為響應國家節能減排的嚴格要求，國內諸多燃煤電廠鍋爐的尾部煙氣排放系統正面臨更新改造。但從運行實際效果看，無論是煙氣-煙氣換熱器（GGH）、蒸汽-煙氣換熱器（SGH）還是熱媒煙氣-煙氣換熱器（MGGH）等很少能夠真正有效防止低溫煙氣端的酸露腐蝕現象，因而不得不采用昂貴的耐腐蝕合金材料作為換熱元件，增加了電廠的經濟負擔，影響煙氣潔凈排放技術的推廣。而我公司研發的新型水媒煙氣-煙氣換熱WGGH系統則有效的解決了這些問題。
       1.系統簡介。
       我公司研發的新型水媒煙氣-煙氣換熱WGGH系統見圖1。該系統主要由原煙氣放熱器、凈煙氣再熱器、熱媒水補熱系統以及相應的管道、閥門、水泵等組成。

圖1：新型水媒煙氣-煙氣換熱WGGH系統圖

       2.技術原理。
       （1）原煙氣放熱器回收煙氣余熱。
       眾所周知，鍋爐空氣預熱器出來的煙氣溫度普遍較高。很多電廠的空預器出口煙溫高于120℃（BMCR工況），這其中有很大的余熱回收的潛力。經過計算研究，我們決定采用加裝原煙氣放熱器的方式，可以將煙氣溫度由120℃以上降低到90℃左右，回收的熱量用來加熱閉式循環水，將水溫由70℃加熱到100℃左右。原煙氣放熱器布置在鍋爐引風機出口、脫硫塔進口之間煙道上。有些電廠選擇將原煙氣放熱器安裝在電除塵前的煙道上。
       （2）凈煙氣再熱器將煙氣升溫。
       從濕式電除塵出口出來的凈煙氣溫度比較低，只有40-50℃（BMCR工況），如果直接經煙囪排放，會容易對煙囪造成腐蝕，同時煙氣排放指標肯定無法達到國家標準的要求。所以我們采用在濕式電除塵出口與煙囪之間的煙道上加裝凈煙氣再熱器，利用在原煙氣放熱器中被加熱過的閉式循環水來將濕式電除塵出口的煙氣加熱升溫，使煙溫升高到-78℃以上。這樣就通過閉式循環水為媒介，將原煙氣的熱量傳遞給了凈煙氣。
       （3）鍋爐低負荷工況進行系統補熱。
       鍋爐出口煙氣溫度隨著機組負荷變化，也隨著外界環境溫度變化，當冬季機組負荷低于70%時，有可能鍋爐出口煙氣溫度低于100℃，此時原煙氣放熱器回收的煙氣熱量不足以將脫硫后的凈煙氣加熱到78℃以上，為了保證將脫硫后的凈煙氣加熱到78℃以上，同時保證WGGH不會發生煙氣低溫腐蝕，就需要設計補熱系統。
       3.使用效果。
       從已投運的實際情況來看，本系統應用于電廠后主要會產生以下積極的效果：
       （1）提高煙囪凈煙氣的排放溫度，使其由40-50℃提高到～78℃，消除石膏雨及煙囪冒白煙現象。
       （2）同利用蒸汽加熱脫硫后的凈煙氣達到78℃以上的技術方案比較，本WGGH系統能降低機組煤耗1.2克/千瓦時以上（以圖中的參數為例）。一臺1000兆瓦機組每年節約鍋爐燃煤6000噸標煤以上，節煤經濟效益超過每年400萬元。具有明顯的節能效益。
       （3）明顯降低脫硫水耗。因為濕法脫硫的最佳煙氣溫度為～50℃左右。如果沒有加裝WGGH，煙氣直接從空氣預熱器出來的溫度為120℃-130℃，然后進入脫硫塔，而加裝WGGH后煙氣以80℃-90℃的溫度進入脫硫塔，很明顯這要比煙氣以120℃-130℃的溫度進入脫硫塔少噴很多水即可實現將煙氣溫度降低到～50℃左右。經計算，對于1000兆瓦鍋爐機組來說，加裝WGGH后可以減少脫硫水耗40-50噸/小時，節水效果顯著，尤其是對于北方干旱缺水地區更顯重要。
       （4）實現了氣氣換熱過程的煙氣零泄漏，提高脫硫效率。而傳統的GGH工藝中的煙氣，由原煙氣側向凈煙氣側泄漏，會降低系統的脫硫效率。
       （5）提高煙氣排放溫度，減輕煙囪鈦合金材料腐蝕，減少維修費用，延長煙囪的使用壽命。
       二、關鍵技術
       1.防止低溫腐蝕的關鍵技術研究。
       （1）WGGH原煙氣放熱器最低出口煙氣溫度研究。
       WGGH原煙氣放熱器類似于低溫省煤器，低溫腐蝕的關鍵是控制煙氣結露。只要傳熱管金屬壁溫高于煙氣結露溫度，就不會發生煙氣結露現象，當然就不會出現煙氣低溫腐蝕。經我們研究發現，煙氣結露溫度與煤種含硫量、含水量關系最為密切，后面闡明的現場試驗和煙氣露點溫度計算方法詳細說明這一關系，本節僅僅說明原煙氣放熱器的最低煙氣出口溫度取值結論。
       對于含硫量低于1%的煙煤，原煙氣放熱器的最低煙氣出口溫度取值可以到80℃，運行安全可靠，設備造價也不是很大，技術經濟性都可以接受。上海某電廠1000兆瓦機組的運行DCS截圖見圖2。

圖2：上海某電廠1000兆瓦機組低溫省煤器運行參數（左圖）及600兆瓦機組低溫省煤器運行DCS截圖（右圖）

       圖2可見，上海某電廠1000兆瓦機組低溫省煤器在部分負荷煙氣出口溫度達到83℃，運行5年沒有出現低溫腐蝕。上海某電廠600兆瓦機組低溫省煤器在額定負荷煙氣進口溫度139℃，出口煙氣溫度降低到83℃，運行1年沒有出現低溫腐蝕。
       煙氣低溫腐蝕的關鍵是控制傳熱管最低金屬壁溫，對于含硫量低于1%的煙煤，傳熱管最低金屬壁溫要求控制在70℃以上，設計10℃的傳熱端差，所以原煙氣放熱器的最低煙氣出口溫度取值可以到80℃。
       （2）煙氣露點溫度計算公式。
       煙氣露點溫度的計算和煤種關系密切，表1列出了3種典型煤種資料以及相應的煙氣露點溫度計算結果。

表1：煤種資料

       鍋爐熱力計算標準中列出的煙氣露點溫度計算公式有下面2 種存在爭議的表達公式:
       
       
       式中：
       tld：煙氣露點溫度，℃；tsld：煙氣水露點溫度，℃；S∏：燃料的折算硫分，%；A∏：燃料的折算灰分，%；αfh：飛灰占總灰的份額，%。
       公式1分母呈現乘積的形式,稱為乘積型公式;公式2分母呈現指數的形式,稱為指數型公式。
       這2個計算公式都有學者認可和應用。可能這2個公式適合于鍋爐設計，但不適合于本可行性研究中的低溫省煤器，因為本可行性研究中的低溫省煤器位于電氣除塵器之后，煙氣中的灰分被除去了99%，再用鍋爐煤種中的灰分含量計算，不符合實際情況。但用實際煙氣中的灰分含量，計算出的煙氣露點溫度會高達1000℃以上，顯然不準確，所以公式（1）和公式（2）都不適合于本可行性研究中的低溫省煤器。
       匯總2007年所做的鍋爐煙氣低溫腐蝕模擬試驗和2011年所做的鍋爐煙氣低溫腐蝕現場試驗，以及十多年來的鍋爐低溫受熱面煙氣低溫腐蝕研究和實踐經驗，總結出了適合于本可行性研究中的低溫省煤器的煙氣露點溫度計算的經驗公式：
       t1d=tsld+10+38-Ah(A∏)0.6  （1）
       其中：t1d：煙氣露點溫度，℃；tsld：煙氣水露點溫度，℃；S∏:燃料的折算硫分，%；A∏：燃料的折算灰分，%；Ah：管壁積灰系數,除塵器前取值3,除塵器后取值1。
       （3）WGGH凈煙氣再熱器低溫腐蝕研究。
       凈煙氣再熱器（WGGHH）的低溫腐蝕在煙氣進口的低溫段最為危險，尤其是進入凈煙氣再熱器（WGGHH）的煙氣含濕量比較大時，這些煙氣中的水分就相當于煙氣結露，可能造成嚴重的低溫腐蝕。
       解決凈煙氣再熱器（WGGHH）低溫腐蝕的研究思路是：盡管煙氣中含有水分，但當這些水分碰撞在傳熱管上時，馬上蒸發變為蒸汽，使得傳熱管上不會有水滴黏附，同時后續傳熱面上不會發生煙氣結露造成低溫腐蝕問題。
       所以凈煙氣再熱器（WGGHH）的低溫腐蝕從上述兩個方面考慮。
       1）低溫段煙氣中的水分蒸發。
       由于煙氣中的水露點溫度為48℃，當低溫段傳熱管金屬壁溫高于75℃時，煙氣中的水分碰撞到傳熱管金屬表面后，會馬上蒸發變為蒸汽。也就是說當傳熱管壁溫低于58℃，煙氣中的水蒸氣會凝結結露到管壁上；當傳熱管壁溫高于75℃，煙氣中的水分會在碰撞到管壁上的瞬間蒸發。
       設計凈煙氣再熱器（WGGHH）的低溫段進水溫度為105℃，出水溫度為101℃，凈煙氣進口溫度48℃，凈煙氣出口溫度52℃。
       凈煙氣再熱器（WGGHH）低溫段的傳熱溫差為103℃-50℃=53℃；
       凈煙氣再熱器（WGGHH）低溫段的傳熱系數為2000～40w/m2℃（在水分蒸發傳熱的工況、傳熱系數為-2000w/m2℃；在水分蒸發完成后的干煙氣傳熱的工況、傳熱系數為～40w/m2℃）。
       所以當凈煙氣中的水分含量符合設計給出的70毫克/標立方米時,水分完全蒸發后凈煙氣溫度再升高3℃,凈煙氣吸熱量：
       當凈煙氣中的水分含量超出設計給出的70毫克/標立方米達到500毫克/標立方米時, 水分蒸發后煙氣溫度可以升高～3.5℃，水分蒸發吸熱量和煙氣升溫吸熱量：500×10-6×600×4.1868+0.33×3×4.1868=5.4 kJ/Nm3( 計算中的前一項代表水蒸發吸熱量，后一項代表煙氣升溫吸熱量)；
       由于在煙氣中的水分蒸發傳熱的工況、傳熱系數為～2000w/m2℃，在水分蒸發完成后的干煙氣傳熱的工況、傳熱系數為～40w/m2℃。而實際運行中的低溫段，這兩個傳熱過程交織在一起，可能水分在煙氣中的不均勻性會對傳熱起很大作用，使得計算難以準確進行。但可以肯定的是：只要有水分，蒸發過程非常快速，所以保證凈煙氣中的水分完全蒸發難度不大，但要準確計算低溫段出口煙氣溫度比較困難。
       通過上述分析計算可以看出，按照水分完全蒸發后凈煙氣溫度再升高3℃設計低溫段，能保證在凈煙氣中的水分含量達到500毫克/標立方米時完全蒸發。
       由于低溫段畢竟在煙氣中含有水分，類似于煙氣已經結露，所以設計保證低溫段完成煙氣中的水分完全蒸發，給后續傳熱面積提供穩定的設計工況，同時低溫段采用高一檔的254smo不銹鋼材質。
       綜合起來，低溫段設計控制低溫腐蝕的措施為：
       第一：控制傳熱管金屬壁溫高于75℃；
       第二：采用254smo耐腐蝕不銹鋼。
       2）中溫段和高溫段的煙氣低溫腐蝕。
       中溫段和高溫段的煙氣已經變為干煙氣，考慮低溫腐蝕的控制措施類似于原煙氣放熱器，同樣考慮到沒有經驗和把握，設計中采用提高材料檔次的方法解決低溫腐蝕問題。
       對于傳熱管壁溫高于85℃的高溫段，采用ND耐酸腐蝕特種鋼傳熱管；
       對于傳熱管壁溫在75～85℃之間的中溫段，采用316L不銹鋼傳熱管。
       2.WGGH防積灰技術研究。
       WGGH的積灰主要發生在原煙氣放熱器側，而凈煙氣再熱器側由于流經的是相對干凈的煙氣，可以忽略其積灰。所以此處討論的方積灰技術主要是指針對原煙氣放熱器側的。
       鍋爐受熱面的積灰是難免的，關鍵是要控制積灰的量，判斷積灰是否嚴重的的標準是：
       第一：不影響傳熱性能，能達到預期的傳熱效果；
       第二：煙氣阻力沒有超出設計值，不影響風機運行。
       經過研究分析，防積灰措施有以下幾點：
       1）選取合理煙氣流速，保證具有一定的自清灰功能。查閱相關資料并結合實際經驗，我們認為將煙氣流速設計值控制在9-11米/秒比較合適，流速太低容易積灰，流速太高會導致煙氣阻力太大并容易磨損設備內部構件。
       2）采用換熱管順排布置，有利用清灰。傳熱管順列布置的方式要比錯列布置更容易使煙氣通過。
       3）選擇合適的吹灰器型式，并在模塊之間優化布置吹灰器，確保吹到全部傳熱管束，避免吹灰死角。目前可以用于WGGH吹灰的設備主要有蒸汽吹灰器、聲波吹灰器、燃氣激波吹灰器等。經過到不同的生產廠家以及電廠走訪調研，總結出不同類型的吹灰器優缺點見表2。

表2：不同類型的吹灰器的優缺點

       綜合考慮上述三種吹灰器的優缺點并結合我們的經驗以及考慮安全因素，我們認為選用蒸汽吹灰器效果更好。為了保證吹灰效果，我們將蒸汽吹灰器布置在原煙氣放熱器的傳熱管束中間與傳熱管長度方向平行。由于煙道尺寸較大，所以必須選用可伸縮的旋轉式蒸汽吹灰器。
       3.WGGH最佳補熱技術研究。
       WGGH的煙囪入口煙氣溫度僅僅是保證煙氣有效擴散，保護環境。從煙氣有效擴散的角度出發，一般煙氣溫度在78～80℃之間，就能有效擴散，結合當地一些要求，確定適當的最低WGGH出口煙氣溫度即可。例如浙能六橫電廠WGGH出口煙氣溫度高于78℃即可。
       確定了 WGGH出口最低煙氣溫度后，就要通過計算確定如何達到此最低出口煙氣溫度。
       眾所周知，鍋爐出口煙氣溫度隨著機組負荷變化，也隨著外界環境溫度變化，當冬季機組負荷低于70%時，有可能鍋爐出口煙氣溫度低于100℃，此時原煙氣放熱器回收的煙氣熱量不足以將脫硫后的凈煙氣加熱到78℃以上，為了保證將脫硫后的凈煙氣加熱到78℃以上，同時保證WGGH不會發生煙氣低溫腐蝕，就需要設計補熱系統。
       三、推廣應用情況及前景
       1.應用情況。
       截止2015年6月，我公司研發的該系統已成功供貨應用于浙能六橫電廠2×1000兆瓦機組、江陰蘇龍電廠2×300兆瓦機組、華能上安電廠1×600兆瓦機組，南海京能電廠2×330兆瓦機組，運行至今能夠滿足設計排煙溫度，無低溫腐蝕現象發生，正常工況下煙囪排放無白煙。
       2.推廣應用前景。
       自從我公司研發的WGGH系統率先在浙能六橫電廠投運后，浙能集團在下屬很多電廠推廣該設備，目前已經有浙能集團下屬的嘉興電廠、樂清電廠、溫四電廠等投運或準備投運該設備。其他兄弟單位也在大力推廣應用該設備，例如僅華能集團在2014年就有金陵電廠、上安電廠等多個電廠招標該設備，幾大電力集團都認識到了加裝該設備的優越性以及其帶來的良好經濟效益和社會效益。應用前景必將十分廣闊。
       四、使用照片

圖3：WGGH原煙氣放熱器圖（左圖）及WGGH凈煙氣再熱器（右圖）

圖4：WGGH管道系統

圖5：WGGH凈煙氣再熱器換熱管無腐蝕、積灰及磨損（左圖）及WGGH原煙氣放熱器換熱管無腐蝕、積灰及磨損（右圖）

（主創人員：趙之軍、籍文豪、胡興勝、殷國強、萬  鵬、李  褀、熊  巍、雷承勇、李  健）