复合相变换热技术在燃煤电站应用浅析

1、引言

锅炉排烟热损失是燃煤机组的主要热损失之一。此外，排烟温度过高不仅会造成能源浪费，还会影响后续烟气除尘效率及脱硫系统运行，直接增加电厂运营成本。

一般电站排烟温度为 140～160^∘C ，扣除 20% 安全裕度后，距烟气露点（ 97% ）仍有 40% 以上温差的余热可回收利用。电力行业这类低品质余热具有量大、点多、面广的特点，回收存在一定难度，但若能有效回收，可显著提高电厂热效率并降低生产成本。利用较低温度的空气吸收高温烟气中的余热，再进入空预器进一步加热，从而提高助燃空气温度与锅炉效率，实现节能降本。

理论上，烟气从排烟温度到环境温度的温差能量均属可回收烟气热能，但受酸露点影响，一般材料在酸露点以下的热量无法有效利用。如何在安全性与经济性间找到平衡，在保证系统安全的前提下最大化节能效益，是余热回收改造的核心。

目前，国内多数电厂采用省煤器技术降低排烟温度以提高锅炉经济性。汽轮机热力系统中的凝结水通过省煤器吸收烟气热量，在降低排烟温度的同时自身被加热，随后送回低压加热器系统。燃煤中的硫燃烧释放二氧化硫，部分转化为三氧化硫，与水蒸气在特定温度下反应生成硫酸，该反应的临界温度即为酸露点。硫酸会腐蚀换热器金属部件，影响设备寿命，同时使烟气灰分附着于换热器外壁，降低热效率。

2、复合换热技术原理

吸热器位于下侧，其中工质吸热蒸发由液相变为气相的换热模块为相变吸热模块；放热器位于上侧，工质散热冷凝由气相变为液相的换热模块为相变放热模块，两者之间设有气液分离塔，塔内通过自然循环形成上部气态工质、下部液态工质的状态（液态为水，气态为水蒸气）。工作原理：相变换热器在多根并联的密闭换热管束内，利用相变工质汽化潜热传递热量。相变吸热器内的水吸收热量汽化为饱和蒸气，在微小压差下上升至相变散热器释放热量后凝结为液体，饱和水经汽水分离塔回流至吸热器再次气化，形成往复循环，实现热量从高温向低温的单向传递。

复合相变换热装置采用新型技术，在提升热效率的同时实现节支降本，且避免酸露引发的低温腐蚀。热段内充入一定量工质（通常为水），当热流体通过吸热器时，各换热管内工质吸热蒸发，蒸汽在上集箱汇集后经上升管、汽水分离塔到达散热器上集箱，随后自行分配至各换热管。当管外有低温流体（一般为空气）通过时，低温流体吸收管内蒸汽释放的热量被加热，管内工质蒸汽散热后在管内壁凝结。冷凝液在重力作用下汇集于组合散热器下集箱，其回流驱动力来自凝结段错位布置形成的液位差及汽液密度差，使系统实现自行循环。

3. 工艺方案

借鉴热管换热器的优点，将热管吸热段与冷凝段分离，使换热管的吸热段（介质水放热）和冷凝段（空气吸热）各自形成独立换热器。通过上下连通管将原热管换热模块中下段相互独立的换热管连接，形成多排并列吸热片，再经上下集管构成关联的整体吸热蒸发器；上段相互独立的管束同样通过上下连通管及上下集管构成关联的整体放热冷凝器，实现相变吸热段金属壁面温度分布均匀，与热媒体温度保持较小梯度温差。通过管路分别连通烟气放热与空气吸热两个工作段，形成工质闭合循环回路，构成两相流换热装置。在吸热器连通管设置调温直通管，通过智能温控系统保证壁温相对稳定。​复合相变换热装置主要由吸热器、放热器、汽水分离塔、上升下降管系及智能控制等部分组成。换热管均采用带螺旋片的钢管，受热段的吸热管和冷凝段的散热管分别垂直布置成一片，其上下两端分别与上下集管连通形成整体。组合的受热吸热器和冷凝散热器通过汽水分离塔、上升管和下降管相连，共同构成复合换热器的独立部分，经系统集成形复合相变换热装置。

4、技术特点

复合相变换热器是一种特殊换热装置，其采用的二相流相变换热技术，凭借吸热与散热相变强化传热的特性，通过冷热媒体分流实现高效换热，并维持换热管表面较高温度。根据运行工况采用不同结构形式优化组合，形成适应各类工况的复合相变换热装置。

在常规热管换热器基础上，进一步大幅降低热媒体（烟气）排烟温度，使工业烟气中大量中低温烟气得以有效回收，产生显著经济效益；同时有效降低污染物排放，提高提高后端电除尘效率，实现节能减排双重功效。

保持相变换热管金属受热面壁温始终高于酸露点，消除酸露点腐蚀区域，从根本上避免结露腐蚀，大幅降低设备维护成本。通过智能调温器实现换热装置内换热管金属受热面最低壁面温度的可控可调，能在较大幅度内有效应对各类锅炉及传热负荷变化，保持排烟温度和壁温相对稳定。

在保留热管换热器高效传热特性的同时，克服了传统热管逐渐老化以至失效的致命弱点, 从而大大延长了设备的使用寿命。

复合相变换热技术的核心在于：能在燃煤电站锅炉中大幅降低烟气排放温度，使大量中低温热能得到有效回收；降低排烟温度的同时，保持金属受热面壁温处于较高水平，远离酸露点腐蚀区域，从根本上避免结露腐蚀及堵灰，大幅降低设备维护成本；实现换热器金属受热面最低壁面温度可控可调，保持排烟温度和壁温相对稳定，适应锅炉燃料品种及负荷变化；保留热管换热器高效传热特性的同时，克服了传统热管逐渐老化以至失效的致命弱点, 从而大大延长了设备的使用寿命。

5、结束语

复合相变换热技术可在大幅降低烟气排放温度的同时，将整个吸热低温段受热面壁温保持在较高水平，既能最大限度提高用热设备热效率，又能消除结露引发的低温腐蚀、避免灰堵现象。在节能减排方面具有良好的经济性和社会效益，适用于各类电站锅炉及工业锅炉，可大幅降低锅炉排烟温度、提高热效率与除尘效率，在电力、石油化工、冶金钢铁等行业的应用前景广阔。

参考文献

1、刘海军，《浅谈复合相变换热技术在 CFB 锅炉的应用》工程技术 2016 年 8 月2、 严晖、于长琴、刘建民，《复合相变换热器在电厂节能改造中的应用》全国第八届电站锅炉专业技术交流年会。3、李晓东、汪毅、王栋毅：《复合相变换热技术在锅炉排烟余热回收中的应用》 “ 源研究与信息” 2015 年第02 期