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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(lái)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?dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ),是經(jīng)濟(jì)發(fā)展最基本的驅(qū)動(dòng)力。隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，能源供求矛盾越來(lái)越嚴(yán)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(jià)值。以10 t鍋爐排煙量27 000 Nm3/h，排煙溫度180 ℃為例，露點(diǎn)溫度110 ℃～120 ℃，露點(diǎn)以上可回收熱量?jī)r(jià)值約70×104元/a。大型窯爐因排煙量大，排煙溫度高，年回收價(jià)值可達(dá)上百萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)。如此多的熱量由煙囪直接排入大氣，既浪費(fèi)能源又污染環(huán)境，因此對(duì)鍋爐和窯爐排放煙氣中的熱能進(jìn)行合理的回收利用有較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)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(zhǔn)確，錯(cuò)誤地選擇換熱方案，一方面一味強(qiáng)調(diào)熱管的高換熱效率，在不必使用熱管，如無(wú)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(fèi)鋼材，使換熱成本大幅提高;另一方面在露點(diǎn)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(yán)重，造成短時(shí)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(jì)效益為目的，換熱方案的選擇對(duì)成本投入影響較大，換熱方案選擇不合理,成本投入過(guò)大，會(huì)大大降低余熱回收的經(jīng)濟(jì)效益。因此應(yīng)根據(jù)各類煙氣的不同特點(diǎn)和工藝要求，設(shè)計(jì)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(jì) 1.1 確定露點(diǎn)溫度 當(dāng)原料中含有S且在高溫下燃燒時(shí)，會(huì)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(diǎn)溫度也不相同。SO3含量越高，露點(diǎn)越高;水分含量越高，露點(diǎn)越高。對(duì)一含硫煙氣進(jìn)行余熱回收，首先要確定其露點(diǎn)溫度。當(dāng)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(guò)露點(diǎn)溫度圖或由霍夫露點(diǎn)計(jì)算式得出露點(diǎn)溫度。換熱器設(shè)計(jì)時(shí)要求換熱管管壁的溫度要高于露點(diǎn)20 ℃～30 ℃[1]，從而有效防止換熱元件的低溫露點(diǎn)腐蝕和積灰。 1.2 換熱元件的選擇 對(duì)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(shì)：a) 壁溫可調(diào);b)冷熱側(cè)均可纏繞翅片擴(kuò)展受熱面。 煙氣的余熱回收以提高經(jīng)濟(jì)效益為目的，而熱管換熱器中熱管的價(jià)值占換熱設(shè)備總造價(jià)的比值達(dá)75%～85%，因此選擇一種造價(jià)低廉、運(yùn)行平穩(wěn)的熱管在余熱回收換熱器的設(shè)計(jì)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(jiǎn)單、制作方便，所用工作液體水無(wú)毒無(wú)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(wèn)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(diǎn)腐蝕的情況下，設(shè)備材質(zhì)無(wú)論采用碳鋼還是不銹鋼，使用壽命一般不超過(guò)1 a。如果煙氣含塵較多，管壁溫度又低于露點(diǎn)，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(diǎn)以上是熱管換熱器換熱是否成功的關(guān)鍵。 當(dāng)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(guò)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(yuǎn)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(lái)控制熱管管壁溫度。 煙氣和空氣換熱時(shí)，由于氣體的換熱系數(shù)很接近，一般是通過(guò)調(diào)整熱管冷熱側(cè)比例，翅片高度和螺距來(lái)調(diào)整管壁溫度。當(dāng)煙氣和水進(jìn)行換熱時(shí)，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(guò)增加或減少折流板的數(shù)量來(lái)調(diào)整管壁溫度。 1.4 纏繞翅片擴(kuò)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(jī)器沖壓的圓薄片，用人工一片一片地套到基管上，在使用過(guò)程中因脹縮系數(shù)不同，套片和基管之間會(huì)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(duì)較薄不耐磨，設(shè)計(jì)工況風(fēng)速10 m/s左右時(shí)，套片的使用壽命不足1 a。高頻焊翅片管是用高頻焊機(jī)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(shí)纏繞翅片以擴(kuò)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(jìn)出口溫度一定，傳熱量相同時(shí)，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(shí)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(shí)，因逆流傳熱會(huì)使熱流體的高溫對(duì)應(yīng)冷流體的高溫，熱流體的低溫對(duì)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(guò)高，有可能超過(guò)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(guò)低，導(dǎo)致低溫腐蝕和堵灰現(xiàn)象。因此，換熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)并流和逆流兩種換熱方式都要進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)全面比較，最后選擇最合理的方案。 1.6 含塵量對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)的影響 當(dāng)煙氣含塵量較高時(shí)，在設(shè)計(jì)管壁溫度高于露點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)灰塵的自動(dòng)化清理。 2 選擇不同的冷介質(zhì)對(duì)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?？諝饧訜岷罂捎糜阱仩t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(bǔ)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。空氣、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(dāng)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(kuò)展受熱面積來(lái)彌補(bǔ)氣體和氣體換熱時(shí)換熱系數(shù)低的不足。空氣相對(duì)干凈，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(dāng)縮短空氣側(cè)熱管長(zhǎng)度，但此時(shí)要注意壓降不可過(guò)大。如果減小螺距導(dǎo)致熱側(cè)管壁溫度降低，風(fēng)阻過(guò)大，就要適當(dāng)增大螺距，此時(shí)換熱器成本有所增加。 2.2 選擇水作為冷介質(zhì) 當(dāng)煙氣不含S且較潔凈時(shí)，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(kuò)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(huì)對(duì)熱傳導(dǎo)造成限制。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)煙氣量和水量的大小適當(dāng)調(diào)整翅片管的長(zhǎng)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(guò)低會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)低，換熱面積增大，成本升高;流速過(guò)高會(huì)導(dǎo)致流體阻力大，操作費(fèi)用高，甚至?xí)绊懻麄€(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 當(dāng)將水加熱變?yōu)樗羝麜r(shí)，在熱管換熱器內(nèi)其實(shí)是汽水混合物。汽水混合物通過(guò)上升管進(jìn)入汽包，在汽包內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，汽包內(nèi)的水通過(guò)下降管進(jìn)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(shí)換熱器的冷端需承擔(dān)壓力，不能做成方形，當(dāng)蒸發(fā)量較小時(shí)可以做成帶橢圓封頭的圓形設(shè)備，當(dāng)蒸發(fā)量較大時(shí)，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(jì)換熱器方案時(shí)要考慮系統(tǒng)阻力 3.1 風(fēng)速及阻力對(duì)換熱器本身的影響 換熱器工況風(fēng)速一般設(shè)計(jì)為6 m/s～12 m/s，減小煙氣在設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)截面積，流速就增大，換熱系數(shù)會(huì)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(fèi)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(guò)大會(huì)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(duì)系統(tǒng)的影響 工藝系統(tǒng)是按整個(gè)系統(tǒng)壓降為基礎(chǔ)來(lái)選擇風(fēng)機(jī)的。很多余熱回收項(xiàng)目是在原有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上另外增加的，所以設(shè)計(jì)余熱回收換熱器時(shí)要將壓降控制在一定范圍內(nèi)，壓降過(guò)大導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)阻力超出風(fēng)機(jī)的最大限度，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)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(shí)也有利于換熱器的清洗、維修和更換。 4 結(jié)語(yǔ) 因煙氣有可能含硫含塵，煙氣余熱回收換熱方案的設(shè)計(jì)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(yùn)行的基礎(chǔ)上，認(rèn)真仔細(xì)地分析工藝條件和煙氣性質(zhì)，選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dá)到節(jié)能降耗提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。 原標(biāo)題:煙氣余熱回收換熱方案綜述 資料來(lái)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 |
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