cè)由于流經(jīng)的是相對(duì)干凈的煙氣，可以忽略其積灰。所以此處討論的方積灰技術(shù)主要是指針對(duì)原煙氣放熱器側(cè)的。
       鍋爐受熱面的積灰是難免的，關(guān)鍵是要控制積灰的量，判斷積灰是否嚴(yán)重的的標(biāo)準(zhǔn)是：
       第一：不影響傳熱性能，能達(dá)到預(yù)期的傳熱效果；
       第二：煙氣阻力沒(méi)有超出設(shè)計(jì)值，不影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行。
       經(jīng)過(guò)研究分析，防積灰措施有以下幾點(diǎn)：
       1）選取合理煙氣流速，保證具有一定的自清灰功能。查閱相關(guān)資料并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為將煙氣流速設(shè)計(jì)值控制在9-11米/秒比較合適，流速太低容易積灰，流速太高會(huì)導(dǎo)致煙氣阻力太大并容易磨損設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件。
       2）采用換熱管順排布置，有利用清灰。傳熱管順列布置的方式要比錯(cuò)列布置更容易使煙氣通過(guò)。
       3）選擇合適的吹灰器型式，并在模塊之間優(yōu)化布置吹灰器，確保吹到全部傳熱管束，避免吹灰死角。目前可以用于WGGH吹灰的設(shè)備主要有蒸汽吹灰器、聲波吹灰器、燃?xì)饧げù祷移鞯取＝?jīng)過(guò)到不同的生產(chǎn)廠家以及電廠走訪調(diào)研，總結(jié)出不同類型的吹灰器優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2：不同類型的吹灰器的優(yōu)缺點(diǎn)

       綜合考慮上述三種吹灰器的優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合我們的經(jīng)驗(yàn)以及考慮安全因素，我們認(rèn)為選用蒸汽吹灰器效果更好。為了保證吹灰效果，我們將蒸汽吹灰器布置在原煙氣放熱器的傳熱管束中間與傳熱管長(zhǎng)度方向平行。由于煙道尺寸較大，所以必須選用可伸縮的旋轉(zhuǎn)式蒸汽吹灰器。
       3.WGGH最佳補(bǔ)熱技術(shù)研究。
       WGGH的煙囪入口煙氣溫度僅僅是保證煙氣有效擴(kuò)散，保護(hù)環(huán)境。從煙氣有效擴(kuò)散的角度出發(fā)，一般煙氣溫度在78～80℃之間，就能有效擴(kuò)散，結(jié)合當(dāng)?shù)匾恍┮螅_定適當(dāng)?shù)淖畹蚖GGH出口煙氣溫度即可。例如浙能六橫電廠WGGH出口煙氣溫度高于78℃即可。
       確定了 WGGH出口最低煙氣溫度后，就要通過(guò)計(jì)算確定如何達(dá)到此最低出口煙氣溫度。
       眾所周知，鍋爐出口煙氣溫度隨著機(jī)組負(fù)荷變化，也隨著外界環(huán)境溫度變化，當(dāng)冬季機(jī)組負(fù)荷低于70%時(shí)，有可能鍋爐出口煙氣溫度低于100℃，此時(shí)原煙氣放熱器回收的煙氣熱量不足以將脫硫后的凈煙氣加熱到78℃以上，為了保證將脫硫后的凈煙氣加熱到78℃以上，同時(shí)保證WGGH不會(huì)發(fā)生煙氣低溫腐蝕，就需要設(shè)計(jì)補(bǔ)熱系統(tǒng)。
       三、推廣應(yīng)用情況及前景
       1.應(yīng)用情況。
       截止2015年6月，我公司研發(fā)的該系統(tǒng)已成功供貨應(yīng)用于浙能六橫電廠2×1000兆瓦機(jī)組、江陰蘇龍電廠2×300兆瓦機(jī)組、華能上安電廠1×600兆瓦機(jī)組，南海京能電廠2×330兆瓦機(jī)組，運(yùn)行至今能夠滿足設(shè)計(jì)排煙溫度，無(wú)低溫腐蝕現(xiàn)象發(fā)生，正常工況下煙囪排放無(wú)白煙。
       2.推廣應(yīng)用前景。
       自從我公司研發(fā)的WGGH系統(tǒng)率先在浙能六橫電廠投運(yùn)后，浙能集團(tuán)在下屬很多電廠推廣該設(shè)備，目前已經(jīng)有浙能集團(tuán)下屬的嘉興電廠、樂(lè)清電廠、溫四電廠等投運(yùn)或準(zhǔn)備投運(yùn)該設(shè)備。其他兄弟單位也在大力推廣應(yīng)用該設(shè)備，例如僅華能集團(tuán)在2014年就有金陵電廠、上安電廠等多個(gè)電廠招標(biāo)該設(shè)備，幾大電力集團(tuán)都認(rèn)識(shí)到了加裝該設(shè)備的優(yōu)越性以及其帶來(lái)的良好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。應(yīng)用前景必將十分廣闊。
       四、使用照片

圖3：WGGH原煙氣放熱器圖（左圖）及WGGH凈煙氣再熱器（右圖）

圖4：WGGH管道系統(tǒng)

圖5：WGGH凈煙氣再熱器換熱管無(wú)腐蝕、積灰及磨損（左圖）及WGGH原煙氣放熱器換熱管無(wú)腐蝕、積灰及磨損（右圖）

（主創(chuàng)人員：趙之軍、籍文豪、胡興勝、殷國(guó)強(qiáng)、萬(wàn)  鵬、李  褀、熊  巍、雷承勇、李  健）