小型燃煤鍋爐尾部煙道煙氣余熱回收裝置設(shè)計(jì)方案

蔣 燕，李永光，張麗華，黃錦枝

(1.上海電力學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，上海 200090;2.中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院深圳分院，廣東深圳 518034)

目前，鍋爐是中國主要的熱能動(dòng)力設(shè)備，到2007年底，全國火電裝機(jī)容量達(dá)5.54×108kW，全國工業(yè)鍋爐總?cè)萘窟_(dá)1.443×109kW［1］.在國家大力倡導(dǎo)“節(jié)能減排”、“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”能源利用政策的大環(huán)境下，提高鍋爐效率、降低鍋爐煤耗變得非常重要.

一般的中大容量鍋爐(大于75 t/h)的排煙溫度為110～180℃，中小容量鍋爐(小于等于75 t/h)的排煙溫度為140～200 ℃［2］.可見，無論是中大容量鍋爐，還是中小容量鍋爐，其排煙溫度都較高，有較大的余熱利用空間.排煙余熱可通過能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，如熱管換熱器、管式換熱器等，轉(zhuǎn)化為其他形式的能源回收.熱管是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的新型高效傳熱元件，利用工質(zhì)在管內(nèi)反復(fù)相變進(jìn)行傳熱.利用熱管技術(shù)制造的換熱設(shè)備具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、冷熱介質(zhì)完全隔離、管壁溫度均一可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)［3］.然而，熱管換熱器置于尾部煙道中，由于煙氣中夾雜的煤灰、尾部煙道酸露點(diǎn)腐蝕，以及熱管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)磨、蝕、堵、漏等問題，且積灰難以吹掃，維修不便，對(duì)鍋爐運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生很大的影響，目前對(duì)這些問題還沒有較好的解決辦法.相比熱管換熱器而言，管式換熱器能較容易地解決上述問題.采用一種新型耐腐蝕材料——考登鋼(高耐酸腐蝕結(jié)構(gòu)鋼)，可有效克服尾部煙道酸露點(diǎn)腐蝕，在換熱器內(nèi)部設(shè)計(jì)自動(dòng)吹掃裝置，可以有效解決堵塞和管漏問題.

本文以鍋爐容量為10 t/h的小型燃煤鏈條爐的節(jié)能改造為例，在尾部煙道設(shè)計(jì)安裝一臺(tái)煙氣－水換熱器，并對(duì)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析.

1 理論基礎(chǔ)

能量的交換需要通過換熱器來完成.換熱器熱計(jì)算的基本公式為傳熱方程式及熱平衡方程式［4］.

式中:Q——換熱量，J/S;

A——換熱面積，m2;

qm1，qm2——冷、熱流體單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)量流量，kg/s;

c1，c2——冷、熱流體的比熱，kJ/(kg·K);t1′，t1″，t2′，t2″——冷、熱流體的進(jìn)、出口溫度，℃;

Δtm——平均溫壓，由冷、熱流體的進(jìn)出口溫度確定，℃.

式中:Δtmax——Δt′和 Δt″兩者中的最大者，℃;

Δtmin——兩者中的最小者，℃.

伴隨著換熱器的熱計(jì)算，需要核算換熱器的阻力，以保證原機(jī)組與換熱器均能正常運(yùn)行.這里主要是涉及煙氣側(cè)阻力核算和水側(cè)阻力核算［5］，主要包括沿程阻力和局部阻力.

式中:hf——沿程阻力，m;

λ——沿程阻力系數(shù)，W/(m·K);

l——管道長度，m;

d——管道內(nèi)徑，m;

hj——局部阻力，m;

ζ——局部損失系數(shù)，是一個(gè)無量綱系數(shù)，可根據(jù)不同的管件由實(shí)驗(yàn)確定;

u——流體流速，m/s.

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案

2.1 項(xiàng)目技術(shù)方案

以浙江海寧某絲綢廠鍋爐為例，該鍋爐容量為10 t/h小型燃煤鏈條爐.為了響應(yīng)國家“節(jié)能減排”政策，該廠希望通過安裝節(jié)能設(shè)備，利用鍋爐余熱加熱鍋爐用水，從而降低煤耗，提高經(jīng)濟(jì)效益.根據(jù)該廠的實(shí)際情況，只有鍋爐尾部一段長2 m、寬1 m、高1 m的煙道可以進(jìn)行余熱回收，安裝換熱器.該廠希望通過在尾部煙道安裝一臺(tái)換熱器，將鍋爐用水從20℃加熱到40℃以上.

為了保證傳熱的可靠性、安全性、穩(wěn)定性，換熱器內(nèi)部采用小管徑考登鋼管制成的蛇形管結(jié)構(gòu)，蛇形管垂直順排布置.換熱器內(nèi)部采用一半順流、一半逆流的工作形式.內(nèi)管材料采用考登鋼管，有效耐腐蝕.考登鋼即高耐酸腐蝕結(jié)構(gòu)鋼，就是在鋼中加入少量的合金元素，如 Cu，P，Cr，Ni等，使其在金屬基體表面形成保護(hù)層，進(jìn)而提高鋼材的耐酸腐蝕性能.目前國內(nèi)鋼廠生產(chǎn)的、火力發(fā)電設(shè)備經(jīng)常使用的考登鋼牌號(hào)及化學(xué)組成如表1所示.將考登鋼應(yīng)用于尾部煙道換熱器中，能有效抗腐蝕［6］.

表1 考登鋼化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%

為增加換熱器煙氣側(cè)換熱面積，強(qiáng)化傳熱使結(jié)構(gòu)緊湊，換熱器內(nèi)管排設(shè)計(jì)為順列鰭片管束結(jié)構(gòu)，在蛇形管上焊接扁鋼鰭片(內(nèi)徑為30 mm，外徑為40 mm)，如圖1所示.

圖1 換熱器順列鰭片管束結(jié)構(gòu)示意

換熱器外殼采用普通鋼板，內(nèi)部加裝保溫層，保溫層具有抗腐蝕、抗磨特性.水箱采用一般材料即可.在換熱器內(nèi)布置自動(dòng)清灰裝置，可定時(shí)噴水清灰.布置在清灰口處的高壓水槍向各個(gè)方向噴水，及時(shí)清除沉積在管道上的灰塵.換熱器底部設(shè)計(jì)排污口，排污口可手動(dòng)控制，亦可自動(dòng)控制.設(shè)置啟動(dòng)噴水時(shí)排污口自動(dòng)打開，污水可通過排污口流入煙道外部的地溝.圖2為鍋爐尾部煙道余熱回收裝置示意.

圖2 鍋爐尾部煙道余熱回收裝置

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

在進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，首先要進(jìn)行換熱器的熱計(jì)算，以確定換熱器所需要的換熱面積;其次需要對(duì)換熱器煙氣側(cè)、水側(cè)的流體阻力進(jìn)行核算.若流動(dòng)阻力過大，則需要改變方案重新設(shè)計(jì).換熱器具體設(shè)計(jì)步驟如圖3所示.

2.2.1 換熱器的熱計(jì)算

根據(jù)該廠給定的數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)計(jì)算.水側(cè)進(jìn)口溫度為20℃，出口溫度為45℃(目標(biāo)值)，水的質(zhì)量流量為1.0×104kg/h;煙氣側(cè)進(jìn)口溫度為175℃，煙氣體積流量為1.35×104Nm3/h.換熱量為:

式中，cp由水側(cè)平均溫度tf=(20+45)/2=32.5℃查飽和水的熱物理性質(zhì)表而得，為4.174 kJ(kg·K).根據(jù)該廠的運(yùn)行情況，假設(shè)煙氣出口溫度為100℃，經(jīng)過5次迭代，由式(2)可計(jì)算得出煙氣溫度為93℃.

圖3 換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算流程示意

由于換熱器內(nèi)部擬采用一半順流、一半逆流的工作形式，故計(jì)算系統(tǒng)平均溫度時(shí)，先分別計(jì)算全部順流、全部逆流時(shí)的平均溫度，再取二者平均值作為系統(tǒng)的平均溫度.根據(jù)式(3)，可得到順流時(shí)的平均溫度為91.3℃，逆流時(shí)的平均溫度為98.8℃.因此，系統(tǒng)的平均溫度為95.05℃.

根據(jù)煙氣的進(jìn)出口溫度，可查得煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)λ=3.438×10－2W/(m·K)，運(yùn)動(dòng)粘度ν=25.481 ×10－6m2/s［4］.試采用 16 ×32 的排列方式，每排排16根管，排32排，則有:

因此

因此

可見，16×32的排列方式能滿足換熱面積的需要.

2.2.2 阻力核算

首先計(jì)算煙氣側(cè)阻力.由于換熱器內(nèi)管排為順列鰭片管束結(jié)構(gòu).順列平膜式管束中的傳熱工況，其流動(dòng)阻力系數(shù)可按式(6)計(jì)算［7］:

式中:s1——管束橫向節(jié)距;

s2——管束縱向節(jié)距;

Z2——排數(shù).

故

因此，根據(jù)式(4)

其次，在計(jì)算水側(cè)阻力時(shí)需要分別計(jì)算出沿程阻力和局部阻力［5］.

沿程阻力中水流速:

由水的定性溫度查得:

由于105

根據(jù)式(5)可得水側(cè)沿程阻力:

水側(cè)局部阻力包括圓管彎頭、圓管進(jìn)口、圓管出口等3部分［5］.先分別計(jì)算這3部分的局部阻力，然后進(jìn)行疊加，最后得到總的局部阻力.

圓管彎頭處的局部阻力系數(shù)的計(jì)算式為:

根據(jù)式(5)，可得一個(gè)彎頭處的局部阻力:

每根管子有35個(gè)彎頭，則圓管彎頭阻力:

容器圓管進(jìn)口處的局部阻力系數(shù):ζ=0.5，則圓管進(jìn)口阻力:

容器圓管出口處理局部阻力系數(shù)為ζ′=1，則圓管出口阻力:

故水側(cè)局部阻力為:

由此可得，每根管子總的阻力為:

換熱器水側(cè)總阻力為

通過上面的阻力核算可知，煙氣側(cè)和水側(cè)的流動(dòng)阻力均不大.結(jié)合該廠設(shè)備和機(jī)組運(yùn)行情況可知，安裝此換熱器不會(huì)對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響.

目前該廠鍋爐每天運(yùn)行10 h.若一年按250個(gè)工作日計(jì)算，在本項(xiàng)目投入使用后，一年可產(chǎn)生40℃以上的鍋爐用水2.5×104t左右，實(shí)際回收熱量2.61×109kJ，節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤89.13 t，直接經(jīng)濟(jì)效益為44 565元(原煤按500元/t計(jì)).換熱器初投資為3.8萬元，一年內(nèi)可收回成本.

3 結(jié)束語

在鍋爐尾部煙道中設(shè)計(jì)安裝一臺(tái)煙氣-水換熱器，換熱器采用小管徑考登鋼管制成的蛇形管結(jié)構(gòu)，回收利用煙氣余熱來加熱鍋爐用水是可行的.本裝置耐腐蝕，且結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效果好，且安裝后不會(huì)對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響.該裝置在節(jié)約煤耗、提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也創(chuàng)造了很好的社會(huì)效益，對(duì)環(huán)境保護(hù)起到了積極作用.

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