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烟气余热回收换热方案综述 北极星节能环保网 我要投稿 2014/6/25 10:12:38 来源：能源与节能 作者:杨旭辉 北极星节能环保网讯:能源是我们人类活动的物质基础,是经济发展最基本的驱动力。随着世界各国经济的增长，能源供求矛盾越来越严重。在能源紧缺的大环境下，余热回收、节能降耗逐渐成为节约能源的重要手段。在余热回收领域，锅炉和窑炉的烟气余热有较大的回收价值。以10 t锅炉排烟量27 000 Nm3/h，排烟温度180 ℃为例，露点温度110 ℃～120 ℃，露点以上可回收热量价值约70×104元/a。大型窑炉因排烟量大，排烟温度高，年回收价值可达上百万甚至几百万。如此多的热量由烟囱直接排入大气，既浪费能源又污染环境，因此对锅炉和窑炉排放烟气中的热能进行合理的回收利用有较大的社会效益和经济价值。 在余热回收领域，很多情况下因对换热因素分析不够准确，错误地选择换热方案，一方面一味强调热管的高换热效率，在不必使用热管，如无需轴向传热的情况下应用热管作为换热元件，反而降低换热器的换热效率，浪费钢材，使换热成本大幅提高;另一方面在露点高、粉尘大的烟气环境使用间壁式换热器，导致换热器堵塞和腐蚀严重，造成短时间设备损坏换热失效。 烟气的换热系数较低，且大部分烟气中含有SO3和粉尘，回收其热能有一定的难度。余热回收以提高经济效益为目的，换热方案的选择对成本投入影响较大，换热方案选择不合理,成本投入过大，会大大降低余热回收的经济效益。因此应根据各类烟气的不同特点和工艺要求，设计选择科学合理的换热方案。 1 含硫含尘烟气的换热方案设计 1.1 确定露点温度 当原料中含有S且在高温下燃烧时，会产生SO2，少量SO2与O2反应形成SO3，根据烟气中SO3和水分含量的不同，露点温度也不相同。SO3含量越高，露点越高;水分含量越高，露点越高。对一含硫烟气进行余热回收，首先要确定其露点温度。当我们知道了气相中S03和H20的含量，将其换算成气相分压，就可以通过露点温度图或由霍夫露点计算式得出露点温度。换热器设计时要求换热管管壁的温度要高于露点20 ℃～30 ℃[1]，从而有效防止换热元件的低温露点腐蚀和积灰。 1.2 换热元件的选择 对于含硫烟气的余热回收一般情况下应选择热管换热器，热管换热器的换热元件是热管。在余热回收领域热管换热器比较常规间壁式换热器有两大优势：a) 壁温可调;b)冷热侧均可缠绕翅片扩展受热面。 烟气的余热回收以提高经济效益为目的，而热管换热器中热管的价值占换热设备总造价的比值达75%～85%，因此选择一种造价低廉、运行平稳的热管在余热回收换热器的设计中意义重大。热管种类很多，在烟气余热回收中通常采用钢水重力热管，碳钢水重力热管结构简单、制作方便，所用工作液体水无毒无味，汽化潜热大，黏度低，传热性能稳定，工作温度较宽，30 ℃～250 ℃。因此在基本解决了碳钢水的相溶性问题后，逐渐成为烟气余热回收中的首选[2]。 1.3 壁温的调整 存在露点腐蚀的情况下，设备材质无论采用碳钢还是不锈钢，使用寿命一般不超过1 a。如果烟气含尘较多，管壁温度又低于露点，设备通常是因积灰堵塞换热面而失效。因此将管壁温度提高至露点以上是热管换热器换热是否成功的关键。 当不考虑热损的情况下，热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量，则换热量Qx为： Qx=UhAh(th-tv)=UcAc(tv-tc)， (1) 式(1)中，Qx为换热量，W;Uh、Uc为热侧和冷侧的传热系数;Ah、Ac为热侧和冷侧的传热面积，m2;th、tc为热侧和冷侧的流体温度，℃;tv为热管内部工质的蒸汽温度，℃。 由式(1)可以看出通过调整Uh、Ah和Uc、Ac的值，可使热管的蒸汽温度tv接近热流体或远离热流体温度。由于热管的管壁温度接近管内蒸汽温度，所以可用调整U、A值的办法来控制热管管壁温度。 烟气和空气换热时，由于气体的换热系数很接近，一般是通过调整热管冷热侧比例，翅片高度和螺距来调整管壁温度。当烟气和水进行换热时，因水的换热系数比烟气高很多，所以水侧一般采用光管，除了调整冷热比例，还可以通过增加或减少折流板的数量来调整管壁温度。 1.4 缠绕翅片扩展受热面 现在常用的有两种翅片，一种是套片，一种是高频焊螺旋翅片。套片是机器冲压的圆薄片，用人工一片一片地套到基管上，在使用过程中因胀缩系数不同，套片和基管之间会逐渐产生缝隙并充满灰尘，热阻增大甚至使翅片失去换热能力，而且套片相对较薄不耐磨，设计工况风速10 m/s左右时，套片的使用寿命不足1 a。高频焊翅片管是用高频焊机将钢带围绕基管缠绕焊接而成，翅片厚度一般在1 mm～2 mm，热阻小，换热效率高，热管换热器采用高频焊翅片热管作为换热元件可提高换热效率，增加使用年限。热管分为冷热两端，所以可在冷热侧同时缠绕翅片以扩展受热面。 1.5 换热方式的确定 热管换热器冷热介质通常有两种换热方式：并流和逆流。在两种流体进出口温度一定，传热量相同时，逆流平均温差大于其它换热方式平均温差，从传热方程式： Q=KAΔt， (2) 可知，所需的换热面积比采用其它换热方式时要小，所以设备体积小，结构紧凑成本低。式(2)中，Q为传热量，W;K为换热系数，W/(m2·℃);A为换热面积，m2;Δt为温差，℃。但在热管换热器中采用逆流换热时，因逆流传热会使热流体的高温对应冷流体的高温，热流体的低温对应冷液体的低温，造成热液体侧入口的几排热管内部蒸汽温度过高，有可能超过钢水热管的最高工作温度，而在热流体出口的几排热管管壁温度过低，导致低温腐蚀和堵灰现象。因此，换热设计时应对并流和逆流两种换热方式都要进行计算，通过全面比较，最后选择最合理的方案。 1.6 含尘量对换热器结构的影响 当烟气含尘量较高时，在设计管壁温度高于露点的基础上应考虑采用大螺距低翅片管，倾斜放置。但重力热管轴线与水平线角度应不小于20°，以保证冷凝介质的可靠回流，此时翅片不是水平而是倾斜的，有利于灰尘的下落。特殊情况下也可以采用光管。换热器烟气侧箱体两边应设置清灰门，换热器底部应设灰斗，以方便换热器定期清灰和排灰。在比较重要或有较高要求的情况下可在换热器上安装清灰器，根据工作实际情况设置清灰频率，在灰斗下方设置连续排灰阀，实现灰尘的自动化清理。 2 选择不同的冷介质对换热方案的影响 烟气余热回收中冷介质通常采用空气和水。空气加热后可用于锅炉和窑炉的鼓风或原料及半成品的烘干。水加热后可用于锅炉补水、办公取暖、职工洗浴等，在烟气量大温度高的情况下可以将水加热为蒸汽，用处更加广泛。空气、水、水蒸气这三种物质的换热系数差别很大，空气的加热和冷却换热系数为1 W/(m2˙℃)～58 W/(m2˙℃)，水的加热和冷却换热系数为230 W/(m2˙℃)～11 000 W/(m2˙℃)，水的蒸发冷凝换热系数最大，在5 800 W/(m2˙℃)～140 000 W/(m2˙℃)之间[3]。因此当采用不同的冷介质，换热器的换热方案差别很大。 2.1 选择空气作为冷介质 因气体换热系数较低，换热元件通常采用热管，热管的吸热端和放热端均可缠绕翅片，扩展受热面积来弥补气体和气体换热时换热系数低的不足。空气相对干净，翅片螺距比烟气侧可以减小，为了提高换热系数，可适当缩短空气侧热管长度，但此时要注意压降不可过大。如果减小螺距导致热侧管壁温度降低，风阻过大，就要适当增大螺距，此时换热器成本有所增加。 2.2 选择水作为冷介质 当烟气不含S且较洁净时，换热元件不一定要选择热管，可采用翅片管，烟气走管外，水走管内。烟气换热系数低，管外可以缠绕翅片扩展受热面，尽管翅片管内壁换热面积比管外小很多，但水的换热系数比烟气高很多，所以不会对热传导造成限制。设计时根据烟气量和水量的大小适当调整翅片管的长度、管间距、管排数和管列数，以确保烟气和水的流速在合理的范围内，流速过低会导致换热系数低，换热面积增大，成本升高;流速过高会导致流体阻力大，操作费用高，甚至会影响整个系统的正常运行。 当将水加热变为水蒸汽时，在热管换热器内其实是汽水混合物。汽水混合物通过上升管进入汽包，在汽包内产生蒸汽，汽包内的水通过下降管进入热管换热器，形成冷热流体的自然循环。热管换热器的冷介质侧与汽包相连通，此时换热器的冷端需承担压力，不能做成方形，当蒸发量较小时可以做成带椭圆封头的圆形设备，当蒸发量较大时，热管的冷端应做成套管式，套管之间用联管相连。总联管上设有上升管和下降管与汽包连通。 3 设计换热器方案时要考虑系统阻力 3.1 风速及阻力对换热器本身的影响 换热器工况风速一般设计为6 m/s～12 m/s，减小烟气在设备内的流动截面积，流速就增大，换热系数会提高，换热面积减小，设备制作成本降低，且随着流速的增大，设备自清灰功能提高。但是提高流速，阻力也随之增大，耗电增多，操作费用增加，且换热元件的磨损与烟气流速的立方成正比。含尘量大的烟气，流速过大会造成换热元件管壁的快速磨损，降低换热器的使用寿命。 3.2 阻力对系统的影响 工艺系统是按整个系统压降为基础来选择风机的。很多余热回收项目是在原有生产线的基础上另外增加的，所以设计余热回收换热器时要将压降控制在一定范围内，压降过大导致整个系统阻力超出风机的最大限度，会对整个系统的运行造成影响，甚至会出现事故。为了保证原系统的安全运行，条件允许的情况下应在原系统管路上增加旁路导管，换热器设置在旁路导管上，并且在主管路和旁路上都设阀门，以便灵活地调节烟气的量，同时也有利于换热器的清洗、维修和更换。 4 结语 因烟气有可能含硫含尘，烟气余热回收换热方案的设计应从换热效率、设备压降、管壁温度、系统安全等多方面综合考虑。从以上分析可以看出烟气余热回收是在保证原系统正常运行的基础上，认真仔细地分析工艺条件和烟气性质，选择结构简单制作方便的换热元件和科学合理的换热方案，以尽量小的成本回收尽量多的热能，才能真正达到节能降耗提高经济效益的目的。 原标题:烟气余热回收换热方案综述 资料来源： 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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