CN106016343A - 一种燃煤锅炉组合式空气预热器 - Google Patents

一种燃煤锅炉组合式空气预热器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃煤锅炉组合式空气预热器，包括蒸发管束、联通管、热量调节器、液位计、联通管组、测温装置、控制器、控制阀、给水管、第一级空气预热器、排汽阀；所述热量调节器位于蒸发管束上方，第一级空气预热器位于热量调节器上方；蒸发管束的上端通过管道与热量调节器相连通，热量调节器与第一级空气预热器通过联通管组相连通；所述蒸发管束设于烟道内。本发明改善了燃煤锅炉空气预热器酸结露、积灰问题，解决了小型燃煤锅炉无法使用空气预热器问题，大幅度提高小型燃煤锅炉的效率。

Description

一种燃煤锅炉组合式空气预热器
技术领域
本发明涉及空气分级加热系统和装置，特指一种燃煤锅炉组合式空气预热器。
背景技术
背景1：燃煤锅炉空气预热器面临的威胁
燃煤锅炉烟气中的SO3与水蒸气结合形成H2SO4蒸汽，当受热面温度低于酸露点时，受热面出现硫酸溶液，其结果是：(1)受热面腐蚀、穿孔；(2)受热面上的酸液吸附烟气中的飞灰，形成“粘结性”积灰，影响传热。严重时，酸腐蚀导致换热器的结构和性能破坏，影响正常生产，甚至会出现安全事故。
背景2：现有燃煤锅炉空气预热器的使用状况
小容量低参数燃煤锅炉基本上不使用空气预热器。
大容量燃煤锅炉使用管式空气预热器。
电站锅炉使用回转式空气预热器。
背景3：现有燃煤锅炉空气预热器使用上存在的问题分析
(1)小容量低参数燃煤锅炉不使用空气预热器。由于空气预热器面临腐蚀、积灰、堵塞及运行管理问题，小容量低参数燃煤锅炉使用空气预热器回收低温热能，性价比低，因此，作为独立的企业来说，放弃余热回收、选择烟气高温排烟，是最划算的。目前10t/h及以下锅炉，排烟温度在180℃以上。我国小容量低参数锅炉用户量大、面广，烟气高温排放对整个国家的节能减排极为不利。
(2)大容量燃煤锅炉使用管壳式空气预热器。大容量燃煤锅炉采用管壳式空气预热器预热空气、回收热能，显著提高锅炉的热效率，并改善锅炉燃烧状况，理想情况下，其节能带来的收益明显高于设备投入和维护费用，而且可把腐蚀破坏问题控制在锅炉维修周期内，并能在维修期内快速更换被腐蚀的预热器组件。
但是，管壳式空气预热器是利用冷(空气)热(烟气)流体通过间壁式换热来实现，根据传热学原理，管式空气预热器的空气一侧进口处壁面温度最低，势必导致逆流换热方式(设计时常采用)的烟气一侧对应位置的壁温最低，为了避免最低壁温处发生酸结露而出现腐蚀现象，通常采用了保守设计方法：以最低壁温(高于酸露点)为第一设计参数，排烟温度服从最低壁温的需要。这种设计理念的结果是：在标准状态下，最低壁温与排烟温度往往需要相差60℃～80℃，如果环境温度发生变化时，势必导致换热器最低壁温发生变化。如：在漫长的冬季，南方空气温度会低到0℃左右、北方空气温度会低到-30℃，管式空气预热器最低壁温必然低于原设计值，酸结露不可避免，即使最低壁温与排烟温度相差100℃以上也无法解决壁面酸结露腐蚀问题。一旦出现酸结露，受热面就开始发生腐蚀、积灰，直到穿孔破损、漏气，造成大量的冷空气进入烟气中，排烟温度虚低；同时，由于大量的冷空气进入烟气，又要补足锅炉所需的空气，增加了鼓风机和引风机的引风量，导致风机能耗大幅度增加。
当然，管式空气预热器的最大优点是密封性好，一旦出现腐蚀破损，这一优点消失；但是，为了避免酸结露，以壁面温度为依据的设计牺牲了大量的低温余热，对节能减排来说不利。实践表明，因为环境温度的变化，管壳式空气预热器未达到维修期时就会出现受热面严重破损、严重串风现象，影响了锅炉的性能和锅炉的热效率。
(3)电站锅炉采用回转式空气预热器。回转式空气预热器是利用冷(空气)热(烟气)流体交替通过蓄热器元件(波纹板)进行接触式换热，其优点是：传热速度快、传热强度大、体积小；尽管酸结露和积灰现象不可避免，但主体框架结构耐腐蚀，蓄热器元件模块式设计和布置，使其受到腐蚀破坏后能便利、快捷更换。
但是，回转式空气预热器存在的缺点是显著的。
漏风。这是回转式空气预热器结构缺陷。庞大的蓄热体或烟道风道相对旋转运动，烟气侧与空气侧之间的缝隙，就存在直接漏风(压力高的流体通过缝隙流向压力低的流体，即空气进入烟气)和携带漏风现象。一般情况下，一次风、二次风通过扇形密封板的间隙向大气、烟气中泄漏，装置加工质量良好时，漏风率为6％～8％，运行一段时间后，缝隙变大，漏风率为8％～12％，加工质量或维护不到位时，漏风率为15％～30％。漏风的结果是：烟气被泄漏的冷空气参混，热回收效率降低；同时，为了保证锅炉正常运行，需要加大鼓风量和引风量，这样就大幅度增加鼓风机和引风机能耗。
文献研究和理论计算表明，回转式空气预热器漏风率每减少1％，燃煤发电机组的供电煤耗将减少约0.15g/(kWh)，按照回转式空气预热器平均漏风率10％计算，解决空气预热器漏风问题，全国全年发电可节约标煤约超千万吨。
酸结露、积灰和堵塞。当空气、烟气周期性地流经波纹板放热时，波纹板温度周期性地由高变低及由低变高，其表面会随之出现酸结露、酸液蒸发现象。受热面上的酸液吸附烟气中的灰尘，后酸液蒸发，产生“粘结性”干积灰，逐渐堵塞气流通道，形成灰堵。积灰和堵塞的结果是：换热量逐渐降低，烟气流动阻力增加，增加风机能耗；“粘结性”积灰清理困难，严重时需停机清灰。
由此可见，回转式空气预热器的应用，虽然解决了管式空气预热器的问题，也暴露了自身的严重缺馅。
目前，电站锅炉设计水平和运行水平很高，要想进一步提高锅炉机组的热效率，改进空气预热器的预热方式是提高热效率的一个重要的方向。
总之，燃煤锅炉空气预热器的形式不统一，说明空气预热技术不够完美，都存在无法逾越的问题：受热面酸结露、腐蚀和积灰，这些导致锅炉热效率下降，锅炉系统性能分不稳定。
目前，国内、外关于燃煤锅炉采用统一模式、能进一步提高锅炉热效率的空气预热器的文献很少。
但是，对于大型锅炉的高温烟气排放，回收余热的文献很多，如专利文献CN1619246A(2004.10.28)“一种避免锅炉空气预热器腐蚀低温腐蚀的方法”，利用除氧器或给水箱中的高温水来加热空气，水加热空气后温度还比较高，再把这些温度比较高的水送热烟气冷却器吸热升温，烟气放热降温，由于烟气冷却器中的水温较高，不会导致冷却器外的壁温低于酸露点，避免了受热面的腐蚀；如专利文献CN102705861A(2012.06.15)“一种燃煤工业锅炉空气预热系统”，在锅炉尾部烟道和鼓风机出口分别布置换热器，利用传热工质水把烟道中吸收的热量传递到风道的空气中，实现烟气余热来预热空气，由于水温及换热壁面温度的严格控制，能避免酸结露的发生；如专利文献CN100402964C(2004.12.14)“热管换热器避免露点腐蚀的方法及一种热管换热器”，采用了热管技术，由许多独立的热管组成空气预热器，具有就好的换热性能和防腐性能。这类型技术针对的是余热回收，效果明显，如果要代替空气预热器，解决诸如小容量锅炉用上空气预热器、管式空气预热器具有较好的防腐性能、回转式空气预热器解决漏风问题等，还存在很大的差距。
发明内容
本发明的目的是针对现有燃煤锅炉空气预热技术中存在的问题和不足进行改进和创新，提供一种燃煤锅炉组合式空气预热器，防止空气预热装置腐蚀和“粘结性”积灰，降低排烟温度，提高锅炉热效率。
本发明的技术方案如下：
一种燃煤锅炉组合式空气预热器，包括蒸发管束、联通管、热量调节器、液位计、联通管组、测温装置、控制器、控制阀组、给水管、第一级空气预热器、排气阀；所述热量调节器位于蒸发管束上方，第一级空气预热器位于热量调节器上方；蒸发管束的上端通过管道与热量调节器相连通，热量调节器与第一级空气预热器通过联通管组相连通；所述蒸发管束设于烟道内；
所述蒸发管束由至少2组蒸发管排组成，任意一组蒸发管排由至少2根烟气换热管组成；任意一组蒸发管排上的烟气换热管的下端通过下管集箱相连通，下管集箱上设有连通口，相邻两组蒸发管排上的连通口通过联通管相连通；任意一组蒸发管排上的烟气换热管的上端通过上管集箱相连通，上管集箱的上表面设有排汽口，排汽口与热量调节器相连通；
所述热量调节器包括汽包和蛇形管组，汽包的下壁通过管道与蒸发管束上的排汽口相连通；蛇形管组设于汽包内，蛇形管组至少设置有2条蛇形管，所有蛇形管的进水端并联于一条进水集箱管上，进水集箱管与给水管相连通；所有蛇形管的出水端并联于一条出水集箱管上，出水集箱管与出水管相连通；所述的进水集箱管和出水集箱管之间通过管道连接有控制阀组，控制阀组由至少2个控制阀组成；控制阀组电性连接控制器的信号输出端，控制器的信号输入端电性连接测温装置，测温装置设置于汽包上；
所述第一级空气预热器内设有至少2组空气换热管排，任意一组空气换热管排包括蒸汽下集箱、蒸汽上集箱和至少2根空气换热管，任意一组空气换热管排上的所有空气换热管的上端通过蒸汽上集箱相连通，任意一组空气换热管排上的所有空气换热管的下端通过蒸汽下集箱相连通；所有蒸汽下集箱通过联通管组与汽包相连通；所述第一级空气预热器上设有排气管，所述排气阀设于所述排气管上；
所述液位计的上端通过管道与汽包相连通，液位计的下端通过管道与蒸发管束上的连通口相连通。
进一步，还包括第三级空气预热器、第一空气管道、第二级空气预热器、第二空气管道，第三级空气预热器和第二级空气预热器均设于烟道内，第二级空气预热器位于蒸发管束上游，第三级空气预热器设于蒸发管束和第二级空气预热器之间；第二级空气预热器的空气进口端通过第二空气管道与第一级空气预热器的空气出口端相连通，第二级空气预热器的空气出口端通过第一空气管道与第三级空气预热器的进口端相连通。
进一步，所述第一级空气预热器内相邻2组空气换热管排之间设有隔板，所有的隔板交错设置。
组合式空气预热器原理：蒸发管束预先注入饱和水，蒸发管束内的水吸收烟气热量产生蒸汽，蒸汽进入热量调节器后，再沿联通管组进入第一级空气预热器，在第一级空气预热器内加热空气，蒸汽释放潜热变为冷凝水，通过联通管组流回蒸发管束，空气吸收潜热后升温；升温后的空气进入高温段的第二级空气预热器加热，温度进一步提升，再进入第三级空气预热器继续加热，温度再度升高。热量调节器通过调节流经蛇形管中的水量来调节进入第一级空气预热器的蒸汽量(具体为：通过在控制器内预先写入程序，控制器在接收到测温装置传送来的温度信号后，对温度信号进行判断，从而控制控制阀组的开度，以实现调节目的)，使冷空气的吸热量和蛇形管中水的吸热量等于蒸汽释放的潜热，确保蒸发管束中饱和水的温度(或换热管壁面温度)高于酸露点。
与现有的空气预热器技术相比，本发明的优点：
(1)受热面可以避免酸结露，消除受热面腐蚀问题，及由于酸结露而出现的换热管破损漏风和“粘结性”积灰问题，降低了锅炉排烟温度；
(2)锅炉辅助设备引风机、鼓风机及锅炉系统的安全运行系数大大提高，维护工作量降低。
(3)解决了小型燃煤锅炉无法使用空气预热器问题，大幅度提高小型燃煤锅炉的效率。
附图说明
图1为本发明的系统和装置的前视结构示意图；
图2为第一级空气预热器结构的俯视示意图；
图3为任意一组蒸发管排的结构示意图。
附图说明：1-蒸发管束、2-联通管、3-热量调节器、4-液位计、5-汽包、6-蛇形管组、7-连通管组、8-测温装置、9-控制器、10-控制阀组、11-给水管、12-第三级空气预热器、13-第一空气管道、14-第二级空气预热器、15-第二空气管道、16-第一级空气预热器、17-排气阀、101-烟气换热管、102-下管集箱、103-上管集箱、104-排汽口、105-连通口、1601-空气换热管、1602-蒸汽下集箱、1603-蒸汽上集箱、1604-隔板
具体实施方式
对小容量低参数锅炉，容量10t/h以下、压力0.98MPa、蒸汽温度183℃，排烟温度165℃，无空气预热器。锅炉运行后，实际排烟温度175℃～200℃。采用本发明燃煤锅炉空气预热系统及装置组成的一级空气加热系统和装置进行改造，锅炉排烟温度可降到140℃以下。即：
如图1所示，一种燃煤锅炉组合式空气预热器，包括蒸发管束1、联通管2、热量调节器3、液位计4、联通管组7、测温装置8、控制器9、控制阀组10、给水管11、第一级空气预热器16、排气阀17；所述热量调节器3位于蒸发管束1上方，第一级空气预热器16位于热量调节器3上方；蒸发管束1的上端通过管道与热量调节器3相连通，热量调节器3与第一级空气预热器16通过联通管组7相连通；所述蒸发管束1设于烟道内；
如图3所示，所述蒸发管束1由至少2组蒸发管排组成，任意一组蒸发管排由至少2根烟气换热管101组成；任意一组蒸发管排上的烟气换热管101的下端通过下管集箱102相连通，下管集箱102上设有连通口105，相邻两组蒸发管排上的连通口105通过联通管2相连通；任意一组蒸发管排上的烟气换热管101的上端通过上管集箱103相连通，上管集箱103的上表面设有排汽口104，排汽口104与热量调节器3相连通；
所述热量调节器3包括汽包5和蛇形管组6，汽包5的下壁通过管道与蒸发管束1上的排汽口104相连通；蛇形管组6设于汽包5内，蛇形管组6至少设置有2条蛇形管，所有蛇形管的进水端并联于一条进水集箱管上，进水集箱管与给水管11相连通；所有蛇形管的出水端并联于一条出水集箱管上，出水集箱管与出水管相连通；所述的进水集箱管和出水集箱管之间通过管道连接有控制阀组10，控制阀组10由至少2个控制阀组成；控制阀组10电性连接控制器9的信号输出端，控制器9的信号输入端电性连接测温装置8，测温装置8设置于汽包5上；
所述第一级空气预热器16内设有至少2组空气换热管排，任意一组空气换热管排包括蒸汽下集箱1602、蒸汽上集箱1603和至少2根空气换热管1601，任意一组空气换热管排上的所有空气换热管1601的上端通过蒸汽上集箱1603相连通，任意一组空气换热管排上的所有空气换热管1601的下端通过蒸汽下集箱1602相连通；所有蒸汽下集箱1602通过联通管组7与汽包5相连通，即连通管组7所包含的连通管的数量至少与空气换热管排的数量相等；所述第一级空气预热器16上设有排气管，所述排气阀17设于所述排气管上；
所述液位计4的上端通过管道与汽包5相连通，液位计4的下端通过管道与蒸发管束1上的连通口105相连通。
当锅炉容量大于10t/h时，还包括第三级空气预热器12、第一空气管道13、第二级空气预热器14、第二空气管道15，第三级空气预热器12和第二级空气预热器14均设于烟道内，第二级空气预热器14位于蒸发管束1上游，因此，第二级空气预热器14所在的烟道处的温度相对于蒸发管束1所在的烟道处的温度更高；第三级空气预热器12设于蒸发管束1和第二级空气预热器14之间；第二级空气预热器14的空气进口端通过第二空气管道15与第一级空气预热器16的空气出口端相连通，第二级空气预热器14的空气出口端通过第一空气管道13与第三级空气预热器12的进口端相连通。
如图2所示，所述第一级空气预热器16内相邻2组空气换热管排之间设有隔板1604，所有的隔板交错设置，即各隔板1604将第一级空气预热器16内的通道分隔成“Z”形通道，这样就延长了空气在第一级空气预热器16内的流经时间，利于充分加热和利用蒸汽的热量。
组合式空气预热器工作过程如下：
蒸发管束1吸收烟气热量后，产生蒸汽由排汽口104进入热量调节器3，然后，绝大部分蒸汽经过连通管组7进入第一级空气预热器16，在第一级空气预热器16中，蒸汽冷凝，在重力作用下流回蒸发管束1，空气吸热升温，升温后的空气依次进入第二级空气预热器14、第三级空气预热器12继续加热升温。
为了保障系统装置正常运行，运行前给蒸发管束1加水到液位计4指定的液位，锅炉运行后，排气阀17全开，排汽一定时间，且液位计4液位回到设计位置，关闭排气阀17。
为了保证蒸发管束1换热管壁面温度高于酸露点，由汽包5上的测温装置8测定温度，把信号值传递给控制器9，根据控制器9设定的程序对控制阀组10的阀门进行开关，调节进入热量调节器3蛇形管组6内的锅炉给水量。

Claims (3)

1.一种燃煤锅炉组合式空气预热器，其特征在于，包括蒸发管束(1)、联通管(2)、热量调节器(3)、液位计(4)、联通管组(7)、测温装置(8)、控制器(9)、控制阀组(10)、给水管(11)、第一级空气预热器(16)、排气阀(17)；所述热量调节器(3)位于蒸发管束(1)上方，第一级空气预热器(16)位于热量调节器(3)上方；蒸发管束(1)的上端通过管道与热量调节器(3)相连通，热量调节器(3)与第一级空气预热器(16)通过联通管组(7)相连通；所述蒸发管束(1)设于烟道内；
所述蒸发管束(1)由至少2组蒸发管排组成，任意一组蒸发管排由至少2根烟气换热管(101)组成；任意一组蒸发管排上的烟气换热管(101)的下端通过下管集箱(102)相连通，下管集箱(102)上设有连通口(105)，相邻两组蒸发管排上的连通口(105)通过联通管(2)相连通；任意一组蒸发管排上的烟气换热管(101)的上端通过上管集箱(103)相连通，上管集箱(103)的上表面设有排汽口(104)，排汽口(104)与热量调节器(3)相连通；
所述热量调节器(3)包括汽包(5)和蛇形管组(6)，汽包(5)的下壁通过管道与蒸发管束(1)上的排汽口(104)相连通；蛇形管组(6)设于汽包(5)内，蛇形管组(6)至少设置有2条蛇形管，所有蛇形管的进水端并联于一条进水集箱管上，进水集箱管与给水管(11)相连通；所有蛇形管的出水端并联于一条出水集箱管上，出水集箱管与出水管相连通；所述的进水集箱管和出水集箱管之间通过管道连接有控制阀组(10)，控制阀组(10)由至少2个控制阀组成；控制阀组(10)电性连接控制器(9)的信号输出端，控制器(9)的信号输入端电性连接测温装置(8)，测温装置(8)设置于汽包(5)上；
所述第一级空气预热器(16)内设有至少2组空气换热管排，任意一组空气换热管排包括蒸汽下集箱(1602)、蒸汽上集箱(1603)和至少2根空气换热管(1601)，任意一组空气换热管排上的所有空气换热管(1601)的上端通过蒸汽上集箱(1603)相连通，任意一组空气换热管排上的所有空气换热管(1601)的下端通过蒸汽下集箱(1602)相连通；所有蒸汽下集箱(1602)通过联通管组(7)与汽包(5)相连通；所述第一级空气预热器(16)上设有排气管，所述排气阀(17)设于所述排气管上；
所述液位计(4)的上端通过管道与汽包(5)相连通，液位计(4)的下端通过管道与蒸发管束(1)上的连通口(105)相连通。
2.根据权利要求1所述的一种燃煤锅炉组合式空气预热器，其特征在于，还包括第三级空气预热器(12)、第一空气管道(13)、第二级空气预热器(14)、第二空气管道(15)，第三级空气预热器(12)和第二级空气预热器(14)均设于烟道内，第二级空气预热器(14)位于蒸发管束(1)上游，第三级空气预热器(12)设于蒸发管束(1)和第二级空气预热器(14)之间；第二级空气预热器(14)的空气进口端通过第二空气管道(15)与第一级空气预热器(16)的空气出口端相连通，第二级空气预热器(14)的空气出口端通过第一空气管道(13)与第三级空气预热器(12)的进口端相连通。
3.根据权利要求1或2所述的一种燃煤锅炉组合式空气预热器，其特征在于，所述第一级空气预热器(16)内相邻2组空气换热管排之间设有隔板(1604)，所有的隔板交错设置。
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