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涂先生
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. 概况
         现某热电厂有2*220t/h、5*130t/h、3*75t/h等10台燃煤循环床锅炉,已经完成了超低排放改造。2台220t/h锅炉各有1个脱硫塔和1台电除雾器,通过同一根烟囱排放。5台130t/h锅炉则是2个脱硫塔和2台电除雾器通过同一根烟囱排放。3台75t/h锅炉共1个脱硫塔和1台电除雾器以及1根烟囱。该厂脱硫塔和电除雾器一体式装置电除雾器位于脱硫塔顶部。响应政府号召,该厂拟通过提升烟气温度消除烟囱的白羽消除视觉污染。
该厂0.9MPa250蒸汽可供使用连排水通过扩容器,闪蒸汽已经并入了热网,剩余0.9MPa的连排水还未利用。由于湿烟气的升温需要消耗大量蒸汽,运行成本很高,因此,该厂要求提供最优化方案,通过利用130烟气余热其它余热,抵消烟气升温所消耗的能源,而且不能改造引风机。
本烟气消白方案针对220t/h锅炉。

2. 基本设计条件
220t/h锅炉的烟气参数如下(估测):
烟气参数表
项目
单位
除雾器出口烟气参数
脱硫塔进口烟气参数
烟气温度
50
130
烟气流量
Nm3/h
310000
304500
水蒸气体积浓度
%
12.1
10.5
CO2体积浓度
%
 
 
N2体积浓度
%
 
 
O2体积浓度
%
 
 
SO2浓度
Mg/Nm3
 
 
NOx浓度
Mg/Nm3
 
 
粉尘浓度
Mg/Nm3
 
 
 连排水参数
220t/h循环床锅炉的连排水压力为9.81Mpa,流量约为2.5%,大约5.5t/h。连排水扩容到0.9Mpa,使闪蒸汽接入热网而得到利用,剩余的饱和水没有利用。
 除盐水参数:
220t/h锅炉的除盐水量与蒸发量相近,按220t/h计算,温度为常温20.

3. 现场条件
无论是进口烟道还是出口烟道,长度都非常短,改造需明确布置方式。
  
4. 总体原则与技术路线
4.1 总体原则
1) 湿烟气温度加热到80,消除排烟视觉污染。
2) 尽量利用烟气余热和其它可利用的热,使消白项目总体能量达到平衡。
3) 改造引风机。
4.2 技术路线
项目的技术路线是:以除盐水对脱硫前的烟气进行降温,回收部分余热;以蒸汽对电除雾器后的湿烟气进行升温,达到消除白烟的目的。回收余热总能量要与加热所消耗的蒸汽能量相平衡使系统运行能耗降至最低。
1)技术路线的论证
采用烟气消白的技术路线有很多,有不增加能耗的MGGH方式,有单独蒸汽加热方式,有先冷凝除水后加热升温的方式,等等,但都不如本方案的技术路线合适。
MGGH
对于MGGH方式,通过循环水吸收原烟气的余热,用于湿烟气的加热,也是非常节能的消白方案,但循环水的温度较低,与烟气的温差小,导致前后两个换热器的换热面积都比较大尺寸大的换热器不仅难以安装,还会较多地增大烟气阻力,通常会超出引风机的压头余量,需要改造引风机。因此MGGH方案不现实。
单独蒸汽加热
对于单独蒸汽加热方式,通过供热蒸汽直接对湿烟气进行加热。因为前段没有降温,蒸汽加热所要求的升温幅度会很大。这无疑大幅度增加了能耗,运行成本非常高,不经济,因此也是不可行的。
★冷凝除湿再加热
对于冷凝除湿再加热的消白方式,通常要采用热泵,即通过热泵的运行,将低温水在电除雾器前冷凝湿烟气,消除一定的含湿量,然后再用热泵的高温水加热,所需要的升温幅度较小。但获得较大的温差,热泵的运行功率是比较大的,系统复杂,设备投资也大,因此经济性未必好。对于的热电机组,脱硫塔与电除雾器往往是一体化的,也很难布置冷凝换热器
本方案拟采用的除盐水冷却原烟气、蒸汽加热湿蒸汽的方案,有工程与经济双重可行性除盐水温度是常温,如果原烟气的温度高于120则烟气冷却器的温差很大,只需要少数几排换热管,就可以使原烟气温度降低20-30,所增加的烟气阻力比较小,还能够减少脱硫塔的水蒸发量,提高脱硫效率。如果连排水的余热没有完全利用,还可以增加一台连排水冷却器,回收更多的余热通常烟气温度降低20可使除盐水温度提高10相应地减少了除氧器的蒸汽消耗量。加热段以供热蒸汽对湿烟气进行加热,蒸汽的饱和温度一般高于17045-50湿烟气存在很大的温差,因此蒸汽加热器的换热面积也很小,烟气阻力增加也很少。因此虽然有冷却与加热两段换热器,流程烟气所增加的阻力通常可以控制在400Pa左右,只有引风机压头的5%左右,可以不改造引风机。由于前段有降温,后面的升温幅度就可以比较小,所消耗的蒸汽能量与所利用的烟气余热相当,理论上不增加能耗。因此本方案设备小、阻力小、能量平衡等特点,非常适合烟气消白
2)加热温度的选择
经验表明:将脱硫后的 45-55℃湿烟气加温到 70-80℃,可以消除白色烟羽。加热温度,与环境温度、环境湿度、脱硫出口湿烟气温度有关。
  50℃的湿烟气、在 10℃的环境下、加热到 71.4℃;
  50℃的湿烟气、在 5℃的环境下、加热到 86.2℃;
  45℃的湿烟气、在 10℃的环境下、加热到 57.9℃;
  55℃的湿烟气、在 10℃的环境下、加热到 87.9℃。
可见,在环境温度相同时,低温湿烟气只需要加热到较低的温度,就能消除白色烟羽。
理论上来说,通过前段烟气冷却,脱硫后的湿烟气温度通常在48以下,加热到80保证在冬季环境温度下,也看不见白色烟羽。因此,设计温度设定在80能满足严格的环保要求的。当环境温度比较高,排烟温度可能在70就能消白,这只要降低蒸汽压力,就能控制加热温度,从而减少蒸汽消耗量。
3)材质的选择
用于酸性烟气的冷却和加热设备的材质不多的,常用的有ND钢2205双相不锈钢、氟塑料等寥寥数种。方案采用SS2205不锈钢
ND钢是一种耐硫酸露点腐蚀的特种钢,在烟气露点温度附近使用,具有良好的耐腐蚀性。有试验表明,ND钢的硫酸(7050%浓度)腐蚀速率,分别是20#1/14,SS316L不锈钢的1/3、日本CRIR钢1/1.8、考登钢的1/9。但ND钢的使用范围非常狭窄,适合中温(70以上)中高浓度(50%以上)硫酸的场合,对于稀硫酸,其耐腐蚀性能大打折扣。MGGH冷却段大量使用了ND钢方案中冷却器的管壁温度很低,低于水露点温度,硫酸的浓度也会较低因此不能使用ND钢
SS2205双相不锈钢是一种耐腐蚀性能非常好的不锈钢,强度是普通不锈钢的2倍,非常适合制作酸性环境的换热器。很多烟气消白项目采用了SS2205不锈钢为换热器。SS2205换热元件可以制作成翅片管,大大减小换热器的体积,在无粉尘无沾污的烟气环境下使用是较为理想的。目前烟气都已经达到了超净排放标准,特别是加装了电除雾器后,换热器被沾污的可能性大大降低了。
氟塑料主要是PTFE,即聚四氟乙烯,是最好的耐腐蚀材料,只能150℃以下的温度使用氟塑料换热器管内介质是液体,不适合蒸汽加热。以PTFE制作的烟气-水换热器,尺寸较小,阻力较低,重量很轻,不粘,不结垢,不腐蚀,因此特别适合制作MGGH。方案中的烟气冷却器,也是可以用氟塑料制作的。但氟塑料的导热系数极低,只有0.2J/mK,因此管子很细,管壁很薄,管子的数量和回程多,使得烟气阻力较大。
另一种结合氟塑料和不锈钢管的塑钢复合管,可以用蒸汽加热,具有氟塑料的耐腐蚀耐沾污特性但由于聚四氟乙烯的膨胀系数是不锈钢的10倍以上,很难保证在较大的温度范围内复合紧密况且聚四氟乙烯还具有一定的蠕变特点,如果松脱,就会传热恶化。因此存在较大风险。

5. 系统的能平衡计算
1) 烟气的放热量
烟气的推算流量为304500Nm/h,质量流量为110.13kg/s130冷却98,平均比热为1.08kj/kgK。原烟气放热量为:
Qr=m*Cp*(130-98)=110.13*1.08*(130-98)=3806KW
2)连排水的废热
220t/h锅炉如果连排量为2.5%,总连排水为5.5t/h。扩容到0.9MPa后,剩下的饱和水为3.74t/h如果将0.9MPa的饱和水从180冷却60则可利用的余热
Qp=mΔh=3.74/3600*(763-252=530KW
3)湿烟气的吸热量
原烟气130湿烟气原本是50原烟气降低32湿烟气温度大约为48℃,烟气的质量流量为110.43kg/h。湿烟气从48升温80,平均比热为1.08kj/kgK。因此湿烟气的吸热量为:
Qs=m*Cp*Δt=110.43*1.07*(80-48)=3782KW
原烟气的放热量与湿烟气的吸热量几乎相等。
连排的废热如果利用,则是净节能量。

6. 系统水平衡计算
烟气温度为130℃时,烟气质量流量为110.13kg/s,湿烟气质量流量为111.43kg/s,蒸发的水量为(111.43-110.13*3600=4.68t/h
烟气温度为98℃时,烟气质量流量为110.13kg/s,湿烟气质量流量为110.43kg/s,蒸发的水量为(110.43-110.13*3600=1.08t/h
可见,蒸发水量减少了3.6t/h。即,从50降低48凝结了3.6t/h水
 
7. 系统与设备布置
7.1  烟气消白系统
上图是烟气消白的系统图。如果烟气从130降低98,220t/h的除盐水温度可以由20提升到35湿烟气温度由50降低48然后又升温到80。所用蒸汽参数0.9MPa250℃,凝结水排入除氧器回收,蒸汽耗量为6285kg/h。
由于SS2205要求蒸汽温度低于250℃,如果高于此温度,就需要对蒸汽进行喷水降温。因此需要一台喷水减温装置,以除盐水进行减温。
 
7.2 设备布置
无论是烟气冷却器还是烟气加热器,尺寸都比较大,虽然本体厚度方向不到1米,但进出口喇叭接口长度较长,所以总长度有4米左右,需要比较长的烟道才能满足要求。某热电220t/h锅炉的烟道太短,常规布置换热器存在很大难度

 
1)烟气冷却器的布置
            对于烟气冷却器,可以布置在除尘器的出口处。具体做法是:割除除尘器的出口喇叭接口,然后在除尘器出口端布置烟气冷却器,最后再把除尘器的喇叭口焊接上这样布置可以省去换热器的进出口喇叭接口,除尘器只需增加1米长度即可,的阻力增加很少。
 
2) 烟气加热器
 烟气加热器布置在脱硫塔电除雾器的出口烟道与烟囱入口之间。鉴于出口烟道太短,可以利用电除雾器的出口端,割除喇叭接口,出口端布置烟气加热器,然后再重新安排烟道,如图所示。这样电除雾器出口端延长了1米完全可以布置下。烟气冷却器一样,阻力也是增加极少。
  
8. 换热器设计参数
项目
单位
烟气冷却器
烟气加热器
进口烟气温度
130
48
出口烟气温度
98
80
烟气流量
Nm3/h
304500
305820
除盐水温升
/
蒸汽耗量
Kg/h
/
换热
KW
换热面积
M2
烟气阻力
Pa
汽水阻力
Pa
换热元件材质
 
2205
2205
换热元件形式
 
螺旋翅片管
螺旋翅片管
壳体材质
 
2205
换热器模块数
换热器模块尺寸
m
换热器模块重量
t
换热器总尺寸
m
换热器总重量
t
上述数据是估算值,准确数据需要产品设计
 

9.  方案的可行性
方案换热器因为采用了翅片管,尺寸是各种换热器中最小的与除尘器除雾器出口相结合的独特的布置方式,不仅解决了安装空间狭小的问题,还减小了阻力降,避免了引风机的改造。改造工程量相对最小。
系统烟气冷却所节约的蒸汽,与烟气加热器所消耗的蒸汽热量相当,没有额外的能耗,因此运行费用也是最低的。如果利用0.9Mpa的连排水的余热,可以节能
因此,无论从技术上工程施工上、还是从经济性来看,这个方案都是可行的,而且是最佳的选择。
 
10.  余热利用项目的经济性
余热利用项目包括烟气余热利用和连排水余热利用两个部分
1) 烟气余热利用
利用除盐水对原烟气进行冷却,从130降低98可以获得3806KW热量的节能量将除盐水提高15(35焓值为148kj/kg)。如果蒸汽加热来替代余热利用,假设蒸汽热量完全利用,也需要消耗0.9MPa250蒸汽焓值2943kj/kg):
M=3806/(2943-148*3600=4900kg/h
每吨蒸汽130元,一年用小时数5000小时计算,每年烟气余热利用的效益为:
=4.9*130*5000=3185000
 
2) 连排水余热利用
热电的连排水经过初步扩容后,闪蒸汽并入热网,得到了回收利用。但连排水在初步扩容后,还有饱和水为3.74t/h没有利用如果将0.9MPa的饱和水从180冷却60则可利用的余热530KW如果用来加热连排水,可使220t/h的连排水温度提高2如果蒸汽加热来替代余热利用,假设蒸汽热量完全利用,也需要消耗0.9MPa250蒸汽焓值2943kj/kg):
M=530/(2943-148*3600=682kg/h
每吨蒸汽130元,一年用小时数5000小时计算,每年烟气余热利用的效益为:
=0.68*130*5000=442000
由此可见,烟气余热利用和连排水余热利用,可以分别节约加热用蒸汽4.9t/h和0.68t/h,产生经济效益每年318.5万元44.2万元两项合计362.7万元
11. 方案实施步骤
综上所述烟气消白项目可以分两步走,先加装烟气冷却器连排水冷却器,作为余热利用节能项目,减少除氧器的蒸汽消耗,减少脱硫塔内水的蒸发获得良好的经济效益。当环保要求进一步严格时,相应政府号召,再加装烟气加热器,实现烟气消白。
 

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