煙氣余熱回收換熱方案綜述
北極星節(jié)能環(huán)保網(wǎng) 我要投稿 2014/6/25 10:12:38 來源：能源與節(jié)能 作者:楊旭輝
北極星節(jié)能環(huán)保網(wǎng)訊:能源是我們?nèi)祟惢顒拥奈镔|(zhì)基礎(chǔ),是經(jīng)濟發(fā)展最基本的驅(qū)動力。隨著世界各國經(jīng)濟的增長，能源供求矛盾越來越嚴重。在能源緊缺的大環(huán)境下，余熱回收、節(jié)能降耗逐漸成為節(jié)約能源的重要手段。在余熱回收領(lǐng)域，鍋爐和窯爐的煙氣余熱有較大的回收價值。以10 t鍋爐排煙量27 000 Nm3/h，排煙溫度180 ℃為例，露點溫度110 ℃～120 ℃，露點以上可回收熱量價值約70×104元/a。大型窯爐因排煙量大，排煙溫度高，年回收價值可達上百萬甚至幾百萬。如此多的熱量由煙囪直接排入大氣，既浪費能源又污染環(huán)境，因此對鍋爐和窯爐排放煙氣中的熱能進行合理的回收利用有較大的社會效益和經(jīng)濟價值。
在余熱回收領(lǐng)域，很多情況下因?qū)Q熱因素分析不夠準確，錯誤地選擇換熱方案，一方面一味強調(diào)熱管的高換熱效率，在不必使用熱管，如無需軸向傳熱的情況下應(yīng)用熱管作為換熱元件，反而降低換熱器的換熱效率，浪費鋼材，使換熱成本大幅提高;另一方面在露點高、粉塵大的煙氣環(huán)境使用間壁式換熱器，導(dǎo)致?lián)Q熱器堵塞和腐蝕嚴重，造成短時間設(shè)備損壞換熱失效。
煙氣的換熱系數(shù)較低，且大部分煙氣中含有SO3和粉塵，回收其熱能有一定的難度。余熱回收以提高經(jīng)濟效益為目的，換熱方案的選擇對成本投入影響較大，換熱方案選擇不合理,成本投入過大，會大大降低余熱回收的經(jīng)濟效益。因此應(yīng)根據(jù)各類煙氣的不同特點和工藝要求，設(shè)計選擇科學(xué)合理的換熱方案。
1 含硫含塵煙氣的換熱方案設(shè)計
1.1 確定露點溫度
當原料中含有S且在高溫下燃燒時，會產(chǎn)生SO2，少量SO2與O2反應(yīng)形成SO3，根據(jù)煙氣中SO3和水分含量的不同，露點溫度也不相同。SO3含量越高，露點越高;水分含量越高，露點越高。對一含硫煙氣進行余熱回收，首先要確定其露點溫度。當我們知道了氣相中S03和H20的含量，將其換算成氣相分壓，就可以通過露點溫度圖或由霍夫露點計算式得出露點溫度。換熱器設(shè)計時要求換熱管管壁的溫度要高于露點20 ℃～30 ℃[1]，從而有效防止換熱元件的低溫露點腐蝕和積灰。
1.2 換熱元件的選擇
對于含硫煙氣的余熱回收一般情況下應(yīng)選擇熱管換熱器，熱管換熱器的換熱元件是熱管。在余熱回收領(lǐng)域熱管換熱器比較常規(guī)間壁式換熱器有兩大優(yōu)勢：a) 壁溫可調(diào);b)冷熱側(cè)均可纏繞翅片擴展受熱面。
煙氣的余熱回收以提高經(jīng)濟效益為目的，而熱管換熱器中熱管的價值占換熱設(shè)備總造價的比值達75%～85%，因此選擇一種造價低廉、運行平穩(wěn)的熱管在余熱回收換熱器的設(shè)計中意義重大。熱管種類很多，在煙氣余熱回收中通常采用鋼水重力熱管，碳鋼水重力熱管結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，所用工作液體水無毒無味，汽化潛熱大，黏度低，傳熱性能穩(wěn)定，工作溫度較寬，30 ℃～250 ℃。因此在基本解決了碳鋼水的相溶性問題后，逐漸成為煙氣余熱回收中的首選[2]。
1.3 壁溫的調(diào)整
存在露點腐蝕的情況下，設(shè)備材質(zhì)無論采用碳鋼還是不銹鋼，使用壽命一般不超過1 a。如果煙氣含塵較多，管壁溫度又低于露點，設(shè)備通常是因積灰堵塞換熱面而失效。因此將管壁溫度提高至露點以上是熱管換熱器換熱是否成功的關(guān)鍵。
當不考慮熱損的情況下，熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量，則換熱量Qx為：
Qx=UhAh(th-tv)=UcAc(tv-tc)， (1)
式(1)中，Qx為換熱量，W;Uh、Uc為熱側(cè)和冷側(cè)的傳熱系數(shù);Ah、Ac為熱側(cè)和冷側(cè)的傳熱面積，m2;th、tc為熱側(cè)和冷側(cè)的流體溫度，℃;tv為熱管內(nèi)部工質(zhì)的蒸汽溫度，℃。
由式(1)可以看出通過調(diào)整Uh、Ah和Uc、Ac的值，可使熱管的蒸汽溫度tv接近熱流體或遠離熱流體溫度。由于熱管的管壁溫度接近管內(nèi)蒸汽溫度，所以可用調(diào)整U、A值的辦法來控制熱管管壁溫度。
煙氣和空氣換熱時，由于氣體的換熱系數(shù)很接近，一般是通過調(diào)整熱管冷熱側(cè)比例，翅片高度和螺距來調(diào)整管壁溫度。當煙氣和水進行換熱時，因水的換熱系數(shù)比煙氣高很多，所以水側(cè)一般采用光管，除了調(diào)整冷熱比例，還可以通過增加或減少折流板的數(shù)量來調(diào)整管壁溫度。
1.4 纏繞翅片擴展受熱面
現(xiàn)在常用的有兩種翅片，一種是套片，一種是高頻焊螺旋翅片。套片是機器沖壓的圓薄片，用人工一片一片地套到基管上，在使用過程中因脹縮系數(shù)不同，套片和基管之間會逐漸產(chǎn)生縫隙并充滿灰塵，熱阻增大甚至使翅片失去換熱能力，而且套片相對較薄不耐磨，設(shè)計工況風(fēng)速10 m/s左右時，套片的使用壽命不足1 a。高頻焊翅片管是用高頻焊機將鋼帶圍繞基管纏繞焊接而成，翅片厚度一般在1 mm～2 mm，熱阻小，換熱效率高，熱管換熱器采用高頻焊翅片熱管作為換熱元件可提高換熱效率，增加使用年限。熱管分為冷熱兩端，所以可在冷熱側(cè)同時纏繞翅片以擴展受熱面。
1.5 換熱方式的確定
熱管換熱器冷熱介質(zhì)通常有兩種換熱方式：并流和逆流。在兩種流體進出口溫度一定，傳熱量相同時，逆流平均溫差大于其它換熱方式平均溫差，從傳熱方程式：
Q=KAΔt， (2)
可知，所需的換熱面積比采用其它換熱方式時要小，所以設(shè)備體積小，結(jié)構(gòu)緊湊成本低。式(2)中，Q為傳熱量，W;K為換熱系數(shù)，W/(m2·℃);A為換熱面積，m2;Δt為溫差，℃。但在熱管換熱器中采用逆流換熱時，因逆流傳熱會使熱流體的高溫對應(yīng)冷流體的高溫，熱流體的低溫對應(yīng)冷液體的低溫，造成熱液體側(cè)入口的幾排熱管內(nèi)部蒸汽溫度過高，有可能超過鋼水熱管的最高工作溫度，而在熱流體出口的幾排熱管管壁溫度過低，導(dǎo)致低溫腐蝕和堵灰現(xiàn)象。因此，換熱設(shè)計時應(yīng)對并流和逆流兩種換熱方式都要進行計算，通過全面比較，最后選擇最合理的方案。
1.6 含塵量對換熱器結(jié)構(gòu)的影響
當煙氣含塵量較高時，在設(shè)計管壁溫度高于露點的基礎(chǔ)上應(yīng)考慮采用大螺距低翅片管，傾斜放置。但重力熱管軸線與水平線角度應(yīng)不小于20°，以保證冷凝介質(zhì)的可靠回流，此時翅片不是水平而是傾斜的，有利于灰塵的下落。特殊情況下也可以采用光管。換熱器煙氣側(cè)箱體兩邊應(yīng)設(shè)置清灰門，換熱器底部應(yīng)設(shè)灰斗，以方便換熱器定期清灰和排灰。在比較重要或有較高要求的情況下可在換熱器上安裝清灰器，根據(jù)工作實際情況設(shè)置清灰頻率，在灰斗下方設(shè)置連續(xù)排灰閥，實現(xiàn)灰塵的自動化清理。
2 選擇不同的冷介質(zhì)對換熱方案的影響
煙氣余熱回收中冷介質(zhì)通常采用空氣和水。空氣加熱后可用于鍋爐和窯爐的鼓風(fēng)或原料及半成品的烘干。水加熱后可用于鍋爐補水、辦公取暖、職工洗浴等，在煙氣量大溫度高的情況下可以將水加熱為蒸汽，用處更加廣泛?？諝?、水、水蒸氣這三種物質(zhì)的換熱系數(shù)差別很大，空氣的加熱和冷卻換熱系數(shù)為1 W/(m2˙℃)～58 W/(m2˙℃)，水的加熱和冷卻換熱系數(shù)為230 W/(m2˙℃)～11 000 W/(m2˙℃)，水的蒸發(fā)冷凝換熱系數(shù)最大，在5 800 W/(m2˙℃)～140 000 W/(m2˙℃)之間[3]。因此當采用不同的冷介質(zhì)，換熱器的換熱方案差別很大。
2.1 選擇空氣作為冷介質(zhì)
因氣體換熱系數(shù)較低，換熱元件通常采用熱管，熱管的吸熱端和放熱端均可纏繞翅片，擴展受熱面積來彌補氣體和氣體換熱時換熱系數(shù)低的不足?？諝庀鄬Ω蓛?，翅片螺距比煙氣側(cè)可以減小，為了提高換熱系數(shù)，可適當縮短空氣側(cè)熱管長度，但此時要注意壓降不可過大。如果減小螺距導(dǎo)致熱側(cè)管壁溫度降低，風(fēng)阻過大，就要適當增大螺距，此時換熱器成本有所增加。
2.2 選擇水作為冷介質(zhì)
當煙氣不含S且較潔凈時，換熱元件不一定要選擇熱管，可采用翅片管，煙氣走管外，水走管內(nèi)。煙氣換熱系數(shù)低，管外可以纏繞翅片擴展受熱面，盡管翅片管內(nèi)壁換熱面積比管外小很多，但水的換熱系數(shù)比煙氣高很多，所以不會對熱傳導(dǎo)造成限制。設(shè)計時根據(jù)煙氣量和水量的大小適當調(diào)整翅片管的長度、管間距、管排數(shù)和管列數(shù)，以確保煙氣和水的流速在合理的范圍內(nèi)，流速過低會導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)低，換熱面積增大，成本升高;流速過高會導(dǎo)致流體阻力大，操作費用高，甚至?xí)绊懻麄€系統(tǒng)的正常運行。
當將水加熱變?yōu)樗羝麜r，在熱管換熱器內(nèi)其實是汽水混合物。汽水混合物通過上升管進入汽包，在汽包內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，汽包內(nèi)的水通過下降管進入熱管換熱器，形成冷熱流體的自然循環(huán)。熱管換熱器的冷介質(zhì)側(cè)與汽包相連通，此時換熱器的冷端需承擔壓力，不能做成方形，當蒸發(fā)量較小時可以做成帶橢圓封頭的圓形設(shè)備，當蒸發(fā)量較大時，熱管的冷端應(yīng)做成套管式，套管之間用聯(lián)管相連?？偮?lián)管上設(shè)有上升管和下降管與汽包連通。
3 設(shè)計換熱器方案時要考慮系統(tǒng)阻力
3.1 風(fēng)速及阻力對換熱器本身的影響
換熱器工況風(fēng)速一般設(shè)計為6 m/s～12 m/s，減小煙氣在設(shè)備內(nèi)的流動截面積，流速就增大，換熱系數(shù)會提高，換熱面積減小，設(shè)備制作成本降低，且隨著流速的增大，設(shè)備自清灰功能提高。但是提高流速，阻力也隨之增大，耗電增多，操作費用增加，且換熱元件的磨損與煙氣流速的立方成正比。含塵量大的煙氣，流速過大會造成換熱元件管壁的快速磨損，降低換熱器的使用壽命。
3.2 阻力對系統(tǒng)的影響
工藝系統(tǒng)是按整個系統(tǒng)壓降為基礎(chǔ)來選擇風(fēng)機的。很多余熱回收項目是在原有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上另外增加的，所以設(shè)計余熱回收換熱器時要將壓降控制在一定范圍內(nèi)，壓降過大導(dǎo)致整個系統(tǒng)阻力超出風(fēng)機的最大限度，會對整個系統(tǒng)的運行造成影響，甚至?xí)霈F(xiàn)事故。為了保證原系統(tǒng)的安全運行，條件允許的情況下應(yīng)在原系統(tǒng)管路上增加旁路導(dǎo)管，換熱器設(shè)置在旁路導(dǎo)管上，并且在主管路和旁路上都設(shè)閥門，以便靈活地調(diào)節(jié)煙氣的量，同時也有利于換熱器的清洗、維修和更換。
4 結(jié)語
因煙氣有可能含硫含塵，煙氣余熱回收換熱方案的設(shè)計應(yīng)從換熱效率、設(shè)備壓降、管壁溫度、系統(tǒng)安全等多方面綜合考慮。從以上分析可以看出煙氣余熱回收是在保證原系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)上，認真仔細地分析工藝條件和煙氣性質(zhì)，選擇結(jié)構(gòu)簡單制作方便的換熱元件和科學(xué)合理的換熱方案，以盡量小的成本回收盡量多的熱能，才能真正達到節(jié)能降耗提高經(jīng)濟效益的目的。
原標題:煙氣余熱回收換熱方案綜述
資料來源：
http://news.bjx.com.cn/html/20140625/521627.shtml
http://news.bjx.com.cn/html/20140625/521627-2.shtml
http://news.bjx.com.cn/html/20140625/521627-3.shtml
