一種深度回收煙氣中冷凝水潛熱的冷凝器

劉　亮， 宿新天， 郭少春，王　碩，崔敬麗

(1.保定市金能換熱設(shè)備有限公司,河北 保定 071000；2.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110850；3．中國熱處理行業(yè)協(xié)會，北京 100083)

一種深度回收煙氣中冷凝水潛熱的冷凝器

劉亮1， 宿新天1， 郭少春1，王碩2，崔敬麗3

(1.保定市金能換熱設(shè)備有限公司,河北 保定 071000；2.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110850；3．中國熱處理行業(yè)協(xié)會，北京 100083)

摘要：介紹了一種深度回收煙氣中冷凝水潛熱的冷凝器，通過冷凝器把煙氣中水蒸汽冷凝并吸收釋放出的潛熱從而將管內(nèi)冷水加熱，水溫可在30～95 ℃調(diào)節(jié)，通過給水泵把被加熱的水輸送到鍋爐或供暖系統(tǒng)中加以利用。安裝深度回收煙氣冷凝水潛熱的燃?xì)忮仩t比普通燃?xì)忮仩t熱效率高10%左右，鍋爐效率可接近100%，通過提高企業(yè)能源的利用率來解決當(dāng)前能源供需和環(huán)境污染的矛盾是一條有效的途徑。

關(guān)鍵詞：冷凝器；傳熱管；潛熱；熱效率

國務(wù)院發(fā)布的《大氣污染防治行動計劃》具體指標(biāo)是：到2017年，全國地級以上城市可吸入顆粒物濃度比2012年下降10%以上；京津冀、長三角和珠三角等區(qū)域細(xì)顆粒物濃度分別下降25%、20%和15%左右。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，需加大綜合治理力度，減少多污染物排放，培育和壯大節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)重大環(huán)保技術(shù)裝備和產(chǎn)品的創(chuàng)新開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

我國工業(yè)爐的能源利用水平還相當(dāng)?shù)?，平均熱效率不?5%，利用余熱可以節(jié)約大量燃料，減少大氣污染，改善勞動條件，提高產(chǎn)量以及降低成本。節(jié)能是工業(yè)爐發(fā)展的關(guān)鍵，能耗的高低直接反映在產(chǎn)品的成本和價值上，也影響到產(chǎn)品的競爭力和銷路，涉及到企業(yè)的生存和發(fā)展，通過提高企業(yè)能源的利用率來解決當(dāng)前能源供需矛盾是一條有效的途徑。用煙道氣余熱來加熱水或預(yù)熱空氣，使鍋爐熱利用率大幅度提高，可以節(jié)省燃料和減少二氧化碳的排放量。工業(yè)爐排煙溫度可達(dá)到150～220 ℃，有效地利用這些大量的余熱資源尤其是深度回收利用煙氣中冷凝水釋放的潛熱是最有效的節(jié)能措施之一，例如安裝冷凝器的燃?xì)忮仩t比普通燃?xì)忮仩t熱效率高10%左右，鍋爐效率可接近100%。

1深度回收冷凝技術(shù)

1.1燃?xì)夤I(yè)爐的熱損失分析

傳統(tǒng)的燃?xì)夤I(yè)爐的熱量損失主要發(fā)生在下述3個方面：1)爐體散熱損失；2)不完全燃燒損失(電爐不存在此項)；3)排煙熱量損失。顯然，提高火焰類工業(yè)爐熱效率的基本途徑就是要對上述3個方面做深入研究，其中排煙損失是鍋爐熱損失中最大的一項，約占鍋爐熱損失的70%～80%[1]，其溫度一般可達(dá)到150～190 ℃，這部分熱量只包括煙氣顯熱，不包括煙氣中水蒸汽的潛熱。

1.2回收煙氣余熱后鍋爐熱效率分析

工業(yè)爐燃料的節(jié)約量是衡量工業(yè)爐余熱利用經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，其燃料節(jié)約率是評定爐子熱效率的依據(jù)。預(yù)熱鍋爐給水提高了燃料的利用率，達(dá)到了節(jié)能的目的。

燃?xì)忮仩t煙氣熱量包括干煙氣的熱量和水蒸汽的熱量Q1[1-2]：

Q1=γCpgT1+M1hfg(T1)

(1)

煙氣出口處煙氣和冷凝液的熱量Q2為：

Q2=γCpgT2+M2hfg(T2)+mcoolCpT2

(2)

回收煙氣總換熱量Q為：

Q=Q1-Q2

(3)

冷凝水潛熱換熱量Qcool為：

Qcool=mcoolhfg(T1)

(4)

煙氣顯熱熱量Qg為：

Qg=α0ηA0(Tg—Ti)

(5)

式中，Q1是煙氣輸入熱量，單位為kJ/h；Q2是煙氣出口處熱量，單位為kJ/h；Q是回收排煙總熱量，單位為kJ/h；T1是 煙氣入口處溫度，單位為℃；T2是煙氣出口處溫度，單位為℃；η是翅片冷凝器效率；α0是煙氣側(cè)對流換熱系數(shù)，單位為W/(m2·K)；γ是煙氣的質(zhì)量流量，單位為kg/h；mcool是冷凝液生成量，單位為kg/h；hfg是水蒸汽焓值，單位為kJ/kg；A0是翅片管束外表面積，單位為m2。

排煙溫度下降時，Ipy就會下降，Q2隨之減小，鍋爐的熱損失減少；當(dāng)排煙溫度<60 ℃，煙氣中的水蒸汽冷凝成水釋放出潛熱，1 kg水蒸汽冷凝時會釋放2 500 kJ熱量。1 m3天然氣燃燒后會產(chǎn)生2.25 m3水蒸汽,釋放出3 391 kJ熱量，以天然氣低值35 000 kJ為基準(zhǔn),則需提高鍋爐熱效率ξ1：

(6)

式中，ξ1是回收鍋爐煙氣余熱提高熱效率；Q冷是冷凝器吸收的熱量，單位為kJ/Nm3；Q輸是燃?xì)馊紵l(fā)熱值，單位為kJ/Nm3。

降低煙氣溫度回收的顯熱效率為1.8%,潛熱提高的熱效率為7.15%，2項合計提高鍋爐熱效率為：

ξ2=7.15%+1.8%=8.95%

按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，以燃料低位發(fā)熱值為基準(zhǔn)計算鍋爐熱效率,回收前鍋爐的熱效率為91%,加上述2項，鍋爐合計熱效率ξ為：

ξ=ξ1+ξ2=91%+8.95%=99.95%

(7)

2冷凝器結(jié)構(gòu)

冷凝器由方圓管道、冷水進(jìn)口、翅片換熱管、框架、冷凝水出口和熱水出口組成，如圖1所示。

圖1　冷凝器結(jié)構(gòu)圖

3冷凝器的創(chuàng)新點

3.1換熱管的管內(nèi)強(qiáng)化傳熱

換熱管基管上加工有螺旋溝槽，基管外部焊接有翅片，帶有螺旋溝槽的翅片管可以強(qiáng)化管內(nèi)流體一側(cè)的對流換熱，螺旋溝槽翅片管使流體在管內(nèi)產(chǎn)生螺旋運動并具有一定的徑向速度，從而有效地強(qiáng)化管內(nèi)對流換熱，這使整個傳熱過程相應(yīng)地強(qiáng)化[3]。同時，螺旋溝槽管便于快速大批量加工，使總傳熱系數(shù)顯著提高，這樣可以降低制造成本；換熱管螺旋形溝槽的螺旋角及節(jié)距可以方便地在加工過程中調(diào)整和改變并兼顧流動阻力。螺旋翅片換熱管如圖2所示。

圖2　螺旋翅片換熱管圖

3.2換熱管的管外強(qiáng)化傳熱

翅片管式冷凝器的傳熱是煙氣通過管壁將熱量直接傳遞給冷水進(jìn)行相變換熱，屬于一次性換熱，同時由于管內(nèi)是冷水而管外是煙氣，管內(nèi)的換熱系數(shù)較管外大的多，因此總的傳熱系數(shù)主要取決于管外的換熱系數(shù)，通過在光管外表面無切削整體擠壓翅片來增大外表面的面積，相當(dāng)于增大了管外的換熱系數(shù)，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的[4]。在保持管外側(cè)翅片傳熱能力不變的條件下，通過提高管內(nèi)側(cè)對流換熱可達(dá)到使該傳熱元件總傳熱能力增大的目的。

3.3冷凝器相關(guān)技術(shù)的改進(jìn)措施

為實現(xiàn)該項技術(shù)改進(jìn)，主要做了3方面的工作：1)對冷凝器后邊的煙道改用耐腐蝕材料；2)燃燒系統(tǒng)改用按比例調(diào)節(jié)的燃燒方式，確保冷凝器運行性能穩(wěn)定、高效；3)配備冷凝水排放系統(tǒng)。

煙氣的余熱回收主要是通過對流換熱來完成的。本方案具有質(zhì)量小、造價低、安全可靠性高和調(diào)節(jié)簡單等優(yōu)點。

4現(xiàn)場實測結(jié)果

該冷凝器自從2011年12月投產(chǎn)已來，運行正常，2013年4月26日河北省鍋爐監(jiān)督檢驗院對某中心醫(yī)院進(jìn)行了現(xiàn)場實地測試，結(jié)果見表1。

表1　冷凝器性能參數(shù)表

5經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

5.1經(jīng)濟(jì)效益

1)燃?xì)鉅t節(jié)約天然氣量?；厥諢崃堪?89 kW計算，平均每小時每臺鍋爐節(jié)省天燃?xì)?低位發(fā)熱值按8 500 kcal/Nm3計算)36.8 m3，每天可節(jié)天燃?xì)饬?68 m3(按每天工作10 h)，一年可節(jié)約天然氣55 200 m3(一年工作150 d)。

2)年節(jié)約資金：5.52×2.8=15.46萬元。

3)投資回收期為76 d。

5.2社會效益

每年減少向大氣中排放二氧化碳量M=0.000 590 8×55 200=32.6 t。

6結(jié)語

冷凝器在工業(yè)爐的余熱回收方面的成功應(yīng)用表明燃?xì)鉅t的熱效率可以得到顯著的提高，目前工業(yè)生產(chǎn)中有大量鍋爐的煙氣余熱未能得到充分利用,若使煙氣中水蒸汽潛熱得到深度回收利用,就可以把燃?xì)鉅t的熱效率提高到將近100%,這樣不但可以節(jié)省大量燃料，還能減少二氧化碳的排放，對改善空氣質(zhì)量，預(yù)防大氣污染是一項積極有效的防治措施。

參考文獻(xiàn)

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[3] 趙蔚琳, 莊 駿, 張 紅. 一種新型高效強(qiáng)化傳熱技術(shù)[J]. 工業(yè)爐, 2004(3):8-10.

[4] 何介英.工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

責(zé)任編輯李思文

北方材料科學(xué)與工程研究院濟(jì)南所研制的

8類34種國家二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)順利通過評審

2014年12月底，中國兵器工業(yè)集團(tuán)北方材料科學(xué)與工程研究院濟(jì)南所的相關(guān)技術(shù)人員在北京參加了全國標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)管理委員會組織的國家二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)評審。濟(jì)南所申報了氣體、農(nóng)殘和濾光片等共計8類35種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，經(jīng)過技術(shù)人員的認(rèn)真答辯，最終有34種二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)順利通過評審。目前，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)申報及審查越來越嚴(yán)格，總體通過率僅為30%，而此次濟(jì)南所的通過率達(dá)到97.1%，充分說明了濟(jì)南所深厚的技術(shù)實力，獲得了評審專家的高度評價。本次通過評審的8大類34種二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是繼2013年獲批的1種一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、17種二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的又一次擴(kuò)充，本次評審?fù)ㄟ^后，濟(jì)南所共擁有標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)達(dá)260種，形成了專業(yè)領(lǐng)域廣、數(shù)量眾多、品種較為齊全的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)庫，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的銷售也是一年一個新臺階，面對激烈的市場競爭，濟(jì)南所會繼續(xù)以市場為導(dǎo)向，不斷提高標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制的技術(shù)能力與水平，不斷擴(kuò)充標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的種類和數(shù)量，建立更加完善的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)庫，成為權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制、提供、發(fā)放技術(shù)機(jī)構(gòu)。

——摘自中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司網(wǎng)

Application of Recovering Waste Heat in Gas Furnace of Steel Jar Modified Treatment

LIU Liang1，SU Xintian1，GUO Shaochun1, WANG Shuo2, CUI Jingli3

(1.Baoding Jinneng Exchanger Co., Ltd , Baoding 071000, China;2.AVIC Shenyang Aircraft Corporation,Shenyang 110850, China;3.China Heat Treatment Association, Beijing 100083, China)

Abstract:The paper introduced a kind of condenser which can fully recover the latent heat of steam in the exhausted gas, and absorbed latent heat of steam is used to heat the cold water in pipe, the water temperature can be adjusted in range of 30～ 95 ℃ and the heated water can be pumped into the boiler or heating system through pipes. The thermal efficiency of a gas boiler with the latent heat recovery installation is about 10% higher than that of the ordinary gas boiler, close to the efficiency of 100%. Improvement of the utilization rate of energy in enterprises will be greatly benefit to solve the contradiction of energy supply and environmental pollution.

Key words:condenser, heat transfer pipe, latent heat, thermal efficiency

收稿日期：2014-11-12

作者簡介：劉亮(1981-)，男，助理工程師，主要從事熱能工程設(shè)計及開發(fā)等方面的研究。

中圖分類號：TB 657

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B