復(fù)合相變換熱技術(shù)在鍋爐排煙余熱回收中的應(yīng)用

李曉東　汪毅　王棟毅

摘 要： 復(fù)合相變換熱技術(shù)是一種回收鍋爐排煙余熱的新型技術(shù)，其壁溫可控可調(diào)，具有防止煙氣側(cè)低溫腐蝕的突出優(yōu)勢.介紹了寶鋼采用該技術(shù)回收利用本廠內(nèi)一臺低壓鍋爐排煙余熱生產(chǎn)生活熱水的節(jié)能項目，該項目于2013年5月投運，至今運行良好.運行結(jié)果表明，該復(fù)合相變換熱器可使鍋爐排煙溫度由194℃降至138℃，同時獲得90℃熱水19.1 t·h-1.通過實施該節(jié)能項目可回收煙氣余熱約1 400 kW，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1 300 t，推進了寶鋼節(jié)能減排.

關(guān)鍵詞： 復(fù)合相變換熱器； 鍋爐排煙； 余熱利用； 節(jié)能

中圖分類號： TK 221 文獻標(biāo)志碼： A

Application of compound phase changing heat exchanger technology

in heat recovery from boiler exhaust gas

LI Xiaodong，WANG Yi，WANG Dongyi

（Ministry of Industrial Environment Protection， Baosteel Development Co. ， Ltd. ， Shanghai 201900， China）

Abstract： Compound phase changing heat exchanger technology is an alternative way to recover waste heat from boiler exhaust gas，the wall temperature of which can be adjusted and controlled.And thus low temperature corrosion of flue gas side can be prevented.An energy saving project performed by Baosteel Company was introduced in this paper，which recovered the waste heat from a lowpressure industrial boilers exhaust gas to produce hot water.This project has been put into operation in May，2013.And it ran well.The test results shown that with a FXH heat exchanger，the boiler exhaust gas temperature decreased from 194 ℃ to 138 ℃，and the flow rate of the produced hot water at 90℃ reached 21.4 t/h.As a result，about 1400 kW waste heat could be recovered by this project，which was equal to about 1300 tons per year of standard coal.It makes contributions to the energy saving of Baosteel Company.

Keywords： compound phase changing heat exchanger； boiler exhaust gas； heat recovery； energy saving

寶鋼廠區(qū)中大量低溫?zé)煔庥酂釤o法作為生產(chǎn)輔助用能加以利用，同時寶鋼周邊一些浴室仍使用燃油燃煤鍋爐作為職工生活熱水熱源，因此研究將此工業(yè)廢熱轉(zhuǎn)化為生活用能意義重大.

寶鋼熱力分廠4號低壓鍋爐為日本三菱CE34VP-18W水管鍋爐，目前在平均燃氣（高爐煤氣）量為40 000 m3·h-1時，排煙溫度保持在194℃左右，排煙溫度較高，排煙熱損失較大，有很大的余熱回收空間.本文采用合同能源管理方式回收余熱生產(chǎn)生活熱水取代寶鋼餐飲公司廠前、月浦、交運、設(shè)備倉庫、羅涇中厚板等地的浴室鍋爐，達到節(jié)能降耗、改善環(huán)境、降本增效目的.

目前汽水式回收鍋爐排煙余熱主要應(yīng)用兩種技術(shù)，傳統(tǒng)的低壓省煤器技術(shù)和熱管技術(shù).對于低壓省煤器，當(dāng)系統(tǒng)排煙溫度低時，壁面最低溫度會低于酸露點.從實際應(yīng)用效果看，低壓省煤器容易發(fā)生低溫腐蝕.在壁面溫度確定后，盡管可以實現(xiàn)壁溫可控可調(diào)，但受到進、出水溫的限制，調(diào)節(jié)幅度有限.

熱管是敏度極高的換熱元件，它是在真空管內(nèi)液體之間相互傳遞熱量，真空內(nèi)部熱阻小，具有良好的等溫性能等特點[1]。而對于熱管技術(shù)，由于熱管生產(chǎn)過程中的制造差異，每根熱管不凝性氣體的產(chǎn)生比例也不一樣的制造特性，容易產(chǎn)生不凝氣體，只要部分熱管的不凝氣體達到許可極限，熱管換熱器整體換熱效率就會下降[2]，加之使用時不能排氣和重啟，存在長時間使用容易失效、維修更換費用高、經(jīng)濟性差等問題.

為避免上述兩種技術(shù)帶來的問題，研究采用復(fù)合相變換熱器技術(shù)回收鍋爐排煙余熱.本文以熱力分廠4號低壓鍋爐排煙余熱回收利用為例，介紹復(fù)合相變換熱技術(shù)的基本原理、換熱器實際運行效果、節(jié)能分析等，為回收鍋爐排煙余熱提供參考.

1 復(fù)合相變換熱技術(shù)簡介

1.1 復(fù)合相變換熱器基本原理

圖1為復(fù)合相變換熱器原理示意圖.復(fù)合相變換熱器在多根并聯(lián)的密閉管排束構(gòu)件內(nèi)利用除鹽水相變潛熱傳遞熱量，在換熱器下部除鹽水吸收鍋爐煙氣余熱汽化為飽和蒸汽，飽和蒸汽在一定的壓差下沿上升管升至換熱器上部汽包內(nèi)向外界（生活水、鍋爐給水）放出熱量并凝結(jié)成飽和水，飽和水沿下降管回到換熱器下部，并再次被煙氣加熱汽化，往復(fù)循環(huán)，完成了將熱量從高端傳向低端的單向?qū)幔柡驼羝惋柡退诿荛]系統(tǒng)內(nèi)自然循環(huán).系統(tǒng)由中央控制單元集中控制，使換熱器上部冷卻速率與換熱器下部吸熱速率平衡，飽和蒸汽與飽和水自然循環(huán)達到平衡，保證壁溫保持在設(shè)定溫度，即調(diào)整冷卻速率與吸熱速率平衡點，在一定范圍內(nèi)調(diào)整壁溫.

相變換熱器中多根并聯(lián)的密閉管排束構(gòu)件上的金屬壁面整體溫度分布均勻，與煙氣溫度保持“較小梯度溫降（溫差10～20℃）”，并具備“獨立于被加熱工質(zhì)溫度”的特殊功能.相變換熱器通過“相變段”換熱流量的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對整個設(shè)備可能出現(xiàn)的不同最低壁面溫度的閉環(huán)控制，以保證燃料種類變動引發(fā)酸露點變化后，對壁溫同步可控可調(diào).在保證設(shè)備安全運行的前提下，實現(xiàn)最大幅度回收煙氣余熱的節(jié)能目標(biāo).相變換熱器是一種用于低溫鍋爐排煙余熱回收的裝置，為低溫余熱利用帶來了革命性突破.它靈活地使用了汽化液化相變的強化換熱技術(shù)，在換熱器管內(nèi)使傳熱工質(zhì)處于相變工作狀態(tài).其技術(shù)核心和創(chuàng)新在于換熱器壁溫整體可控可調(diào).在充分發(fā)揮相變潛熱的熱傳導(dǎo)優(yōu)勢下，靈活配置換熱器的不同部分，一方面滿足最低壁溫高于煙氣酸露點的要求；另一方面充分發(fā)揮相變傳熱的高效性，使壁溫與排煙溫度維持較小的溫差.在保證受熱面不結(jié)露的前提下降低排煙溫度，有效地進行降溫節(jié)能，提高熱效率和防腐能力.

1.2 復(fù)合相變換熱器技術(shù)與傳統(tǒng)換熱器技術(shù)在壁溫設(shè)計上的差異比較 傳統(tǒng)換熱器的壁溫設(shè)計是基于換熱器兩側(cè)介質(zhì)溫度的平均溫度作為壁溫.為保證最低壁溫不低于酸露點，設(shè)計排煙溫度時要保證壁溫在酸露點之上.由此可見，傳統(tǒng)換熱器壁溫是隨著進、出口工質(zhì)的各自溫度變化而變化.本文如采用傳統(tǒng)換熱器進行節(jié)能改造則熱源條件如圖2所示.

圖2 傳統(tǒng)換熱器溫度曲線

Fig.2 The temperature curve of the traditional

heat exchanger

復(fù)合相變換熱器和傳統(tǒng)換熱器的壁溫設(shè)計理的同，該技術(shù)首次提出將換熱器壁面最低溫度定義為“第一設(shè)計要素”的理念，以及首次提出將對產(chǎn)生煙氣低溫結(jié)露和腐蝕具有關(guān)鍵性影響的最低壁面溫度置于“可控可調(diào)狀態(tài)”的創(chuàng)新概念.復(fù)合相變換熱器的最低壁面溫度曲線處于冷、熱工質(zhì)溫度曲線之間，且不隨進、出口工質(zhì)的溫度變化而變化.復(fù)合相變換熱器溫度曲線如圖3所示.由此可見，該技術(shù)的核心在于改變了傳統(tǒng)換熱器壁面溫度分布的“函數(shù)”因變量特征，并在設(shè)計中使其不變的金屬壁溫始終保持在酸露點以上，在避免出現(xiàn)低溫結(jié)露和腐蝕的同時，為大幅度回收煙氣低溫余熱提供了可能.

圖3 復(fù)合相變換熱器溫度曲線

Fig.3 The temperature curve of FXH heat exchanger

2 復(fù)合相變換熱器方案設(shè)計

本文設(shè)計的復(fù)合相變換熱器布置在鍋爐空氣預(yù)熱器出口及引風(fēng)機進口的一段尾部煙道內(nèi)，不額外增加新的風(fēng)機和煙道.該換熱器是由幾種不同規(guī)格的管子組成的箱體式結(jié)構(gòu)，如圖4所示，其具體結(jié)構(gòu)分為以下兩部分.

（1） 相變下段：主體由約800根32 mm翅片管組成，布置于煙道內(nèi)部，上部由273 mm無縫鋼管引入汽包.相變下段負責(zé)吸收空氣預(yù)熱器后的煙氣熱量.運行時，注入適量除鹽水進入相變下段內(nèi)，除鹽水受熱蒸發(fā)為飽和蒸汽，蒸汽通過273 mm上升管進入汽包.

圖4 復(fù)合相變換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.4 Schematic diagram of FXH heat exchanger

（2） 相變上段：相變上段包括汽包、上升管、下降管等.汽包是一種管殼式換熱器，筒體由Q235鋼板卷制而成，內(nèi)部布置數(shù)百根19 mm不銹鋼換熱管.汽包內(nèi)部分為管程和殼程，殼程通過273 mm上升管和57 mm下降管與相變下段相通，殼程介質(zhì)（除鹽水）為相變下段產(chǎn)生的蒸汽，管程介質(zhì)為生活水.相變下段產(chǎn)生的飽和蒸汽通過273 mm上升管進入汽包，在汽包內(nèi)通過加熱生活水被冷凝為飽和水，冷凝后的飽和水通過57 mm下降管回流至相變下段，完成一個循環(huán)過程.

相變下段與相變上段（汽包）殼程組成一個自然循環(huán)的封閉系統(tǒng)，換熱器系統(tǒng)正常運行過程中除鹽水不會有損耗，設(shè)備不需進行補水.

3 復(fù)合相變換熱器的煙氣換熱管壁溫控制方案3.1 酸露點、最低壁溫確定

4號低壓鍋爐主要燃用高爐煤氣，摻燒少量焦?fàn)t煤氣.燃料主要成分如表1所示.

采用荷蘭學(xué)者Okkes根據(jù)實驗數(shù)據(jù)提出的公式[3]，即

tsld=10.880 9+27.6lgPH2O+10.83lgPSO3+

1.06（lgPSO3+2.994 3）2.19

（1）

式中：tsld為煙氣酸露點，℃；PH2O為煙氣中水蒸氣分壓，Pa；PSO3為煙氣中SO3分壓，Pa.

依據(jù)煤氣成分及燃氣摻燒量可以計算出煙氣中水蒸氣和SO2的體積分數(shù)分別為2.087 0%、0.025 0%；SO3的轉(zhuǎn)化率取2%，計算出SO3的體積分數(shù)為0.000 5%；煙氣壓力按98 600 Pa（絕對壓力）計算，換算出水蒸氣和SO3分壓分別為2 060.740 Pa和0.493 Pa；代入式（1）計算出煙氣酸露點估算值為108.3℃.根據(jù)酸露點可以確定換熱器壁面溫、排煙溫度.復(fù)合相變換熱器溫度設(shè)計控制示意圖如圖5所示.

圖5 復(fù)合相變換熱器溫度設(shè)計控制示意圖

Fig.5 Schematic diagram temperature control for FXH

heat exchanger

3.2 PID控制策略

通過PLC控制系統(tǒng)實時監(jiān)測目標(biāo)壁溫（PV），將PV和設(shè)定壁溫（SV）輸入PID運算器，輸出0～100%閥門開度信號，控制電子式調(diào)節(jié)閥，從而調(diào)節(jié)進水流量，改變壁面溫度，建立一個PID閉環(huán)控制回路.煙氣換熱管壁溫控制邏輯示意圖如圖6所示，其中：TE為溫度測點；M為電動執(zhí)行機構(gòu)；SL為最低溫度.

圖6 復(fù)合相變換熱器中煙氣換熱管壁溫控制邏輯示意圖

Fig.6 Control logic for flue gas heat transfer tube wall temperature in FXH heat exchanger

4 項目實際運行效果及節(jié)能效益分析4.1 主要運行參數(shù)

復(fù)合相變換熱器安裝后經(jīng)過2個月試運行，換熱器運行參數(shù)如表2所示.

4.2 節(jié)能效益計算

出口煙氣溫度以194℃計，復(fù)合相變換熱器后尾部排煙溫度為138℃，回收熱量

Q=VgρgCpgΔTφ3 600

（2）

式中：Vg為煙氣流量，Nm3·h-1；ρg為煙氣密度，取為1.448 kg·Nm-3；Cpg為煙氣比熱，取為1.003 kJ·kg-1·℃-1；ΔT為復(fù)合相變換熱器前、后煙氣溫差，℃；φ為設(shè)備保熱系數(shù)，取為0.95.

節(jié)能量等效標(biāo)煤量

Gc=3 594.8QHRQp·1 000η

（3）

式中：HR為設(shè)備運行小時數(shù)，此處為7 200 h；Qp為標(biāo)煤的發(fā)熱量，kJ·kg-1.

煙氣側(cè)阻力增加134 Pa，引風(fēng)機增加能耗

Py=Δhy·Vg3 600ηy

（4）

式中：Δhy為煙氣增加阻力，Pa；ηy為引風(fēng)機效率，取為75%.

水泵增加能耗

Pb=qvgHηb

（5）

式中：qv為加熱水量，t·h-1；H為水泵揚程，m；ηb為水泵效率，取為75%；g為重力加速度，m·s-2.

增加的年總耗電量

E=（Py+Pb）·HR

（6）

項目年綜合節(jié)能量如表3所示.

表3 項目年綜合節(jié)能量計算表

Tab.3 Annual amount of energy saving

本項目運行三年來，復(fù)合相變換熱器運行平穩(wěn)，換熱裝置最大生產(chǎn)90 ℃熱水流量達到22 t·h-1，排煙溫度基本上可以控制在130 ℃左右.受熱面最低壁面溫度可達115 ℃；換熱器受熱面沒有結(jié)露、腐蝕、積灰現(xiàn)象，設(shè)備本體故障率為零.該項目完全替代了五個區(qū)域熱水鍋爐，基本實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo).

5 結(jié) 語

復(fù)合相變換熱器適用于冶金行業(yè)燃用煤氣鍋爐排煙余熱利用節(jié)能改造，與傳統(tǒng)換熱器相比其換熱器壁溫均勻易于控制，有效地克服了低溫腐蝕，換熱性能好、運行穩(wěn)定，可以回收煙氣余熱以取代燃油燃煤鍋爐為職工提供生活熱水，為回收利用冶金行業(yè)的工業(yè)廢熱提供了新的路徑.

參考文獻：

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