高效蒸汽加热技术在低低温电除尘器中的优化及应用

程永新，田庆峰

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，武汉 430071）

高效蒸汽加热技术在低低温电除尘器中的优化及应用

程永新，田庆峰

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，武汉 430071）

为防止低低温电除尘器灰斗积灰及瓷轴瓷套结露“爬电”，需提高除尘器加热系统功率。以某600 MW机组超低排放技改项目中低低温电除尘器加热系统为例，将除尘器灰斗、灰斗气化风、瓷轴瓷套电加热方式改造成安全高效的蒸汽加热系统，与电加热或常规蒸汽加热方案相比，节能效果显著，全系统没有产生闪蒸蒸汽，蒸汽热能利用率可达90%，并且对灰斗加热、瓷轴瓷套加热系统进行了优化设计，可彻底解决加热部件温度不均匀、灰斗积灰、腐蚀及瓷轴瓷套“爬电”短路等问题。

低低温电除尘器；蒸汽加热；电加热；灰斗积灰；灰斗气化风；瓷轴瓷套

0 引言

低低温电除尘器可将入口烟气温度降至酸露点以下（约为85～90℃），使电除尘在低低温状态下运行。由于灰的温度降低及灰中吸附大量的SO3，导致灰的湿度和黏度提高，增加了灰斗及输灰管堵塞风险[1，2]。绝缘瓷套温度下降易造成绝缘子积灰腐蚀及结露“爬电”，影响到电除尘安全运行。目前电除尘器加热系统大部分采用管（板）式电加热或常规蒸汽加热方案，前者将增加厂用电，影响机组经济性；后者加热后的排水仍为高温饱和水，会产生大量闪蒸蒸汽，热能利用率约为70%，造成能源的浪费和视觉的污染[3-5]。为此，提出一种节能高效的蒸汽加热方式，使低低温电除尘器加热系统（包含灰斗、灰斗气化风、瓷轴瓷套吹扫风）合理利用热量，做到梯级用能，“能”尽其用，实现节能降耗目标。

1 高效蒸汽加热技术

高效蒸汽加热技术是指低低温电除尘器的灰斗、灰斗气化风、瓷轴瓷套全部采用蒸汽加热，并对热量进行充分利用，既满足低低温电除尘器的加热需求，又最大限度减少蒸汽消耗。主要系统方案为：辅助蒸汽（压力0.9～1.0 MPa，温度为200～372℃）经过减压装置后，压力保持在0.7 MPa，先对灰斗的四面区域（2/3灰斗高度以下）进行加热，使灰斗外壁温度达到100～120℃。灰斗加热后的饱和水或汽水混合物再进入灰斗气化风及瓷轴瓷套吹扫风蒸汽加热器，分别将灰斗气化风加热到120～130℃、瓷轴瓷套吹扫风加热到110～120℃，最后以60～70℃的过冷水直接排放到回收点利用，如图1所示。

图1 高效蒸汽加热系统示意

该系统与常规蒸汽加热方案不同之处在于，灰斗加热后带压力饱和水的热量得到了进一步利用，最终以较大过冷度的低温水排出，全系统没有闪蒸蒸汽产生，蒸汽的热能利用率可达90%。因此，可显著降低蒸汽耗量，是一种高效节能的蒸汽加热方式。

2 低低温电除尘器加热系统技改方案

以某600 MW机组低低温电除尘器加热系统为例，对电加热改造为高效蒸汽加热方案进行分析。

2.1 除尘器加热系统技改前后主要技术参数

该项目每台机组配置2台双室四电场除尘器，共有32个灰斗、136个瓷轴瓷套、1套气化风系统。在灰斗锥部的夹层空间中，安装4只2 kW的管式电加热器。瓷轴瓷套布置在顶部的1个大密闭空间（绝缘室）内，每个瓷套下部安装1只1 kW的环形电加热器。

超低排放技改方案中，在除尘器入口设置烟气冷却器，使烟温降低至85℃，低于酸露点。现有电除尘器改为低低温电除尘器。因此，除尘器加热系统所需的热量较改造前需大幅提高，除尘器技改前后加热系统功率变化对比如表1所示。

由表1可知，低低温电除尘器加热功率较技改前需增加548 kW（单台炉），增幅约127%。考虑到电加热和传统蒸汽加热方案的不经济性，采用高效蒸汽加热技术对除尘器加热系统进行改造，将灰斗蒸汽加热后的饱和水在瓷套瓷轴加热器和灰斗气化风加热器中进一步放热，充分利用饱和水的显热，最后以60～70℃的过冷水排放出去，其热效率可以接近90%。由于饱和水的热功率小于气化风和吹扫风的加热功率，因此还需要补充部分蒸汽，气化风与吹扫风蒸汽加热器的热源，实际上是汽水混合物。相应的系统耗量如表2所示。

表1 600 MW机组除尘器技改前后加热系统功率变化对比（单台炉）

表2 600 MW机组低低温电除尘器蒸汽加热系统耗量（单台炉）

低低温电除尘器加热系统包括灰斗加热、灰斗气化风加热、瓷轴瓷套吹扫风加热等3部分。其中：灰斗加热装置有32组，每个灰斗为1组，全部并联加热；灰斗气化风加热器1台；瓷轴瓷套吹扫风加热器2台，加热系统示意布置如图2所示。

2.2 灰斗蒸汽加热方案

图2 600 MW机组低低温电除尘器高效蒸汽加热管路布置示意

该项目除尘器灰斗中上部为单层灰斗、下部为夹层灰斗。在锥部的夹层灰斗区域，安装了4只管式电加热器（功率合计8 kW）。改成低低温除尘器后，需增加灰斗加热面积，加热区域要达到灰斗高度的2/3[6-7]，故需拆除锥部的电加热器，并在原有电加热器区域，插入蒸汽盘管。在夹层上方的单层灰斗区域，四周布置4面蛇形盘管。考虑到夹层灰斗的下部锥部没有加热装置，而此处温度是最低的，需要大功率加热。为此，在锥部的下面段安装2片插入式翅片管散热器，使下灰顺畅。因此，灰斗蒸汽加热器包括3个部分：中上部的蛇形盘管、夹层灰斗上段的插入式盘管和夹层灰斗下段的插入式翅片管散热器。每个灰斗共用1根进汽管和出水管，汽水进出口设球阀以便检修，灰斗蒸汽加热管布置见图3。

图3 灰斗蒸汽加热管布置示意

灰斗蒸汽加热器采用Φ32 mm×3 mm的盘管结构，每个灰斗的散热面积约22 m2。在设计参数下，散热温差为70℃，盘管综合放热系数13 W/（m2·℃），因此每个灰斗盘管的散热功率为（22×13×70）/1 000≈20 W。 灰斗加热后的饱和水经过分流器引入瓷套瓷轴及气化风加热器。

灰斗加热是自然对流和辐射换热的综合，要获得最佳自然对流，需减少自然对流阻力。因此，与常规蒸汽灰斗加热相比，在布置方式上进行了优化设计：即在保温层与壁面之间隔出1个100 mm的夹层空间；盘管离壁面的距离为50 mm；在盘管外面一定距离覆盖铝箔，高反射率的铝箔既可强化盘管的低温辐射换热，又可加强保温，其加热效果好于普通的贴壁盘管加热，优化后的灰斗加热及保温结构布置见图4。

2.3 灰斗气化风加热方案

改造时可保留原有气化风电加热器（不通电仅作为风道使用），新增灰斗气化风蒸汽加热器，与原有电加热器并联布置，通过阀门与电加热系统隔离，即可实现2个加热器的切换运行和蒸汽加热器的检修。气化风由原来的罗茨风机出来，进入蒸汽加热器，将气化风温度加热到120℃以上，使灰斗底部的灰松动干燥，防止板结。新增蒸汽加热器功率大于原有电加热功率38 kW即可，需要的饱和水量为357 kg/h。

图4 灰斗加热及保温结构设计优化

灰斗气化风蒸汽加热器采用高效安全型汽水加热器，通过安全换热元件的强化换热，将冷空气加热到120～130℃，而排水温度在70℃以下。由于是连续带压排水，便于回收利用。

2.4 瓷轴瓷套吹扫风加热方案

该项目除尘器瓷套与瓷轴是一体式的，位于除尘器顶部大绝缘室内，单台炉共计136个瓷轴瓷套。瓷轴在瓷套上方，与烟气不接触。瓷套内部与烟气相通，上部有盖板，其温度接近烟气温度。为防止瓷轴瓷套表面结露“爬电”产生短路现象，需将热空气对瓷轴与绝缘子进行表面吹扫加热，并导入瓷套内部排挤烟气，保证绝缘子不积灰结露。

对于吹扫风蒸汽加热器，需要给136个吹扫点供风，每个吹扫点的风量（换算至标况）按不低于40 m3/h设计，则总风量不低于5 440 m3/h，且温度不低于110℃。经计算，灰斗加热的剩余饱和水量783 kg/h（相当于热量98 kW），还需要补充290 kg/h的蒸汽（相当于热量202 kW）。设置2台150 kW吹扫风蒸汽加热器、4台吹扫风机（2用2备），均布置在除尘器下方零米层。吹扫风经过2台并联的吹扫风蒸汽加热器后汇入总风管，输送到除尘器顶部并分成左右支管，再进入位于绝缘室的8根分支管，最后从瓷套周围环形管圆孔处吹出，如图5所示。

为使瓷套内壁吹扫效果更好，对瓷套顶盖开孔结构进行优化设计，如图6所示。使从小孔出来的射流风增大扩散角，让热风对瓷套内壁进行有效吹扫。

图5 瓷轴瓷套吹扫风布置示意

图6 瓷套顶盖吹扫口优化布置示意

通过对瓷套圆环及顶盖螺栓孔的结构优化，抵消瓷套内部的高负压，以维持大绝缘室微正压运行。根据圆孔的大空间自由射流计算及瓷套内受限空间射流的附壁效应分析，在瓷套出口截面处，所有射流正向流动，烟气无法进入瓷套内部。采取上述优化措施后，对瓷轴瓷套的均匀加热和吹扫问题彻底得以解决。

瓷套瓷轴吹扫风蒸汽加热器与气化风蒸汽加热器相同，也是高效安全型汽水加热器，均采用特殊的结构和保安控制系统，能够有效防止气化风和吹扫风带水。

3 技改前后节能效果分析

超低排放改造后，除尘器为低低温除尘器，为防止低低温电除尘器灰斗积灰及绝缘子结露“爬电”，需提高加热系统的功率[8]，单台炉由430 kW提升至978 kW。

若采用电加热方案，将消耗大量的电能，增加了厂用电率，影响了机组经济性。如果按传统的蒸汽加热改造，仅仅将电除尘器的灰斗改成蒸汽加热，其排水为高温饱和水，排放后还会产生15%以上的闪蒸蒸汽，热利用效率只有70%左右，既浪费能源又有视觉污染。

在采用高效蒸汽加热方案后，考虑加热消耗的蒸汽成本。假定供热标煤耗39.5 kg/GJ、发电标煤耗0.285 kg/kWh、标煤价 900元/t，对蒸汽加热方案与电加热方案进行经济性分析。电加热方案的年煤耗量 978×5 000×0.285=1 393.65 t，煤耗成本1 393.65×900=125.43万元。蒸汽加热方案的年煤耗量 1 430×3 052×5 000×10-6×39.5=861.96 t，煤耗成本861.96×900=77.58万元。可知采用蒸汽加热方案单台炉年节省标煤量531.69 t，直接运行成本节省47.85万元。蒸汽加热系统改造方案增加成本约175万元，经测算投资回收期约3.7年。除尘器技改前后加热方案经济性对比如表3所示。

表3 600 MW机组除尘器技改前后加热方案经济性对比（单台炉）

该技改项目低低温电除尘器蒸汽加热系统已于2016年3月投入运行，目前运行良好，节能效果显著。

4 结语

某600 MW机组超低排放技改项目中，将电除尘器入口烟气温度降至酸露点以下，为解决低低温电除尘器灰斗积灰及绝缘子结露“爬电”问题，加热功率增加约1.27倍，若采用电加热，则增加了机组运行费用。采用高效蒸汽加热技术方案后，其蒸汽耗量比常规的除尘器蒸汽加热方案减少20%，全系统没有产生闪蒸蒸汽，蒸汽热能利用率可达90%，且运行费用比电加热低，节能降耗效果显著。

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Optimization and Application of High Efficiency Steam Heating Technology in Low-low Temperature ESP

CHENG Yongxin，TIAN Qingfeng

（Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group，Wuhan 430071， China）

In order to prevent low-low temperature electrostatic precipitator （ESP） ash fouling and creepage due to ceramic shaft and bushing condensation，it needs to improve the heating system power of the ESP.Taking low-low temperature ESP heating system in ultra-low emission technological transformation project of 600 MW units as an example， electric heating of precipitator ash bunker， ash bucket gasification wind， ceramic shaft and bushing is transformed into safe and efficient steam heating system，which is characterized by its remarkable energy saving effect compared with electric heating and traditional steam heating； besides，there is no flash steam and heat energy utilization rate of the steam is up to 90%.The ash bucket heating and ceramic shaft and bushing heating system is optimized to completely handle uneven temperature of the heated parts,ash bunker fouling，corrosion and short circuit due to ceramic shaft and bushing creepage.

low-low temperature ESP； steam heating； electric heating； ash bucket fouling； ash bucket gasification wind；ceramic shaft and bushing

10.19585/j.zjdl.201709016

1007-1881（2017）09-0075-05

X773

B

2017-05-31

程永新（1981），男，高级工程师，从事火力发电厂热机设计工作。

（本文编辑：陆 莹）