寬通道全焊接板式熱交換器在廢糖水余熱回收中的應(yīng)用

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(1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

技術(shù)應(yīng)用

寬通道全焊接板式熱交換器在廢糖水余熱回收中的應(yīng)用

常春梅1,2，孫海生1,2，盧芳1,2，劉一凡1,2

(1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

寬通道板式熱交換器已在含固體、晶體、纖維、漿狀物質(zhì)及高黏度介質(zhì)的流體余熱回收?qǐng)龊现械玫搅藦V泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的可拆卸寬通道板式熱交換器由于耐溫、耐壓受到墊片性質(zhì)決定，應(yīng)用場(chǎng)合很受局限。已開發(fā)的全焊接寬通道板式熱交換器雖在個(gè)別領(lǐng)域應(yīng)用，但傳熱元件承壓能力低并且制造成本高的缺點(diǎn)導(dǎo)致其很難廣泛推廣應(yīng)用。筆者開發(fā)的激光焊無觸點(diǎn)寬通道板式熱交換器不但具有承壓高的顯著特點(diǎn)，而且采用的可拆卸模塊化設(shè)計(jì)可以大幅降低檢維修成本，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

板式熱交換器； 全焊接； 激光焊接； 無觸點(diǎn)； 寬通道； 廢糖水； 應(yīng)用

自20世紀(jì)30年代用薄板壓制成波紋板制造板式熱交換器開發(fā)以來，板式熱交換器大多用在牛奶滅菌或啤酒的加工中，通常所選用的人字形波紋波深主要是2.0～4.0 mm[1,2]。進(jìn)入21世紀(jì)，全球各國越來越關(guān)注污水處理等環(huán)保領(lǐng)域，可拆卸板式熱交換器因介質(zhì)流通通道間隙小，污水中含有的礦物纖維極易在人字形波紋板片流道內(nèi)發(fā)生堵塞和觸點(diǎn)處鉤掛等問題，一度使得其應(yīng)用出現(xiàn)瓶頸[3]。

2009年，文獻(xiàn)[4]報(bào)道了可拆卸寬通道板式熱交換器在聚乙烯裝置擠壓造粒單元得到了應(yīng)用，為其推廣應(yīng)用打開了一個(gè)新的空間?？刹鹦秾捦ǖ腊迨綗峤粨Q器易于拆卸，清洗更換方便，但承壓能力低，最高工作溫度受膠墊耐溫極限的約束[5,6]，在溫度較高、壓力較高的含纖維、漿狀物質(zhì)及高黏度介質(zhì)換熱工況下很難滿足設(shè)計(jì)要求。因此，有必要開發(fā)出一種承壓、抗堵塞性能良好、流道間距在12～30 mm的全焊接寬通道板式熱交換器。

1 焊接寬通道板式熱交換器簡介

氧化鋁種子分解工藝過程中，換熱設(shè)備換熱效率低、易堵塞等問題一直是制約氧化鋁產(chǎn)量的重要因素。2005年，寬通道全焊接板式熱交換器在氧化鋁種子分解工藝過程中得到廣泛應(yīng)用[7]，含有固體顆粒的氫氧化鋁漿液順利通過板組間形成的無觸點(diǎn)的介質(zhì)流道，冷流體通過有觸點(diǎn)的介質(zhì)流道，此設(shè)備傳熱元件為2205雙相鋼波紋板片，具備良好耐腐蝕性能和磨蝕性能。

據(jù)文獻(xiàn)[8]報(bào)道，2014年全焊接寬通道板式熱交換器在燃料乙醇行業(yè)得到應(yīng)用。寬通道板式熱交換器也設(shè)有熱流體的介質(zhì)流道和冷流體的介質(zhì)流道，但是冷介質(zhì)流道采用了高效平板定距柱或窩狀結(jié)構(gòu)，熱介質(zhì)寬通道側(cè)無觸點(diǎn)和其它支撐。2205雙相鋼用于全焊接板式熱交換器制造已多年[9,10]，耐磨蝕、耐腐蝕性能更優(yōu)良的2507雙相鋼等材料在全焊接板式熱交換器制造與應(yīng)用目前鮮有報(bào)道。

目前，國內(nèi)外設(shè)計(jì)制造的全焊接寬通道板式熱交換器內(nèi)部介質(zhì)流道大多為一側(cè)無觸點(diǎn)，一側(cè)有觸點(diǎn)。無觸點(diǎn)側(cè)流通含纖維、漿狀物質(zhì)及高黏度介質(zhì)，有觸點(diǎn)側(cè)流通循環(huán)水。當(dāng)兩種介質(zhì)均為含顆粒物、含纖維的漿狀流體進(jìn)行熱量交換時(shí)，目前的全焊接寬通道板式熱交換器并不能滿足要求。另外，當(dāng)殼程側(cè)介質(zhì)壓力大于板程側(cè)無觸點(diǎn)側(cè)的介質(zhì)壓力時(shí)，無觸點(diǎn)側(cè)的介質(zhì)流道會(huì)在殼側(cè)壓差作用下將無觸點(diǎn)側(cè)介質(zhì)流道擠壓變窄。若采用的焊接方式是電阻點(diǎn)焊或縫焊，板管承受的壓力有限，嚴(yán)重時(shí)板片會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形或板管撕裂導(dǎo)致介質(zhì)泄漏。

2 激光焊寬通道板式熱交換器

2.1板型設(shè)計(jì)

筆者新開發(fā)的板型示意圖見圖1。

圖 1 激光焊寬通道板式熱交換器傳熱元件結(jié)構(gòu)示圖

殼程循環(huán)水側(cè)由板片組對(duì)形成無觸點(diǎn)板管流道，板片間采用激光連續(xù)焊接，最大承壓數(shù)值為4.0 MPa。板程廢糖水側(cè)為無觸點(diǎn)流道，此流道的間距可在10～30 mm內(nèi)根據(jù)具體流體性質(zhì)和工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，增加了設(shè)備的適用性。

當(dāng)殼程循環(huán)水側(cè)壓力大于板程廢糖水側(cè)壓力時(shí)，采用了激光焊接的殼程循環(huán)水介質(zhì)流道不會(huì)發(fā)生較大變形，板程側(cè)廢糖水介質(zhì)流道不受影響，保證了設(shè)備長期運(yùn)行的可靠性。

設(shè)計(jì)開發(fā)的波紋板傳熱元件具有傳熱效率高的特點(diǎn)，溝槽狀的橫直波紋傳熱板型可采用2205、254SMo、2507、654SMo和哈氏合金等材質(zhì)模壓成形制造，此傳熱元件適用于高爐沖渣水、造紙紙漿及污水處理等領(lǐng)域[11]。

2.2設(shè)備結(jié)構(gòu)

寬通道激光焊接板式熱交換器結(jié)構(gòu)見圖2。

圖 2 寬通道激光焊接板式熱交換器結(jié)構(gòu)示圖

黏性大、易堵塞的流體走設(shè)備板側(cè)流程，循環(huán)冷卻水走殼側(cè)流程。板程側(cè)設(shè)有可拆卸蓋板結(jié)構(gòu)，定期打開設(shè)備蓋板對(duì)廢糖水側(cè)進(jìn)行清理及檢、維修。傳熱元件板束采用激光焊接，故設(shè)備具備良好的承壓性能，最大耐壓4.0 MPa。設(shè)備殼程側(cè)除了可以流經(jīng)循環(huán)冷卻水，還適合含玉米粒易堵塞的工藝流體，因殼程側(cè)也設(shè)計(jì)成板管型無觸點(diǎn)流道，長期換熱過程中亦不會(huì)發(fā)生堵塞，這是本設(shè)備相比于其他全焊接寬通道板式熱交換器的另一優(yōu)勢(shì)。

3 激光焊寬通道板式熱交換器應(yīng)用示例

3.1設(shè)計(jì)參數(shù)

筆者為某公司設(shè)計(jì)了多臺(tái)廢糖水余熱回收用寬通道全焊接板式熱交換器，主要應(yīng)用于檸檬酸生產(chǎn)工藝過程中。檸檬酸生產(chǎn)方法有水果提取法、化學(xué)合成法和生物發(fā)酵法3種[12]。

目前，采用生物發(fā)酵法較多，紅薯、地瓜及玉米發(fā)酵后產(chǎn)生蔗糖，蔗糖經(jīng)過催化反應(yīng)生成檸檬酸。工藝過程中產(chǎn)生的廢糖水中含有較多的片狀蛋白質(zhì)，使用的可拆卸板式熱交換器廢糖水側(cè)介質(zhì)流道經(jīng)常發(fā)生堵塞，可拆卸板式熱交換器的角孔處也極易發(fā)生蛋白質(zhì)鉤掛堵塞，設(shè)備運(yùn)行2 d就需要對(duì)板式熱交換器進(jìn)行拆卸清洗，檢維修成本較大。

某廢糖水余熱回收工藝參數(shù)：糖水側(cè)的體積流量200 m3/h，進(jìn)/出口溫度為60 ℃/51.6 ℃，壓降67.0 kPa；循環(huán)水側(cè)的體積流量120 m3/h，進(jìn)/出口溫度為38 ℃/52 ℃，壓降54.0 kPa。冷卻水將廢糖水的余熱進(jìn)行回收，通過此設(shè)備進(jìn)行熱量交換，降低工藝廢糖水的溫度并提升循環(huán)水的溫度。

以往采用可拆卸板式熱交換器使用兩周即發(fā)生堵塞，需進(jìn)行拆卸清洗。使用該設(shè)備換熱效果滿足要求，壓降損失也在允許范圍內(nèi)，從目前設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性看，設(shè)備免維護(hù)運(yùn)行應(yīng)在1 a左右。

3.2新板型解決的問題

板程熱水側(cè)可根據(jù)所含顆粒物粒徑調(diào)整板間距，拓寬了設(shè)備在復(fù)雜工藝流體中的應(yīng)用范圍，適用于兩種介質(zhì)均為易堵塞、易粘結(jié)的工藝流體場(chǎng)合。激光焊焊接強(qiáng)度高，冷卻水側(cè)可以在較高的壓力和較大壓差下工作。設(shè)備板程側(cè)采用蓋板可拆卸結(jié)構(gòu)便于后續(xù)設(shè)備內(nèi)部清洗、檢維修，相比于清洗可拆卸板式熱交換器更加方便，維修成本低。此設(shè)備初期投資相對(duì)可拆卸寬通道板式熱交換器而言較高，但其采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由多個(gè)全焊接板束組合而成，其中一個(gè)板束服役壽命達(dá)到后，只需更換此板束，與另外兩個(gè)完好的板束再次組對(duì)焊接后即可繼續(xù)服役，節(jié)省后續(xù)的設(shè)備投資成本。設(shè)備內(nèi)部板、殼側(cè)采用多流程布置，符合工藝條件對(duì)板式熱交換器提出的較高NTU值的要求，使廢糖水溫度下降的同時(shí)大幅升高冷卻水的溫度，最大限度地回收余熱，設(shè)備整體占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊。

該設(shè)備可以應(yīng)用在含固體、晶體、纖維、漿狀物質(zhì)及高黏度介質(zhì)的余熱回收?qǐng)龊?，如鋼廠高爐沖渣水余熱回收[13]，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)易結(jié)垢的管殼式熱交換器和螺旋扁管式熱交換器，無需加裝過濾器過濾懸浮物和固體顆粒物[14]。鋼廠焦化廠蒸氨廢水處理可用此寬通道板式熱交換器代替螺旋板式熱交換器，有效防止堵塞[15]。

4 結(jié)語

激光焊寬通道全焊接板式熱交換器在廢糖水余熱回收中的成功應(yīng)用，表明設(shè)備具有良好的推廣前景。此外，污水內(nèi)懸浮的礦物纖維和造紙行業(yè)中的紙漿極易堵塞可拆卸板式熱交換器板間流道，本設(shè)備為寬通道設(shè)計(jì)，在環(huán)保行業(yè)工業(yè)污水和造紙紙漿廢熱回收領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景。

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(許編)

ApplicationofWideChannelAllWeldedPlateHeatExchangerintheWasteSugarWaterHeatRecovery

CHANGChun-mei1,2,SUNHai-sheng1,2,LUFang1,2,LIUYi-fan1,2

(1.Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co. Ltd., Shanghai 201518, China; 2.Lanpec Technologies Limited, Lanzhou 730070, China)

Wide channel plate heat exchangers had been widely used in the fluid containing solid, crystal, fiber, paste material and high viscosity medium fluid in the waste heat recovery situation. Heat resistance and pressure resistance of traditional removable wide channel plate heat exchangers is very limited related to the properties of the gasket. A newly developed full welded plate heat exchanger had been applied in the field of individual, but it was difficult to vigorously promote attributing to heat transfer component low bearing capacity and high manufacturing costs. Laser welding wide channel plate heat exchangers were developed by author, it had the advantages that high pressure resistance and removable modular design are adopted to reduce the maintenance cost. These equipments had been used successfully in the waste sugar water heat recovery, and its results show that the equipments have a good application prospect.

plate heat exchanger; all welded; laser welding; non-contact; wide channels; waste sugar water; application

TQ050.7； TB115.1

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.02.010

1000-7466(2017)02-0048-04

2016-10-01

常春梅(1966-)，女，陜西米脂人，教授級(jí)工程師，主要從事板式熱交換器技術(shù)研發(fā)工作。