悬浮预热器 Suspension Pre

　　博士、教授1.项目研发背景 2.技术方案介绍 3.关键技术处理 4.技术支撑应用 （1）项目背景 1.项目研发背景 推进重点耗能工业节能减排是重要国策；1）发电原煤占原煤产量的50% 2）火力发电行业是国家节能减排的主力。 时间 年份 原煤产量 亿吨 电煤耗量 亿吨 电煤/原煤 200725.1 12.5 49.8 2008 27.2 13.3 48.9 2009 31.3 15.6 49.8 （1）项目背景 现役火电排烟温度情况1）现役电站锅炉设计排烟温度长期无法下潜 烟气酸露点和积灰协同作用 一般t py 设计值125~130 ，褐煤140 150左右。2）现役电站锅炉排烟温度普遍偏高 设计和运行条件差别 py运行值普遍偏高，高于设计值约20~50。 1.项目研发背景 （1）项目背景 1.项目研发背景 排烟温度偏高的危害目前锅炉排烟温度普遍偏高 除尘效率降低 脱硫耗水量增加 锅炉效率降低 降低烟温 脱硫效率降低 常见烟气余热回收装置的布置方式1）传统未配备脱硫系统的燃煤发电机组（图1所示） 改造省煤器 改造空气预热器 两者同时改造 缺陷 ESP增加低压省煤器 （1）项目背景 1.项目研发背景 （1）项目背景 常见烟气余热回收装置的布置方式2）配套了脱硫系统的燃煤发电机组（图2所示） ESP 10缺点： GGH虽然降低烟 温，但并不产生 节能减排效果 配套了脱硫系统的燃煤发电机组示意图GGH 湿法脱硫中GGH系统可能存在的问题受热面运行于酸露点以下烟气侧结露烟气侧表面积灰 脱硫烟气夹带冷端烟气侧换热面发生石灰的积聚 换热空间堵塞、GGH漏风 GGH耗电量增大，增压风机电耗增大， 用电率增加，供电煤耗提高 已安装GGH的机组，取消或准备取消该系统 新建机组几乎全部选择不设置GGH系统 （1）项目背景 1.项目研发背景 取消了GGH系统 进入脱硫系统的烟气温度增加 脱硫效率下降 烟气脱硫工作温度：85 脱硫系统前喷水减温 增加脱硫工艺用水水量 取消GGH后出现的问题（1）项目背景 1.项目研发背景 若脱硫前喷水减温，烟温由125～150降至85需要大量的减温水 加重了除雾器的负担 浪费了烟气所蕴含的巨大热量 火电烟气深度冷却增效减排关键技术背景 （1）项目背景 1.项目研发背景 （2）设计理念 1.项目研发背景 设计理念首先来源于1973年烟气深度冷却的尝试丹麦Corrosion Centre成功完成了燃用乳化油和燃煤锅炉 的排烟温度（240和190）分别降低到80和90的工 业实践，后者采用了75m高CorTen钢制成的湿烟囱技术； 后来，德国Schwarze Pumpe 2800MW褐煤机组上应用。 水泥窑生产线以下。-heter 370~220 窑尾余热锅炉 SP HRSG 空气冷却器 Air Quenching Cooler 350~60 窑头余热锅炉 AQC HRSG 回转窑 Cement Kiln （2）设计理念 1.项目研发背景 有机介质余热发电系统的排烟温度降低到85左右。（2）设计理念 1.项目研发背景 1.项目研发背景 2.技术方案介绍 3.关键技术处理 4.技术支撑应用 （1）火电烟气深度冷却器技术方案 烟气 静电除尘器烟气冷 脱硫塔石灰石 冷却塔 发电机 石膏 烟气2.技术方案介绍 （1）以烟气冷却为核心的节能脱硫、除尘增效综合技术方案 1）节能、脱硫增效综合技术方案 2.技术方案介绍 （2）以烟气冷却为核心的节能脱硫、除尘增效综合技术方案 2）节能、除尘增效、脱硫增效综合技术方案 2.技术方案介绍 国外，燃煤电站选用电除尘器居多。主要依靠5 类技术实现更低排放（30mg/m 1）烟气深度冷却除尘增效技术：可以达到30mg/m 2）移动电极式电除尘技术3）电袋技术（一体式，分体式） 4）烟气调质（SO 双重调质）5）颗粒聚合技术（20mg/m 2.技术方案介绍（2）以烟气冷却为核心的节能脱硫、除尘增效综合技术方案 2）节能、除尘增效、脱硫增效综合技术方案 （2）以烟气冷却为核心的节能脱硫、除尘增效综合技术方案 3）除尘增效、脱硫增效、烟囱防腐蚀综合技术方案 2.技术方案介绍 （2）以烟气冷却为核心的节能脱硫、除尘增效综合技术方案 4）脱硫增效、烟囱防腐蚀综合技术方案 2.技术方案介绍 名称 单位 脱硫塔前部分 脱硫塔后部分 锅炉总风量 kg/s 177.01 177.01 烟气进口温度 14085 烟气进口焓 kJ/m 198.45119.12 烟气出口温度 11560 烟气出口焓 kJ/m 162.3983.06 工质流量 212.8212.8 工质进口温度 90110 工质进口焓 kJ/kg 378.15 462.42 工质出口温度 11090 工质出口焓 kJ/kg 462.42 378.15 烟气平均流速 12.2510.57 工质平均流速 1.501.50 换热面积 5207.665207.66 换热量 kW 4981.34 4981.34 （2）以烟气冷却为核心的节能脱硫、除尘增效综合技术方案 4）脱硫增效、烟囱防腐蚀综合技术方案 2.技术方案介绍 1）布置于增压风机之后 （3）烟气深度冷却节能技术方案2.技术方案介绍 2）布置于增压风机前2.技术方案介绍 （3）烟气深度冷却节能技术方案 3）布置于增压风机前后2.技术方案介绍 （3）烟气深度冷却节能技术方案 4）布置于静电除尘器前后2.技术方案介绍 （3）烟气深度冷却节能技术方案 1）水平烟道布置 （4）本体布置方案 2.技术方案介绍 2）垂直烟道布置 （4）本体布置方案 2.技术方案介绍 （5）强化传热概念 2.技术方案介绍 1）强化传热原理 原则强化传热应从热阻的环节入手； 把传热过程的总热阻分离开来。 2.技术方案介绍1）强化传热原理 从换热过程的物理机制来分析无相变： 减薄边界层、增加流体的扰动 有相变 减薄液膜、形成珠状凝结 凝结： 沸腾：增加汽化核心数 （5）强化传热概念 2.技术方案介绍 1）强化传热原理 从对流换热的实验规律来分析无相变： PrRe Nu udhd 提高流速减小管径 改变物性 这一分析适用于所有单相对流换热 （5）强化传热概念 强化换热 无源强化 有源强化 粗糙表面 扩展表面 扰流元件 机械搅动 表面振动 流体振动 螺旋管 强化换热 内强化 外强化 挤压成型 扰流成型 整体内翅 串接翅片 焊接翅片 整体翅片 内外强化 2.技术方案介绍 2）强化传热分类 （5）强化传热概念 螺纹管 挤压成型 横纹管 板状麻花片丝状扰流子 波纹片 径向等高内翅片 非径向不等高内翅片 扰流插入物 扩展内翅片 内强化 （6）传热单元结构方案 2.技术方案介绍 2）内强化元件 螺纹管 横纹管 麻花片 弹簧丝 波纹片 等高径向内翅 不等高非径向 （6）传热单元结构方案2.技术方案介绍 2）内强化元件 （6）传热单元结构方案 2.技术方案介绍 3）外强化元件 单点焊 连续焊 机加工 整体铸造 外强化 整体型翅片热挤压 焊接型翅片 复合嵌套 间断焊 （6）传热单元结构方案2.技术方案介绍 3）外强化元件 焊接型翅片a.点焊 （6）传热单元结构方案 2.技术方案介绍 3）外强化元件 b.间断焊 焊接型翅片（6）传热单元结构方案 2.技术方案介绍 3）外强化元件 c.连续焊 焊接型翅片（6）传热单元结构方案 2.技术方案介绍 3）外强化元件 整体型翅片a.热挤压 （6）传热单元结构方案 2.技术方案介绍 3）外强化元件 （6）传热单元结构方案 2.技术方案介绍 3）外强化元件 整体型翅片b.机加工 c.整体铸造 整体型翅片（6）传热单元结构方案 2.技术方案介绍 3）外强化元件 d.复合嵌套 整体型翅片（6）传热单元结构方案 2.技术方案介绍 3）外强化元件 铸铁空气预热器 （6）传热单元结构方案 2.技术方案介绍 4）内、外同时强化元件 1）根据流体特性选型 2.技术方案介绍 （7）传热单元结构选型 间壁式换热均存在两种相对高、低的流体 流体的特性是强化传热结构设计的基础数据 流体流量：正常工况，工况，热交换量 流体温度：正常工况，工况，热工参数 流体成分：热工计算 颗粒成分：积灰，磨损，腐蚀，清灰 粒度分布：积灰，磨损，清灰 堆积密度：积灰，磨损 高温烟气 低温烟气 烟气冷却器俯视图 高频焊螺旋翅片管 2）螺旋翅片管（1） 2.技术方案介绍 （7）传热单元结构选型 2）螺旋翅片管（1） 2.技术方案介绍 （7）传热单元结构选型 螺旋翅片管生产效率高，抗磨性能不及H型翅片 高温烟气 低温烟气 烟气冷却器俯视图 电阻焊H型或双H型翅片管 2.技术方案介绍（7）传热单元结构选型 2.技术方案介绍（7）传热单元结构选型 生产效率低，具有一定自清灰性好，抗磨损性强 双H型翅片管刚性大，适合大尺寸换热器 2.技术方案介绍模片化拼装，方便维修 （7）传热单元结构选型 高温烟气 低温烟气 电阻焊针形管 2.技术方案介绍（7）传热单元结构选型 2.技术方案介绍（7）传热单元结构选型 生产效率低下，自清灰性好，抗沾污性强 模片化拼装，方便维修 2.技术方案介绍（7）传热单元结构选型 1.项目研发背景 2.技术方案介绍 3.关键技术处理 4.技术支撑应用 3.关键技术处理 形成了具有自主知识产权的火电烟气深度冷却增效 减排关键技术、完成依托工程建设 烟气冷却器设计技术 烟气冷却器系统优化软件 积灰特性研究 （1）技术路线 烟气冷却器外部 工作特性研究 回热系统优化 通流结构 数值模拟 换热面传热、 阻力特性研究 低温腐蚀研究 磨损特性研究 研究内容 研究内容 火电烟气深度冷却器关键技术 火电烟气深度冷却器关键技术 烟气冷却器设计软件的开发3.关键技术处理 （2）关键技术 3.关键技术处理 （3）烟气冷却器外部工作特性 灰特性、积灰防控技术 低温腐蚀防控技术 磨损防控技术 灰特性研究——积灰关键技术 （c）宝鸡第二发电灰X3000 （d）宝鸡第二发电灰X5000 3.关键技术处理 （3）烟气冷却器外部工作特性 （a）宝鸡第二发电灰X500 （b）宝鸡第二发电灰X1000 10 20 30 40 50 60 70 Position2-Theta/deg. AQC炉灰XRD衍射图10 20 30 40 50 60 70 5001000 1500 2000 2500 Position2-Theta/deg. 1-CaO 2-SiO SP炉灰XRD衍射图AQC灰:硅酸钙，棱角而质硬，磨损性强， SP 灰:氧化物，多孔而疏松，粘结性强。 灰特性研究——积灰关键技术 3.关键技术处理 （3）烟气冷却器外部工作特性 （a）AQC炉灰（500倍） SP炉灰（500倍）（c）AQC炉灰（2000倍） SP炉灰（2000倍）灰特性研究——积灰关键技术 3.关键技术处理 （3）烟气冷却器外部工作特性 3.关键技术处理 1）优化设计防治积灰2）运行中选择恰当清灰技术 3）停炉时选取水清洗除灰。 1）优化设计防治积灰 布置在除尘器之后，烟气中99.9%灰分被分离； 根据灰成分预测灰的粘污系数指导设计； 选择合理管型、烟气流速，减轻积灰； 避免硫酸结露引起灰在管壁上的粘结； 优化横向节距和纵向节距，改善自清灰； 3.关键技术处理 2）运行中选择恰当清灰技术根据灰的粘污性选择清灰技术； 根据清灰技术特点选择清灰技术； 由于金属壁温低于酸露点，管壁上灰具有粘结性； 除尘器之后的灰粒子很细，具有一定吸附能力； 非冷凝受热面可以选用燃气脉冲和压缩空气吹灰； 冷凝受热面可以选择蒸汽吹灰和燃气脉冲； 3.关键技术处理 停炉时用水冲洗可以试积灰得到彻底的清除。3.关键技术处理 （5）磨损防控技术 烟气中99.9%灰分被分离，磨损大大减弱； H型翅片管自身具有抑制贴壁磨损的功能； 烟气进、出口和受热面组织均匀烟气流场 优化横向节距和纵向节距，避免尾迹磨损； 选取合适的烟速，降低受热面磨损； 3.关键技术处理 （6）低温腐蚀防控技术 正确理解硫酸结露的机理； 排烟温度高于酸露点温度，避免形成H 酸雾；选择抗腐蚀能力强的的材料作为传热管； 调节进口水温控制传热管金属壁温； 非传热管采取有效涂敷措施。 3.关键技术处理 （6）低温腐蚀防控技术 酸沉积率 腐蚀速率 金属壁面温度（） 正确理解硫酸结露的机理； 排烟温度高于酸露点温度，避免形成H 酸雾；3.关键技术处理 （6）低温腐蚀防控技术 选择抗腐蚀能力强的的材料作为传热管； 元素 SiMn CrCu Sb Ni/Ti 10CrCuSbTi 0.10 0.41 0.61 0.012 0.001 1.01 0.35 0.06 /0.04 09CrCuSb 0.09 0.35 0.52 0.012 0.013 0.88 0.36 0.06 0.05 元素 SiMn CrNi Mo 20G 0.20 0.27 0.50 0.025 0.015 0.25 0.25 0.20 TP316L 0.03 0.55 1.40 0.037 0.006 18.2 10.28 2.07 Cor-Ten和ND钢 碳钢和不锈钢对比 （7）电方案的关键参数设计 1）项目目的 3.关键技术处理 （7）电方案的关键参数设计 1）项目目的 3.关键技术处理 （7）电方案的关键参数设计 1）项目目的 3.关键技术处理 炉空预器出口至电除入口烟道 3.关键技术处理 （7）电方案的关键参数设计 2）煤质 项目 符号 单位 设计煤种（灵武）校核煤种（石嘴山 收到基碳 55.3349.05 收到基氢 2.042.98 收到基氧 11.148.48 收到基氮 0.590.89 收到基硫 0.921.15 全水分 22.828.25 收到基灰分 7.1629.2 收到基低位发热量 net.arkJ/kg 19679 19026 干燥无灰基挥发分 32.3236.1 灰的变形温度 11601600 灰的软化温度 1280

　　1700 灰的熔化温度 1360

　　1700 将表1中的数据代入式（1）可得设计/校核煤种的酸 露点为103.4/102，水露点为43.9。 3）酸露点 3.关键技术处理 （7）电方案的关键参数设计 zs fh 05 ldld 3.关键技术处理（7）电方案的关键参数设计 4）灰的沾污系数 这是国内通用的灰的沾污系数计算公式 但是该公式并没有突出Na O低熔点物质的影响。通过实验和现场研究，我们提出了修正公式。 3.关键技术处理 （7）某电方案的关键参数设计 5）工质和烟气参数 项目名称 单位 数值 锅炉总风量 kg/s 223.98 烟气进口温度 145.5烟气出口温度 130工质进口温度 110工质出口温度 125.03烟气平均流速 9.73工质平均流速 1.04烟气冷却器换热面积 8023.8烟气冷却器换热量 kW 3811.2 3.关键技术处理 （7）某电方案的关键参数设计 6）安装位置 3.关键技术处理 （7）某电方案的关键参数设计 6）安装位置 3.关键技术处理 （7）某电方案的关键参数设计 6）安装位置 3.关键技术处理 （7）某电方案的关键参数设计 6）安装位置 3.关键技术处理 （7）某电方案的关键参数设计 7）烟气冷却器结构尺寸 名称 单位 数值 烟道截面长度 4.5烟道截面宽度 10.08受热面管束沿流向长度 2.154受热面管箱沿流向长度 2.754异径烟道进出口长度 21.5整体烟道纵向长度 5.754有效受热面积 8023.83.关键技术处理 （8）通流结构数值模拟及结构优化 1）烟道流通结构数值模拟（垂直） 空流道模拟 一段渐扩模型 二段渐扩模型 3.关键技术处理 （8）通流结构数值模拟及结构优化 2）烟道流通结构数值模拟（水平） 一段渐扩 两段渐扩 3.关键技术处理 （8）通流结构数值模拟及结构优化 2）烟道流通结构数值模拟（水平） 3.关键技术处理 （8）通流结构数值模拟及结构优化 1）传热结构数值模拟 1012 14 16 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42 4550 55 60 65 70 75 80 P=12P=16 h/d=2.105 /d=2.6323.关键技术处理 （9）换热器热力和阻力计算 对流面积3.关键技术处理 （9）换热器热力和阻力计算 对流受热面热平衡方程式通常采用校核计算法,设计结构几何尺寸 假定受热面出口烟温 热平衡方程：烟气侧 lfrp 传热方程3.关键技术处理 （9）换热器热力和阻力计算 辐射对流 热烟气 外壁 导热内壁 对流工质 3.关键技术处理（9）换热器热力和阻力计算 对流换热系数放热量=传热量，以灰层外表为基础的传热系数 尽管如此，实际中，上式直接由于确定传热系数仍有困难。须由实验确定 的大小。3.关键技术处理 （9）换热器热力和阻力计算 ln所谓温压,是指两种换热介质在整个受热 面的平均温差。当纯逆流和纯顺流时： 3.关键技术处理 （9）换热器热力和阻力计算 传热温压纯逆流布置时，温压； 纯顺流布置时，温压小； 其它情况的温压均介于这两者之间。 nl —按逆流计算的平均温压3.关键技术处理 （9）换热器热力和阻力计算 对流面积a.若管壁两侧放热系数相差很大而采用平壁传热 系数的计算公式时，以放热系数小的一侧的湿 润面积作为传热面积; b.如果管壁两侧热阻相当或放热系数相近而采用 平壁传热系数计算公式时,以管壁内外表面积 算术平均值作为传热面积。 1.项目研发背景 2.技术方案介绍 3.关键技术处理 4.技术支撑应用 4.技术支撑应用 （1）西安交通大学技术支撑 “十一五”863计划水泥窑余热发电技术成果4.技术支撑应用 （1）西安交通大学技术支撑 “十一五”863计划水泥窑余热发电技术成果（6项）4.技术支撑应用 （1）西安交通大学技术支撑 “十一五”863计划强化传热技术成果应用2）实验平台（积灰、清灰、磨损1） 积灰磨损试验台 （1）西安交通大学技术支撑 4.技术支撑应用 2）实验平台（积灰、清灰、磨损1） （1）西安交通大学技术支撑 4.技术支撑应用 2）试验平台（翅片管传热和阻力特性2） 试验装置 翅片管 导流叶片图 方形翅片管 螺旋翅片管 （1）西安交通大学技术支撑 4.技术支撑应用 低温腐蚀试验平台 2）试验平台（低温腐蚀3） （1）西安交通大学技术支撑 4.技术支撑应用 2）现场试验（低温腐蚀4） （1）西安交通大学技术支撑 4.技术支撑应用 CS1+CS2+316SS+ ND+CorTen 4.技术支撑应用 （1）西安交通大学技术支撑 3）已列入“十二五”国家支撑计划优先重点指定项目 基于风险的特种设备事故预防关键技术研究(2011BAK06B00)申报课题名称： 基于典型失效模式的超(超)临界电站锅炉事故预防关键技术研究 (2011BAK06B04),批复经费883万 课题负责单位：西安交通大学 07子课题：烟气深冷节能装置材料低温腐蚀安全防控技术 项目名称： 燃煤工业炉窑余能高效回收利用及能源合同管理技术与示范 燃煤工业炉窑余能高效回收利用及能源合同管理技术与示范 课题名称： 基于有机介质低温余热发电关键技术及能源合同管理 基于有机介质低温余热发电关键技术及能源合同管理 课题负责单位：中信重工机械股份有限 课题协作单位：西安交通大学 中国科学院工程热物理研究所 4.技术支撑应用 （1）西安交通大学技术支撑 4）已列入“十二五”国家支撑计划重点项目 4.技术支撑应用 （1）西安交通大学技术支撑 4）已列入“十二五”国家支撑计划重点项目； 1000t/h活性石灰生产线配套有机介质低温余热发电系统 的依托工程发电量可达2.5MW。 烟气由250降至80左右。 4.技术支撑应用（1）西安交通大学技术支撑 5）本项目拥有的专利技术支撑 4.技术支撑应用 （1）西安交通大学技术支撑 5）本项目拥有的专利技术支撑 300～1000MW机组技术方案通过专家评审 （2）通过权威技术评审 4.技术支撑应用 300～1000MW机组技术方案通过专家评审 （2）通过权威技术评审 4.技术支撑应用 4.技术支撑应用 （3）水泥窑、玻璃窑余热发电技术应用 4500t/d水泥窑余热发电 900t/d玻璃窑余热发电 终确认方案 现场考察 4.技术支撑应用 1）2010年3月26日，西安热工研究院有限和西安交通大学 联合投标“华能井冈山电＃2炉排烟余热回收系统（低压省 煤器）”改造项目，2010年6月已签订合同。 （4）烟气冷却器技术应用 除尘器后布置 除尘器前布置 2）2010年4月，青岛达能环保设备有限投标广东宝丽华新 能源股份有限荷树园电二期“2300循环流化床机组 烟气余热回收装置”改造项目，2010年7月31日签订合同。 4.技术支撑应用 （4）烟气冷却器技术应用 4.技术支撑应用 烟气冷却器结构布置图 3）2010年7月，青岛达能环保设备有限投标国电吉林龙华 长春热电一2350MW热电联产机组建设工程“烟气余热换 热器”新建项目，2010年8月21日签订技术协议。 （4）烟气冷却器技术应用
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