熱管技術(shù)在鍋爐余熱回收中的應(yīng)用

李建輝

(郴州鉆石鎢制品有限責(zé)任公司，湖南 郴州 423037)

0 引言

節(jié)能減排是建設(shè)“兩型”社會(huì)的要求，也是企業(yè)發(fā)展的必然。我公司為鎢濕法冶煉企業(yè)，年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤一萬(wàn)噸以上。生產(chǎn)主要環(huán)節(jié)如加溫浸出、硫化與APT結(jié)晶工序均需要大量的熱能，能源消耗主要為煙煤。熱能供應(yīng)系統(tǒng)主要由一臺(tái)蒸汽鍋爐及一臺(tái)燃煤有機(jī)熱載體鍋爐組成。兩臺(tái)鍋爐均配備了空氣預(yù)熱器，改造前空氣預(yù)熱器后的煙氣溫度達(dá)到200℃以上。為減少煤耗，降低單位產(chǎn)品能耗，促進(jìn)節(jié)能減排，針對(duì)公司能源消耗結(jié)構(gòu)，我們重點(diǎn)探索了鍋爐煙氣余熱的綜合回收利用節(jié)能措施。

1 方案與實(shí)施

1.1 熱管的工作原理

熱管的工作原理就是利用蒸發(fā)制冷，使熱管兩端形成大溫差，從而使熱量快速傳導(dǎo)［1］。熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部被抽成負(fù)壓狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種液體沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。熱管一段為蒸發(fā)端，另一段為冷凝端，當(dāng)熱管一段受熱時(shí)，吸液芯的毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸汽在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)管力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端［2］。熱管的正常工作過(guò)程是由液體的蒸發(fā)、蒸汽的流動(dòng)、蒸汽的凝結(jié)和凝結(jié)液的回流組成的閉合循環(huán)(見(jiàn)圖1)。熱管采用了液－氣－液的相變傳熱，具有極高的傳熱效率，導(dǎo)熱系數(shù)極高，比銀、銅、鋁等金屬熱導(dǎo)體高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。有關(guān)資料表明一根直徑為20 mm的銅—水熱管，其導(dǎo)熱能力是同直徑紫銅棒的1 500倍［3］。

圖1 熱管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Heat pipe

1.2 改造前鍋爐給水與煙氣系統(tǒng)配置

圖2 改造前鍋爐給水與煙氣系統(tǒng)流程圖Fig.2 The original boiler water supply and exhaust gas system diagram

公司的生產(chǎn)需要大量的熱能，熱能介質(zhì)為蒸汽與導(dǎo)熱油兩種，分別由一臺(tái)蒸汽鍋爐(型號(hào): SZL10－1.25－WIIAI)及一臺(tái)燃煤有機(jī)熱載體鍋爐(型號(hào):YLL－9500(800)A)供應(yīng)，兩臺(tái)鍋爐均為24 h運(yùn)行。蒸汽鍋爐系統(tǒng)原設(shè)計(jì)沒(méi)有省煤器，兩臺(tái)鍋爐均配備空氣預(yù)熱器，鍋爐送風(fēng)溫度均可達(dá)140℃以上，蒸汽鍋爐空氣預(yù)熱器前的煙氣溫度約260℃，燃煤有機(jī)熱載體鍋爐空氣預(yù)熱器后的煙氣溫度達(dá)到240℃，改造前鍋爐給水與煙氣系統(tǒng)如圖2。由于公司生產(chǎn)能力不斷擴(kuò)大，對(duì)蒸汽的需求也不斷增加，但對(duì)鍋爐系統(tǒng)的改造卻受多種因素的制約不能立即實(shí)施。在現(xiàn)有條件下提高鍋爐熱效率［4］，提升鍋爐出力保證生產(chǎn)需求變得迫在眉睫。

1.3 方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

眾所周知，根據(jù)鍋爐熱效率的反平衡法，熱效率η=100%－(q2+q3+q4+q5+q6)式中q2是排煙熱損失。這是鍋爐的一項(xiàng)主要熱損失(占到總損失的90%以上)。排煙溫度越高，排煙熱損失就越大，有資料表明一般排煙溫度每升高12～15℃，排煙熱損失就將增加1%［5］。余熱利用設(shè)計(jì)方案過(guò)程中我們認(rèn)真分析了管殼式空氣預(yù)熱器、熱管式空氣預(yù)熱器［6］、熱管式省煤器［7］等換熱器的使用效果，將熱管式省煤器1#替代蒸汽鍋爐的空氣預(yù)熱器，變加熱空氣為加熱水;在燃煤有機(jī)熱載體鍋爐的空氣預(yù)熱器后增加熱管換熱裝置2#加熱水，使兩臺(tái)鍋爐的最終排煙溫度控制在120～140℃左右。1#熱管換熱裝置加熱的水直接供蒸汽鍋爐，2#熱管換熱裝置產(chǎn)生的熱水通過(guò)自動(dòng)三通閥門控制可以供車間生產(chǎn)工序用熱水，也可作為1#熱管換熱裝置的供水，以便通過(guò)二次加熱方式提高鍋爐給水溫度。余熱回收利用系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

圖3 改造后余熱綜合回收系統(tǒng)流程圖Fig.3 Exhaust gas heat recovery system diagram

熱管換熱裝置的熱管采用獨(dú)立的普通型碳鋼—水熱管［8］，熱管規(guī)格為φ22，錯(cuò)位布置設(shè)計(jì)?？紤]煙氣側(cè)積灰，在煙氣側(cè)熱管加裝吹灰壓縮空氣管，定期吹灰。經(jīng)測(cè)試，熱管換熱裝置風(fēng)壓損失約為280 Pa，有機(jī)熱載體鍋爐的引風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓余有較大富余，增加該裝置后不會(huì)對(duì)該鍋爐的爐膛負(fù)壓造成影響，也不會(huì)對(duì)現(xiàn)有鍋爐設(shè)備經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行帶來(lái)不良影響。蒸汽鍋爐的引風(fēng)機(jī)偏小，通過(guò)更換引風(fēng)機(jī)后解決風(fēng)壓不足問(wèn)題。

2 效果與分析

2.1 改造后的效果

改造后鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，最直觀的效果就是蒸汽鍋爐的蒸汽產(chǎn)量大了。通過(guò)檢測(cè)儀表顯示，原來(lái)蒸汽鍋爐的產(chǎn)汽量只有6～7 t/h，通過(guò)余熱回收后蒸汽鍋爐的產(chǎn)汽量基本上達(dá)9 t/h。熱管換熱裝置回收的熱量可提高水溫約60℃，二次加熱后給水溫度高于95℃，且給水量能保證鍋爐需求。

熱效率測(cè)試數(shù)據(jù)顯示兩臺(tái)鍋爐改造后較改造前提高了10%～15%。

2.2 效果分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀表顯示熱管熱交換裝置進(jìn)出口的煙氣溫度分別為220℃及140℃。熱管換熱裝置的熱效率達(dá)90%，我們據(jù)此進(jìn)行節(jié)能效果分析計(jì)算。

換熱節(jié)能回收的主要熱能為鍋爐煙氣帶走的熱量，主要包括干煙氣帶走的熱量、煙氣中水蒸氣帶走的熱量、過(guò)量空氣帶走的熱量和飛灰?guī)ё叩臒崃克膫€(gè)部分。

式中 ΔIpy——鍋爐煙氣帶走的熱量;

不同氣體與飛灰在不同溫度下的焓見(jiàn)表1［9］。

據(jù)煤分析結(jié)果，發(fā)熱量QY為20 934 kJ/kg，CY58%，SY2%，HY1.5%，AY30%，WY3.6%，NY1.1%，OY4.8%

主要指RO2與N2，其他成分在煙氣中的含量小，忽略其影響。

空氣過(guò)量系數(shù)α根據(jù)蒸汽鍋爐的實(shí)際蒸發(fā)量、鼓風(fēng)量與相關(guān)資料，α=1.7

(其中afh為鏈條鍋爐飛灰的系數(shù)，參考有關(guān)資料afh=0.2)

綜上:ΔIpy==1 073 kJ/kg

(5)余熱回收的水加熱效果

有機(jī)熱載體鍋爐熱交換裝置可回收的熱量為: 1 073 kJ/kg，按有機(jī)熱載體鍋爐用煤量25 t/日計(jì)算，則每天可回收的熱量為:

1 073×25 000=26 825 000 kJ

每天加熱的水量110 t，則可提高水溫:

26 825 000÷110 000÷4.18=58℃

蒸汽鍋爐余熱熱交換裝置可回收的熱量為: Q=1 073 kJ/kg，燃煤蒸汽鍋爐用煤量30 t/日計(jì)算，則每天可回收的熱量為:

1 073×30 000=32 190 000 kJ

蒸汽鍋爐每天的產(chǎn)汽量約130 t，則可提高水溫:

32 190 000÷130 000÷4.18=59℃

改造完成后，各余熱綜合回收裝置均能實(shí)際水溫提高約60℃，效果與理論分析計(jì)算接近。

(6)節(jié)能效益

有機(jī)熱載體鍋爐熱交換裝置加熱水體吸收的熱量:

蒸汽鍋爐熱交換裝置加熱水體吸收的熱量:

兩套熱管換熱裝置綜合回收的總熱量為:

蒸汽鍋爐的熱效率為ηg=0.7，每天節(jié)約的煙煤量:

一年按300天計(jì)算，全年可節(jié)省煙煤1 204 t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤860 t，單位產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)煤消耗降低7.5%。

煙煤價(jià)格按800元/t，則一年可節(jié)省煙煤費(fèi)用:

300×4.014×800=963 360元

通過(guò)兩臺(tái)鍋爐的煙氣余熱回收綜合利用后，使蒸汽鍋爐的蒸汽產(chǎn)能得到了提高，有效緩解了生產(chǎn)蒸汽供應(yīng)緊張的局面，順暢了生產(chǎn)同時(shí)節(jié)約了燃煤。

(7)環(huán)保效益

通過(guò)鍋爐余熱綜合回收，每年可減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗860 t，減少排放二氧化碳378 t，二氧化硫42 t，減少灰渣量258 t［10］。

3 結(jié)論

(1)熱管換熱器體積較小、重量輕，熱傳導(dǎo)系數(shù)高，維護(hù)簡(jiǎn)單，在鍋爐余熱綜合利用的節(jié)能上有良好的作用，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

(2)熱管換熱器由于具有良好的節(jié)能效果，能有效降低能耗與減少排放，符合節(jié)能降耗與減排的“兩型”社會(huì)要求，具有很好的社會(huì)效益。

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