重力热管低温省煤器选型、应用要点探讨

我国以煤为主的能源资源禀赋，决定了煤电在未来相当长一段时间内仍将发挥电力安全保障的“压舱石”作用。煤电碳排放约占全国碳排放总量的40%，故煤电的减污降碳是我国实现“双碳”目标的“主要抓手”。当前，我国燃煤电厂实施烟气超低排放的主流工艺为低低温烟气处理系统，其核心低低温电除尘系统刚投运时运行效果较好，运行一段时间后普遍存在冷却水泄漏、积灰堵塞、排放超标等顽疾[2]，这些问题将直接导致设备可靠性不足、节煤效果差、运行能耗高，且在极端情况下可能造成设备瘫痪乃至停机，构成重大安全隐患。近两年，市场上出现了一种高可靠低低温电除尘系统及装备——真空热管耦合低低温电除尘系统，该系统以实现稳定高效除尘、运维智能、冷却水“零泄漏”、余热回收、协同脱除SO3、脱汞等多重功效为特色，在国内燃煤电厂迅速铺开市场，对于促进电力及非电行业烟气治理清洁低碳转型具有显著的行业引领作用。随着真空热管低省的应用范围扩大，也暴露了不少问题，如热管失效、低温腐蚀、积灰等，影响了热管低温省煤器的进一步推广应用[5]。因此，急需对其选型、应用要点进行探讨总结，从而优化热管空气预热器的使用效果，延长其使用寿命。1、热管低温省煤器技术组合选型要点1.1工质选择热管工质的选择主要考虑热管的工作温度、与管材的相容性、热物性及安全经济性。温度因素是首先要满足的一个重要因素。从原则上讲，任何一种工质都有它自己可以工作的温度范围，其下限是工质的凝固点，上限是热力学临界点。主要常温热管介质及其相容壳体如表1所示。汽化潜热：汽化潜热大，意味着在传递相同热量的情况下，液体的蒸发量少，使管内蒸汽的流量减少，流动阻力降低，凝结液膜变薄，有利于管内传热。从温度的角度来选择，合适的热管工质有乙烷、丙酮、乙醇、甲醇、甲苯和水；由于低温省煤器常用材质为碳钢，从工质与壳体相容性来选择，合适的工质有甲醇和水；甲醇热物性次于水，但在同样的真空度下，甲醇蒸发温度低于水，蒸发过快；钢水热管需要进行内壁处理。从安全性的角度来讲，合适的工质只有水。综上分析，热管低省选取水为工作介质是最佳的。1.2真空度选择对于热管，真空度太低，无法排尽不凝性气体，不凝性气体在热管工作时聚集在冷凝段，会增加热阻；真空度太高，工质沸点过低，工作工质蒸发快，会造成蒸发段干涸。常用真空度一般为1.3×10-4～1.3×10-1

Pa，要达到该真空度，对热管制造工艺要求较高，一般采用专门精密仪器进行抽真空灌注或灌注抽真空，生产周期和生产成本无法满足大部分改造项目的要求。热管真空度的选择主要考虑能否满足热管换热器在最低运行温度下的启动时间。热管低省运行环境为100～250℃，即使是燃煤机组刚启动或者低负荷运行时，其环境温度也在100℃左右，另外考虑一定的启动裕量，按满足30℃的启动温度考虑。以上热管启动温度对真空度的要求不是很严格，采用热管现场热排法制作真空工艺即可满足热管换热器的启动时间及换热性能要求，热排法工艺真空度约为4kPa。1.3充液量选择影响充液量的因素很多，如工作介质特性、几何结构参数、工作状况等。充液量是管内流动传热的参变量，同时又反过来影响管内两相流的流动传热性质，国外学者研究部分结论如表2所示。热管适宜的充液量根据不同工质而异，综合试验数据及国内外研究应用经验，对于钢水热管充液量，建议取值为热管总容积的30%左右。1.4传热极限当热管的充液量很少或蒸发段的热流密度增大时，热管的底部容易出现干涸，干涸的区域随着热流密度的增大而扩展，壁面温度持续上升，这种现象就是干涸极限。干涸极限的影响因素包括充液量、工质物性、热管的几何尺寸及其工作温度。目前对干涸极限的研究比较少，未形成可靠的经验公式或计算模型，故暂时无法计算，根据经验合理选取充液量，可有效避免出现干涸极限；在充液量较大且蒸发段径向热流密度较大而轴向热流密度较小的情况下，将首先发生沸腾极限，而当充液量较大且径向热流密度小而轴向热流密度较大时，则先发生携带极限。目前热管低温省煤器采用的热管均有较大充液量，且热管为细长管，即在热管蒸发段的长径比很大时，首先考虑携带极限。携带传热极限，即当热管内部工质不再沿绝热段壁面向下流，而是沿壁面向上流动，由于蒸发段内的工作液体得不到及时供给，从而使得蒸发段没有足够的液体用来蒸发，蒸发段管壁开始干烧，进而热管无法正常工作。因此，可以通过绝热段内汽液两相流的流动情况来判断热管是否达到极限传热状态，并定义此时所对应的蒸汽速度为蒸汽临界速度。极限传热量Qmax计算公式如下：Qmax=ρlμmaxAγ式中：ρl为蒸汽密度（kg/m3）；μmax为蒸汽临界速度（m/s）；A为横截面积（m2）；γ为汽化潜热（kJ/kg）。1.5翅片形式根据热管低温省煤器应用经验以及对相关翅片生产商的实地考察调研，最终确定采用具有微扰流设计、增强换热、减少积灰、减轻磨损等应用效果的U型开齿螺旋翅片。开齿螺旋翅片管（图1）是由螺旋翅片管改进而成，在螺旋翅片上均匀地开许多小口，由于开齿结构的存在，流动死区大大减小，烟气扰流作用增加，阻力减小，流场改善，不容易在翅片间形成积灰和结垢。2

热管低温省煤器应用要点2.1热管换热器在线检修维护真空热管低温省煤器采用模块化设计，每个烟道的换热模块铅垂安装布置，模块整体采用自支撑结构，解决换热器运行中热膨胀问题，防止热膨胀及振动对换热器结构稳定性和可靠性造成不利影响。2.1.1

真空热管低温省煤器模块整体结构每个真空热管低温省煤器采用模块分组设计，每个模块单独设置隔离阀门，配置放水阀、排气阀，可以单独进行投运和隔离控制，每个模块可以单独安装和抽出检修，维护方便。新型真空热管低温省煤器模块主要由热管组件、框架、绝热段隔板、冷凝段壳体等主要结构件组成。每根热管都是独立的换热元件，不像通常的省煤器那样各换热管之间连通在一起。即使热管在烟气侧发生磨损或腐蚀情况，只会有极少的热管内工作介质泄漏进入烟道，水侧的冷却水无法进入烟道，因此可以对单独的换热管进行维护，安全性、方便性和可操作性大大提高。2.1.2

冷凝段壳体冷凝段壳体由侧部封板、顶部封盖组成，起到隔绝冷凝段和外界环境的作用。为了便于热管现场抽真空及检修维护，封盖设计成可拆卸的结构。2.1.3

热管封头热管顶端储气区特别设计了可开闭调节的排气封头，如图2所示，创新应用弹簧+双钢珠的双重密封式热管封头，方便热排法制作真空。该热管在结构完好的情况下，可重复实施灌注抽真空和加热排气工艺，提高热管的循环利用性能。2.2热管不凝结气体防治真空热管换热器的换热管内壁经过钝化处理，工质采用纯净水并添加缓蚀剂和除氢剂，与钢材相容性好，在热管制造过程中严格控制质量，排尽不凝性气体，同时热管封头采用特有专利技术，保证热管真空度。长期运行中，若由于钢-水电化学反应产生不凝性气体导致热管真空度下降而发生短期失效，可以通过红外监测设备对热管冷凝段顶部封头进行检测，检测出失效热管可对其进行排气恢复真空，重新投入使用。2.3低温腐蚀失效预防实际运行时，考虑到锅炉启停、低负荷、吹灰及燃烧煤质成分变化等因素下的低温烟气，换热管采用ND钢，换热管的腐蚀速率按＜0.1mm/a考虑，换热管管壁厚度为5mm，换热管腐蚀量按4mm考虑，则换热元件的理论寿命将超过30年。其余关于真空热管换热器防低温腐蚀问题，考虑如下：1）通过特殊的结构设计，充分利用热管壁温可调的特性，优化设计换热管冷凝段与蒸发段的面积比，确保换热管壁温高于70℃，保证换热管管壁温度在最低腐蚀温度点以上，减缓降温段低温腐蚀。2）真空热管制造过程严格保证质量控制，实现更好的耐腐蚀性能。3）热管低温省煤器设置声波吹灰系统，最大限度降低换热管表