板式換熱器余熱回收方案設(shè)計改造

壽倩倩，金康惠，壽雪剛

( 上海海事大學(xué)，上海 201306 )

板式換熱器余熱回收方案設(shè)計改造

壽倩倩，金康惠，壽雪剛

( 上海海事大學(xué)，上海 201306 )

對某公司原余熱回收方案進(jìn)行節(jié)能改造，將焊接板式換熱器作為余熱回收設(shè)備應(yīng)用于某公司的余熱回收系統(tǒng)中，完成對該回收系統(tǒng)的節(jié)能改造，該系統(tǒng)煙氣經(jīng)過第一級換熱器溫度為350℃，經(jīng)過節(jié)能改造之后，煙氣溫度降到150℃。每天可回收熱量202.2kW，每臺余熱回收設(shè)備每年可以節(jié)約178.81噸的標(biāo)煤，節(jié)能潛力巨大。

板式換熱器；高溫?zé)煔?；余熱回收；?jié)能改造

1 引言

經(jīng)調(diào)查顯示在我國大約50%的能源以各種各樣的余熱資源消耗掉了，工業(yè)余熱資源主要包括高溫?zé)煔庥酂帷⒏邷卣羝酂?、高溫爐渣余熱、高溫產(chǎn)品余熱(包括中間產(chǎn)品)、化學(xué)反應(yīng)及殘?zhí)坑酂?、冷卻介質(zhì)余熱、冷凝水余熱以及可燃廢氣余熱等[1]。其中煙氣余熱量高達(dá)爐窯的50%～70%[2]，所以煙氣余熱利用是節(jié)能的重要手段。

在余熱回收設(shè)備選擇方面，板式換熱器作為高效緊湊的換熱設(shè)備，幾乎涉及到所有的工業(yè)領(lǐng)域[3]。近年來焊接式板式換熱器因其重量輕、換熱效果好、成本低等優(yōu)點被越來越多的人所認(rèn)可[4]。

2 余熱回收設(shè)備概況

某公司需要對窯爐進(jìn)行節(jié)能改造，其燃料為天然氣，燃?xì)庀牧繛?00Nm3/h，鼓風(fēng)機流量估算為2800Nm3/h；爐口煙氣溫度為550℃，煙氣經(jīng)過一級預(yù)熱器后溫度為350℃。一級預(yù)熱器將空氣從常溫升到270℃。原設(shè)備原理如圖1所示。由于煙氣溫度過高，很多能量都沒有得到有效的利用，現(xiàn)要求將煙氣溫度從350℃降到150℃，達(dá)到煙氣余熱回收的目的。原設(shè)備原理如圖1所示。

圖1 原設(shè)備原理圖

經(jīng)過現(xiàn)場勘查，該公司具備在現(xiàn)場進(jìn)行施工改造的條件，為了節(jié)約成本，現(xiàn)采用熱量交換的方式，利用余熱回收設(shè)備回收熱量并傳遞到自身工藝過程中，這是回收煙氣余熱最直接，效率較高的方法。

3 煙氣余熱回收方案的改造設(shè)計

在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，加設(shè)余熱回收設(shè)備，將從一級余熱回收器排除的煙氣進(jìn)行二級余熱回收，經(jīng)余熱回收器吸熱降溫后的煙氣從另一端送出至煙囪出口，再經(jīng)凈化處理后排入大氣。常溫空氣由鼓風(fēng)機吹入余熱回收設(shè)備進(jìn)行加熱，升溫后供后續(xù)物料干燥等流程使用。其原理圖如圖2所示余熱回收設(shè)備選擇全焊接式板式換熱器，其具體參數(shù)如下：選取板間距離為14mm，板片的厚度應(yīng)不小于0.5mm，全焊接式板式換熱器的板厚為0.4～1.0mm，標(biāo)準(zhǔn)為0.8mm，低溫情況下為0.4mm，設(shè)計板片的厚度為0.8mm，單板換熱面積為0.88m2，長度為1600mm，寬度為550mm，全焊接板式換熱器的板片主要有以下幾種形式，水平平直波紋板片、平板板片以及窩型波紋板片，現(xiàn)在選取窩型波紋板片。余熱回收設(shè)備板片設(shè)計如圖3所示。

圖2 改造原理圖

余熱回收設(shè)備安裝在窯爐煙道出口處，余熱回收設(shè)備具體安裝位置及煙管、風(fēng)管的安裝布置需根據(jù)現(xiàn)場實際情況決定。為減少風(fēng)道通風(fēng)阻力安裝時應(yīng)盡量減少管道彎角。

4 煙氣余熱回收效果分析

4.1 設(shè)計計算方法[5]

對板式換熱器的熱力學(xué)計算主要有兩種方法，一種是對數(shù)平均溫差校正系數(shù)法，另一種是傳熱單元數(shù)法。兩種計算方法的共同點都是利用熱平衡方程以及利用傳熱系數(shù)來表征傳熱強弱的思想。平均溫差法是利用傳熱方程計算傳熱量或者是傳熱面積；傳熱單元法引入了換熱器的效能以及傳熱單元數(shù)，是在傳熱單元數(shù)法中，在熱平衡方程以及計算對數(shù)平均溫差的基礎(chǔ)上對換熱器進(jìn)行校核和設(shè)計計算時，需要引用這兩個參數(shù)的。筆者選擇對數(shù)平均溫差校正系數(shù)法。

圖3 板片布置及板片形狀

4.2 設(shè)計計算過程

(1)流體的定性溫度

(3-1)

式中：

T1—流體的進(jìn)口溫度，℃；

T2—流體的進(jìn)口溫度，℃；

Tm—流體的定性溫度，℃

我們可以得到煙氣的進(jìn)口溫度為350℃，煙氣的出口溫度為150℃，則煙氣的定性溫度為250℃。

(2)煙氣量和空氣量的計算

主要涉及的化學(xué)反應(yīng)方程式為

CH4+2O2=CO2+2H2O

(3-2)

燃?xì)庀牧繛?00Nm3/h，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式可以知道氧氣的消耗量為400Nm3/h，法國的化學(xué)家拉瓦錫經(jīng)過試驗得到空氣中各氣體的組成成分如表3-1所示，從表3-1可以知道氧氣在空氣中所占的體積分?jǐn)?shù)為21﹪，計算得空氣量為1904.76 Nm3/h，為了保證窯爐內(nèi)能夠達(dá)到燃料完全燃燒的效果，現(xiàn)在選擇過量空氣系數(shù)為1.4，則可以算得實際所需的空氣量為2666.67Nm3/h，從化學(xué)方程式(3-2)我們可以分析的實際所需煙氣量為2866.7Nm3/h。

表3-1 空氣中各組成成分的含量(%)

氮氣氧氣稀有氣體二氧化碳其它氣體和雜質(zhì)78210.940.030.03

(3)煙燃體積比與空燃體積比的計算

過量空氣系數(shù)可以選擇1.1～1.4之間的任意數(shù)值，現(xiàn)取過量空氣系數(shù)為1.4進(jìn)行計算。天然氣進(jìn)行燃燒時主要涉及的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

CH4+2α(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+2α×3.76N2+2(α-1)O2

(3-3)

經(jīng)過以上化學(xué)反應(yīng)方程式我們可以計算的煙燃體積比為14.33，根據(jù)已有的結(jié)論：一般空燃體積比比煙燃體積比的比差為1，從而可以得出空燃體積比為13.33。

(4)煙氣各氣體成分的計算

煙氣各氣體成分的計算是通過化學(xué)反應(yīng)方程式(3-3)計算出，例如二氧化碳在煙氣的分量為1，而總的煙氣量為14.33，由此可以得到二氧化碳的含量為0.07，以此類推可以得到氧氣、氮氣以及水的各成分含量，現(xiàn)將計算所得結(jié)果總結(jié)如表3-2所示：

表3-2 煙氣中各組分的含量(%)

氧氣二氧化碳氮氣水0.060.070.730.14

(5)混合氣體的比熱容計算

cpm=∑xicpi

(3-4)

式中：

xi—i組分的分子分?jǐn)?shù)；

cpi—i組分的比熱容，kJ/m3·℃；

cpm— 混合氣體的比熱容，kJ/m3·℃

由原設(shè)計方案可知，通過第一級換熱器的出口溫度為350℃，通過表3-2可以知道350℃時煙氣中各組分在不同溫度下的比熱容：

=0.0764085kJ/m3℃，

同理可得cpCO2=0.1237kJ/m3℃，cpN2=0.8917kJ/m3℃，cpH2O=0.1586kJ/m3℃，從而通過

表3-3 煙氣中各氣體的比定壓熱容(kJ/m3℃)

溫度(℃)氧氣二氧化碳氮氣水蒸氣01.216951.491451.205241.0893741001.227591.584781.20641.0975782001.243551.66531.209881.1098843001.26351.736671.216841.1245344001.283451.798891.226121.1415285001.302071.853791.236561.159108

式(3-3)可算得此時煙氣的比熱容為cpm1=1.2504kJ/m3℃。根據(jù)項目要求可知，需要通過新一級換熱器使得煙氣的溫度降低至150℃，根據(jù)以上計算過程可分別計算出在150℃時，cpCO2=0.1138kJ/m3℃，cpN2=0.8819kJ/m3℃，cpH2O=0.1545kJ/m3℃，cpO2=0.0741kJ/m3℃，從而得到此時煙氣的比熱容為cpm2=1.2243kJ/m3℃。

(6)氣體的焓值計算

H=VTc

(3-5)

式中：

H—氣體的焓值，kJ；

V—氣體的體積流量，m3/h；

T—氣體的溫度，℃；

c—氣體的比熱容，kJ/m3·℃

由以上計算可得V=2866.7Nm3/h，煙氣進(jìn)口溫度T1=350℃，此時cpm1=1.2504kJ/m3℃，將已知代入式(3-4)可得煙氣的進(jìn)口焓值Hin=1254582.588kJ/h=348.50kW，煙氣的出口溫度T2=150℃，cpm2=1.2243kJ/m3℃，同理可得煙氣的出口焓值Hout=526498.122kJ/h=146.25kW。

(7)換熱器的換熱量

Q=Hin-Hout

(3-6)

式中：

Hin—流體流入換熱器的焓值，kJ；

Hout—流體流出換熱器的焓值，kJ；

Q—換熱器的換熱量，kJ

由以上計算可得Hin=348.50kW，Hout=146.25kW，將以上所得代入式3-4可得Q=202.2kW。

4.3 煙氣余熱回收方案評價

由以上計算可知，理論上可以回收的熱量為202.2kW，通過查閱資料，可以得到1kg標(biāo)煤所產(chǎn)生的熱量約為29310kJ，經(jīng)過計算可知每臺余熱回收設(shè)備每天可以節(jié)約標(biāo)煤596.05kg，則每年按10個月，每月按30天計算每臺余熱回收設(shè)備每年可以節(jié)約178.81噸的標(biāo)煤，節(jié)能潛力巨大。

5 結(jié)語

該設(shè)計方案的改造在技術(shù)上可行，實施方便，無需進(jìn)行大范圍的施工，節(jié)省了大量的人力和物力，節(jié)約了成本。在節(jié)約能源方面，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤178.81噸的標(biāo)煤，節(jié)能潛力巨大。能源的再次利用提高了公司的收益，在煙氣排放之前進(jìn)行凈化處理，減少了對大氣的污染，同時達(dá)到了令人滿意的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

[1] 趙欽新，王宇峰，王學(xué)斌，等.我國余熱利用現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展[J].工業(yè)鍋爐，2009，(4)：8-15

[2] 黃漢樹，謝辰，李梁.工業(yè)窯爐余熱回收技術(shù)[J].四川冶金，2006(6)：39-40

[3] HUANG J.Performance analysis of plate heat exchanger used as refrigerant evaporators[D].Johannesburg:University of the Witwatersrand，2010

[4]高誠.全焊接式板式換熱器的應(yīng)用[J].當(dāng)代化工，2006，35(2)：126-127

[5] T.Kuppan.換熱器設(shè)計手冊(M).北京：中國石化出版社，2003

The Waste Heat Recovery Plan of Plate Heat Exchanger′s Designation and Transformation

SHOU Qianqian，JIN Kanghui，SHOU xuegang

(Shanghai Maritime University，Shanghai，201306)

Improve a firm′s original plan for energy saving.the all-welded plate heat exchangers are used in the company′s waste heat recovery system and complete the energy-saving recovery system.The temperature of the flue through the first stage heat exchanger is 350℃，and after energy-saving，the temperature of flue gas is down to 150℃.It can recover 202.2kW per day.Every waste heat recovery equipment can save 178.81 tons of standard coal.The potential of energy-saving is enormous.

Plate heat exchanger；High temperature flue gas；Waste heat recovery；Energy-saving

2016-6-20

壽倩倩(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：船舶動力裝置噪聲及控制技術(shù)。Email:2539849813@qq.com

ISSN1005-9180(2017)02-081-04

TK172 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.018