脫硫系統(tǒng)煙氣換熱器:煙氣脫硫脫硝換熱器介紹
在眾多的傳熱元件中，熱管是人們所知的最有效的傳熱元件之一，它可將大量的熱量通過其很小的截面積遠(yuǎn)距離地傳輸而無需外加動力。國際上對熱管技術(shù)的研究和應(yīng)用在20世紀(jì)60年代開始。我國在這方面的研究起始于上世紀(jì)70 年代，開展了熱管的傳熱性能研究和熱管在電子器件冷卻和空間飛行器方面的應(yīng)用研究。80年代初，我國的熱管研究和開發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)能和能源的合理利用，相繼開發(fā)了熱管氣—?dú)鈸Q熱器、熱管余熱鍋爐、高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器、高溫?zé)峁軣犸L(fēng)爐等各類熱管產(chǎn)品。由于碳鋼—水重力熱管的結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、制造方便、易于在工業(yè)中推廣應(yīng)用，使得熱管技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的開發(fā)與研究得到了迅速的發(fā)展。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，熱管研究和應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷拓寬。目前，熱管及熱管換熱器作為高效傳熱傳質(zhì)設(shè)備已廣泛應(yīng)用于石油、化工、動力、冶金、建材、輕工等領(lǐng)域，以及電子裝置芯片冷卻、筆記本電腦CPU冷卻及電路控制板等的冷卻。
目前，除微型熱管已批量化、大規(guī)模生產(chǎn)外，無論是工業(yè)過程中的熱管換熱設(shè)備還是余熱回收用的熱管換熱器，由于各種設(shè)備規(guī)模、大小、使用情況的不同，每臺設(shè)備均可以根據(jù)現(xiàn)有的工藝條件、現(xiàn)場情況進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造。
熱管受熱側(cè)吸收高溫流體熱量，熱量通過熱管壁傳給管內(nèi)工質(zhì)，工質(zhì)吸熱后沸騰和蒸發(fā)，轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝羝趬翰畹淖饔孟律仙练艧醾?cè)，受管外低溫流體的冷卻，蒸汽冷凝并向外放出凝結(jié)潛熱，低溫流體獲得熱量，冷凝液依*重力回到受熱側(cè)。如此周而復(fù)始，高溫流體熱量便傳給低溫流體，使低溫流體得到加熱。
由于熱管內(nèi)部一般抽成一定的真空，工質(zhì)極易沸騰與蒸發(fā)，熱管啟動非常迅速，因此其具有很高的導(dǎo)熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數(shù)量級的熱量。
國內(nèi)外目前普遍采用的脫硫方法為濕式石灰石—石膏法煙氣脫硫技術(shù)，90%以上的國內(nèi)外火電廠脫硫技術(shù)均采用此種方法，在該工藝中，選擇既經(jīng)濟(jì)又高效可行的煙氣換熱裝置是脫硫工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利用未脫硫的高溫?zé)煔馔ㄟ^換熱器去加熱脫硫后的凈煙氣，使凈煙氣從40℃被加熱到提升煙氣的抬升高度。利用脫硫換熱器既可以回收高溫?zé)煔獾臒崃�、�?jié)省能源，又可以保證脫硫塔的正常工作、減少水消耗，同時(shí)提高脫硫塔的脫硫效率、降低對大氣的二次污染。
該換熱器有一個矩形的外殼，內(nèi)部由許多單根熱管組成，熱管的布置形式可以是錯列呈三角形的排列，也可以是順列呈正方形的排列。在矩形殼體內(nèi)部的中央有一塊管板（中孔板）把殼體分成兩部分，形成高溫流體（原煙氣）和低溫流體（凈煙氣）的通道。當(dāng)高、低溫流體同時(shí)在各自的通道中流過時(shí)，熱管就將高溫流體（原煙氣）的熱量傳給低溫流體（凈煙氣），實(shí)現(xiàn)了兩種流體的熱交換，使原煙氣的溫度降低達(dá)到去吸收塔的溫度，凈煙氣的溫度升高滿足排放的要求。在換熱器中，熱管數(shù)量的多少取決于換熱量的大小，為提高換熱系數(shù)，在熱管上纏繞翅片，這樣可使所需的熱管數(shù)目大大減少。因此，采用熱管式GGH換熱裝置具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1) 中間管板的密封
熱管式GGH中中孔板是分隔原煙氣與凈煙氣的隔板，不使原煙氣與凈煙氣串流， 其密封性要求較高。設(shè)計(jì)時(shí)采用密封圈和錐面線密封對原煙氣與凈煙氣加以雙重密封，確保密封的可*性。
為了確保熱管在運(yùn)行中熱膨脹及振動引起的密封破壞，保證中孔板的嚴(yán)格密封，在每根熱管的頂部（或底部）用彈簧對熱管進(jìn)行壓緊（或拉緊），確保萬無一失。
（2）熱管的熱膨脹
熱管式GGH中每根熱管只有一個固定點(diǎn)，該固定點(diǎn)在中孔板處，其兩端均可自由膨脹，因此熱管的膨脹不會對換熱器產(chǎn)生危害。
清灰方式
考慮到整個脫硫系統(tǒng)中煙氣的含塵量較高，在設(shè)備中，為提高傳熱效率，熱管仍采用錯排形式，但管外纏繞的翅片采用了大螺距、低翅高形式。為考慮清灰，設(shè)備內(nèi)按一定間距布置了若干組吹灰管束，并且配備激波或聲波吹灰器接口。同時(shí)，在換熱器的冷、熱流體通道中每隔4-6排管排就留出人行通道，必要時(shí)可采取人工進(jìn)入徹底清灰，也利于設(shè)備的內(nèi)部維護(hù)。 設(shè)備底部和中部均留有排污口和排液口，方便清灰處理和及時(shí)排污。
煙氣速度
選擇合適的煙氣流動速度，達(dá)到自清灰性能。一般說來，能使熱管具有自清灰性能的風(fēng)速范圍是8-12 m/s，熱管式GGH中，在滿足煙氣阻力降的要求下，煙氣流速控制在9-10 m/s之間,說明該設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí),能達(dá)到自清灰的作用。
防腐處理
在煙氣脫硫技術(shù)中，除干法外，其它脫硫方法均要解決裝置的腐蝕與防護(hù)問題。在熱管式GGH中同樣也存在腐蝕問題，可以采取以下措施：
（1）合理控制熱管壁溫
根據(jù)熱管的特點(diǎn)，通過調(diào)整冷、熱側(cè)的傳熱面積比，使熱管工作在“允許腐蝕區(qū)域”。
根據(jù)國內(nèi)外的試驗(yàn)證明腐蝕速度并不是簡單地隨著溫度的降低而增加，而是如圖2所示的關(guān)系。從圖中可以看出，在酸露點(diǎn)的腐蝕程度并不高，最高腐蝕點(diǎn)出現(xiàn)在接近酸露點(diǎn)處；然后隨著溫度的繼續(xù)降低，腐蝕程度也迅速下降，直至最低腐蝕點(diǎn)；再繼續(xù)降低溫度，腐蝕程度又會增加。
這說明，在酸露點(diǎn)以下存在著一個腐蝕速度很小的區(qū)域—“允許腐蝕區(qū)域”。如果受熱面工作在這個區(qū)域內(nèi)，就可以把腐蝕降低到最小。這樣可以通過調(diào)整熱管冷熱側(cè)的傳熱面積比，使熱管工作在“允許腐蝕區(qū)域”。
(2) 選用合適的管材
換熱器中熱管元件采用耐腐蝕ND鋼管。目前，ND鋼管是專門用于耐硫酸低溫露點(diǎn)腐蝕的材料，可以降低腐蝕速率，延長使用時(shí)間。
(3) 燒鍍搪瓷（搪玻璃）或鍍陶瓷技術(shù)的采用
在熱管的外表面采用燒鍍搪瓷或陶瓷的技術(shù)來防止其低溫露點(diǎn)的腐蝕。搪瓷傳熱元件是在普通碳鋼（翅片管）外涂一層耐酸搪瓷。由于搪瓷層很薄，一般厚度為0.2mm，與碳鋼結(jié)合緊密，對傳熱效果影響很小，搪瓷管的傳熱系數(shù)≥48.38W/（m2℃），
與碳鋼管相比，相對降低率<7.14%；且搪瓷表面光滑，不易結(jié)垢和積灰，又耐磨損、抗腐蝕；投資費(fèi)用較選用耐酸不銹鋼有明顯的降低。
由于采用了燒鍍搪瓷的技術(shù)對熱側(cè)的換熱面進(jìn)行了處理，在正常操作狀態(tài)下，熱管式GGH中熱管元件能有效地保證連續(xù)工作。
(4) 殼體的防腐處理
在換熱器殼體內(nèi)，原煙氣、凈煙氣通道均采取措施，可以采用內(nèi)襯鱗片襯里。該技術(shù)目前已成為煙氣脫硫防腐的首選技術(shù)，在美國和日本普遍使用，我國現(xiàn)運(yùn)行的引進(jìn)裝置中均采用此技術(shù)。鱗片襯里具有抗?jié)B性好，施工難度小，易修補(bǔ)，物理失效少等優(yōu)點(diǎn)。
整體式熱管GGH
根據(jù)熱管換熱器的特點(diǎn)，熱管式GGH可以有多種布置形式。
（1）立式熱管GGH，原煙氣、凈煙氣分別在換熱器的下部煙道和上部煙道，采用逆流布置，實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的熱交換。
（2）斜置式熱管GGH，原煙氣、凈煙氣分別在換熱器的左下部煙道和右上部煙道，采用逆流布置，實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的熱交換。這里，熱管采取傾斜放置，這種布置形式更有利于清灰處理。
分離式熱管GGH
原煙氣、凈煙氣分別采用兩個獨(dú)立的箱體，每臺殼體內(nèi)均裝有若干片由翅片管和上、下聯(lián)箱組焊而成的彼此獨(dú)立的熱管管束。如圖3所示。受熱段和放熱段相對應(yīng)的各片管束通過蒸汽上升管和冷凝液下降管連接，構(gòu)成各自獨(dú)立的封閉系統(tǒng)。這里，受熱段與放熱段分離開來，用蒸汽上升管和冷凝液下降管將它們聯(lián)接，組成了具有熱管傳熱效應(yīng)的又一結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)管束內(nèi)部形成一定的真空度后，熱流體通過受熱段（原煙氣換熱器）時(shí)，受熱段管束內(nèi)的工質(zhì)吸收熱量后汽化，產(chǎn)生的蒸汽匯集受熱段上部的上聯(lián)箱內(nèi)，經(jīng)蒸汽上升管輸送到冷流體通過的放熱段（凈煙氣換熱器）的管束內(nèi)，受管外冷流體的作用，蒸汽冷凝放出的凝結(jié)潛熱將管外的冷流體（凈煙氣）加熱，蒸汽冷凝后的液體匯集放熱段下部的下聯(lián)箱內(nèi)，在位差的作用下，通過冷凝液下降管回到受熱段管束內(nèi)繼續(xù)蒸發(fā)。如此往復(fù)循環(huán)進(jìn)行，從而完成熱量由受熱段到放熱段的輸送。
其特點(diǎn)：
（1）裝置的原煙氣側(cè)和凈煙氣側(cè)可視現(xiàn)場情況而分開布置，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳熱，這就給工藝設(shè)計(jì)帶來了較大的靈活性，也給裝置的大型化、熱能的綜合利用以及熱能利用系統(tǒng)的優(yōu)化創(chuàng)造了良好的條件；
（2）工作介質(zhì)的循環(huán)是依*冷凝液的位差和重力作用，不需要外加動力，無機(jī)械運(yùn)行部件，增加了設(shè)備的可*性，也極大地減少了運(yùn)營費(fèi)用；
（3）原煙氣側(cè)和凈煙氣側(cè)彼此獨(dú)立，易于實(shí)現(xiàn)流體分隔、密封。
(4) 受熱段與放熱段管束可根據(jù)冷、熱流體的性能及工藝要求選擇不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材質(zhì)，從而可有效地解決設(shè)備的露點(diǎn)腐蝕和積灰問題；
(5) 根據(jù)工藝要求，可以將流體順、逆流混合布置，以適應(yīng)較寬的溫度范圍；
(6) 系統(tǒng)換熱元件由多片熱管管束組成，各片之間相互獨(dú)立，因此，其中一片甚至幾片損壞或失效不會影響整個系統(tǒng)的安全運(yùn)行
國內(nèi)外目前普遍采用的脫硫方法為濕式石灰石—石膏法煙氣脫硫技術(shù)，90%以上的國內(nèi)外火電廠脫硫技術(shù)均采用此種方法，在該工藝中，選擇既經(jīng)濟(jì)又高效可行的煙氣換熱裝置是脫硫工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利用未脫硫的高溫?zé)煔馔ㄟ^換熱器去加熱脫硫后的凈煙氣，使凈煙氣從40℃被加熱到提升煙氣的抬升高度。利用脫硫換熱器既可以回收高溫?zé)煔獾臒崃俊⒐?jié)省能源，又可以保證脫硫塔的正常工作、減少水消耗，同時(shí)提高脫硫塔的脫硫效率、降低對大氣的二次污染。
該換熱器有一個矩形的外殼，內(nèi)部由許多單根熱管組成，熱管的布置形式可以是錯列呈三角形的排列，也可以是順列呈正方形的排列。在矩形殼體內(nèi)部的中央有一塊管板（中孔板）把殼體分成兩部分，形成高溫流體（原煙氣）和低溫流體（凈煙氣）的通道。當(dāng)高、低溫流體同時(shí)在各自的通道中流過時(shí)，熱管就將高溫流體（原煙氣）的熱量傳給低溫流體（凈煙氣），實(shí)現(xiàn)了兩種流體的熱交換，
使原煙氣的溫度降低達(dá)到去吸收塔的溫度，凈煙氣的溫度升高滿足排放的要求。在換熱器中，熱管數(shù)量的多少取決于換熱量的大小，為提高換熱系數(shù)，在熱管上纏繞翅片，這樣可使所需的熱管數(shù)目大大減少。因此，采用熱管式GGH換熱裝置具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1) 中間管板的密封
熱管式GGH中中孔板是分隔原煙氣與凈煙氣的隔板，不使原煙氣與凈煙氣串流， 其密封性要求較高。設(shè)計(jì)時(shí)采用密封圈和錐面線密封對原煙氣與凈煙氣加以雙重密封，確保密封的可*性。
為了確保熱管在運(yùn)行中熱膨脹及振動引起的密封破壞，保證中孔板的嚴(yán)格密封，在每根熱管的頂部（或底部）用彈簧對熱管進(jìn)行壓緊（或拉緊），確保萬無一失。
（2）熱管的熱膨脹
熱管式GGH中每根熱管只有一個固定點(diǎn)，該固定點(diǎn)在中孔板處，其兩端均可自由膨脹，因此熱管的膨脹不會對換熱器產(chǎn)生危害。
清灰方式
考慮到整個脫硫系統(tǒng)中煙氣的含塵量較高，在設(shè)備中，為提高傳熱效率，熱管仍采用錯排形式，但管外纏繞的翅片采用了大螺距、低翅高形式。為考慮清灰，設(shè)備內(nèi)按一定間距布置了若干組吹灰管束，并且配備激波或聲波吹灰器接口。同時(shí)，在換熱器的冷、熱流體通道中每隔4-6排管排就留出人行通道，必要時(shí)可采取人工進(jìn)入徹底清灰，也利于設(shè)備的內(nèi)部維護(hù)。 設(shè)備底部和中部均留有排污口和排液口，方便清灰處理和及時(shí)排污。
煙氣速度
選擇合適的煙氣流動速度，達(dá)到自清灰性能。一般說來，能使熱管具有自清灰性能的風(fēng)速范圍是8-12 m/s，熱管式GGH中，在滿足煙氣阻力降的要求下，煙氣流速控制在9-10 m/s之間,說明該設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí),能達(dá)到自清灰的作用。
防腐處理
在煙氣脫硫技術(shù)中，除干法外，其它脫硫方法均要解決裝置的腐蝕與防護(hù)問題。在熱管式GGH中同樣也存在腐蝕問題，可以采取以下措施：
（1）合理控制熱管壁溫
根據(jù)熱管的特點(diǎn)，通過調(diào)整冷、熱側(cè)的傳熱面積比，使熱管工作在“允許腐蝕區(qū)域”。
根據(jù)國內(nèi)外的試驗(yàn)證明腐蝕速度并不是簡單地隨著溫度的降低而增加，而是如圖2所示的關(guān)系。從圖中可以看出，在酸露點(diǎn)的腐蝕程度并不高，最高腐蝕點(diǎn)出現(xiàn)在接近酸露點(diǎn)處；然后隨著溫度的繼續(xù)降低，腐蝕程度也迅速下降，直至最低腐蝕點(diǎn)；再繼續(xù)降低溫度，腐蝕程度又會增加。
這說明，在酸露點(diǎn)以下存在著一個腐蝕速度很小的區(qū)域—“允許腐蝕區(qū)域”。如果受熱面工作在這個區(qū)域內(nèi)，就可以把腐蝕降低到最小。這樣可以通過調(diào)整熱管冷熱側(cè)的傳熱面積比，使熱管工作在“允許腐蝕區(qū)域”。
(2) 選用合適的管材
換熱器中熱管元件采用耐腐蝕ND鋼管。目前，ND鋼管是專門用于耐硫酸低溫露點(diǎn)腐蝕的材料，可以降低腐蝕速率，延長使用時(shí)間。
(3) 燒鍍搪瓷（搪玻璃）或鍍陶瓷技術(shù)的采用
在熱管的外表面采用燒鍍搪瓷或陶瓷的技術(shù)來防止其低溫露點(diǎn)的腐蝕。
搪瓷傳熱元件是在普通碳鋼（翅片管）外涂一層耐酸搪瓷。由于搪瓷層很薄，一般厚度為0.2mm，與碳鋼結(jié)合緊密，對傳熱效果影響很小，搪瓷管的傳熱系數(shù)≥48.38W/（m2℃），
與碳鋼管相比，相對降低率<7.14%；且搪瓷表面光滑，不易結(jié)垢和積灰，又耐磨損、抗腐蝕；投資費(fèi)用較選用耐酸不銹鋼有明顯的降低。
由于采用了燒鍍搪瓷的技術(shù)對熱側(cè)的換熱面進(jìn)行了處理，在正常操作狀態(tài)下，熱管式GGH中熱管元件能有效地保證連續(xù)工作。
(4) 殼體的防腐處理
在換熱器殼體內(nèi)，原煙氣、凈煙氣通道均采取措施，可以采用內(nèi)襯鱗片襯里。該技術(shù)目前已成為煙氣脫硫防腐的首選技術(shù)，在美國和日本普遍使用，我國現(xiàn)運(yùn)行的引進(jìn)裝置中均采用此技術(shù)。鱗片襯里具有抗?jié)B性好，施工難度小，易修補(bǔ)，物理失效少等優(yōu)點(diǎn)。
整體式熱管GGH
根據(jù)熱管換熱器的特點(diǎn)，熱管式GGH可以有多種布置形式。
（1）立式熱管GGH，原煙氣、凈煙氣分別在換熱器的下部煙道和上部煙道，采用逆流布置，實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的熱交換。
（2）斜置式熱管GGH，原煙氣、凈煙氣分別在換熱器的左下部煙道和右上部煙道，采用逆流布置，實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的熱交換。這里，熱管采取傾斜放置，這種布置形式更有利于清灰處理。
分離式熱管GGH原煙氣、凈煙氣分別采用兩個獨(dú)立的箱體，每臺殼體內(nèi)均裝有若干片由翅片管和上、下聯(lián)箱組焊而成的彼此獨(dú)立的熱管管束。如圖3所示。受熱段和放熱段相對應(yīng)的各片管束通過蒸汽上升管和冷凝液下降管連接，構(gòu)成各自獨(dú)立的封閉系統(tǒng)。這里，受熱段與放熱段分離開來，用蒸汽上升管和冷凝液下降管將它們聯(lián)接，組成了具有熱管傳熱效應(yīng)的又一結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)管束內(nèi)部形成一定的真空度后，熱流體通過受熱段（原煙氣換熱器）時(shí)，受熱段管束內(nèi)的工質(zhì)吸收熱量后汽化，產(chǎn)生的蒸汽匯集受熱段上部的上聯(lián)箱內(nèi)，經(jīng)蒸汽上升管輸送到冷流體通過的放熱段（凈煙氣換熱器）的管束內(nèi)，受管外冷流體的作用，蒸汽冷凝放出的凝結(jié)潛熱將管外的冷流體（凈煙氣）加熱，蒸汽冷凝后的液體匯集放熱段下部的下聯(lián)箱內(nèi)，在位差的作用下，通過冷凝液下降管回到受熱段管束內(nèi)繼續(xù)蒸發(fā)。如此往復(fù)循環(huán)進(jìn)行，從而完成熱量由受熱段到放熱段的輸送。
其特點(diǎn)：
（1）裝置的原煙氣側(cè)和凈煙氣側(cè)可視現(xiàn)場情況而分開布置，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳熱，這就給工藝設(shè)計(jì)帶來了較大的靈活性，也給裝置的大型化、熱能的綜合利用以及熱能利用系統(tǒng)的優(yōu)化創(chuàng)造了良好的條件；
（2）工作介質(zhì)的循環(huán)是依*冷凝液的位差和重力作用，不需要外加動力，無機(jī)械運(yùn)行部件，增加了設(shè)備的可性，也極大地減少了運(yùn)營費(fèi)用；
（3）原煙氣側(cè)和凈煙氣側(cè)彼此獨(dú)立，易于實(shí)現(xiàn)流體分隔、密封。
(4) 受熱段與放熱段管束可根據(jù)冷、熱流體的性能及工藝要求選擇不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材質(zhì)，從而可有效地解決設(shè)備的露點(diǎn)腐蝕和積灰問題；
(5) 根據(jù)工藝要求，可以將流體順、逆流混合布置，以適應(yīng)較寬的溫度范圍；
(6) 系統(tǒng)換熱元件由多片熱管管束組成，各片之間相互獨(dú)立，因此，其中一片甚至幾片損壞或失效不會影響整個系統(tǒng)的安全運(yùn)行.
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