燃煤鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)的探討

宋宇原云飛劉曉飛秦政

（1.山西五建集團(tuán)有限公司 2.山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 3.山西金信清潔引導(dǎo)投資有限公司）

0 引言

目前區(qū)域供熱燃煤工業(yè)鍋爐最終煙氣溫度仍在150℃左右，煙氣溫度較高，且數(shù)量很大。如果直接排放到大氣中，不僅浪費(fèi)了大量能源，而且對(duì)空氣質(zhì)量有嚴(yán)重的污染，本文擬開(kāi)發(fā)一種新型低溫?zé)煔庥酂峄厥障到y(tǒng)，將低溫?zé)煔鉁囟冉档偷?0℃以下，回收大量余熱。

1 燃煤工業(yè)鍋爐尾部煙氣余熱回收系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究

本文在低溫?zé)煔庥酂峄厥障到y(tǒng)的初步方案確定如下：煙氣從燃煤工業(yè)鍋爐的省煤器中排出，首先進(jìn)入后面的除塵設(shè)備，大部分煙氣中的粉塵可以通過(guò)除塵設(shè)備去除，將相對(duì)干凈的煙氣再進(jìn)入熱交換設(shè)備，熱交換設(shè)備的材料采用耐腐蝕鋼，以防止酸液的腐蝕，換熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮增加換熱系數(shù)，減小氣體的阻力，但是換熱器的尺寸又不能太大，也要盡可能保證較低的運(yùn)行成本，最后由煙囪排出煙道。

2 波紋形板片換熱元件

波紋板是由鋼板制成，經(jīng)過(guò)一定的加工工藝后，傳熱面呈波浪形。板的內(nèi)側(cè)和外側(cè)是傳熱表面，并且在板腔的內(nèi)部形成了波浪形通道[1]。板中的傳熱介質(zhì)隨著板的形狀而不斷變化，改變了流動(dòng)的速度和方向，從而可以容易地達(dá)到湍流狀態(tài)，并且可以大大提高傳熱系數(shù)。

近年來(lái)，我國(guó)開(kāi)發(fā)的耐腐蝕ND鋼（09CrCuSb），是一種耐硫酸腐蝕的鋼，ND鋼是低合金結(jié)構(gòu)鋼。相比之下，CorTen、CRIA都沒(méi)有ND鋼所具有的耐蝕性和機(jī)械性能，實(shí)踐結(jié)果表明，ND鋼的最大優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)硫酸露點(diǎn)耐蝕性[2]，從20℃～500℃，其力學(xué)性能ND鋼相對(duì)穩(wěn)定，并且焊接性能非常好[3]。

采用導(dǎo)熱系數(shù)高的耐腐蝕ND鋼波紋型板，余熱回收能力強(qiáng)，適用于氣-氣換熱器，設(shè)備體積小，占用空間小，適用于低溫?zé)煔狻１疚纳婕暗挠酂峄厥諉?wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致煙氣冷凝，并且煙霧中含有一定量的灰塵，如果使用波紋狀板作為傳熱元件，既可以使氣化潛熱良好回收，原件表面的灰塵也不會(huì)對(duì)換熱影響太大。但是由于氣-氣的熱交換處理氣體量很大，如果板的間距太小，板之間的速度太大，壓降就會(huì)相應(yīng)增加，風(fēng)機(jī)的能量消耗會(huì)影響全套余熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3 波紋形板片不同板間距性能的比較分析

在模擬計(jì)算軟件FLUENT中設(shè)置換熱條件為等壁溫條件，收斂格式為二階格式，介質(zhì)為空氣，湍流模型為實(shí)際的k-ε模型。在大量的模擬之后，取三個(gè)典型的波紋板間距（即兩個(gè)板片之間最窄處的距離）分別為3mm、6mm、9mm，設(shè)板片的高度為1.5m，波高為3mm，波長(zhǎng)為40mm，為了方便的進(jìn)行網(wǎng)格劃分和后續(xù)的操作，直接在前期處理軟件Gambit中建模，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于模型的建立規(guī)定了板片的進(jìn)出口尺寸，所以控制氣體的進(jìn)口速度，就可以控制氣體的流量，氣體的入口速度分別為15m/s、7.5m/s、5m/s，在相同的氣體初始參數(shù)下，對(duì)板片的溫度、壓強(qiáng)和速度進(jìn)行模擬。

溫度的模擬結(jié)果分析：從結(jié)果可以看出，隨著間距的增大，板片的出口溫度越來(lái)越低，而且空氣的入口溫度相同，則換熱量也逐漸減少，換熱系數(shù)也在逐漸的減小。由模擬軟件輸出的結(jié)果得到：間距為3mm的板片進(jìn)出口截面平均溫差為114℃，間距為6mm的板片進(jìn)出口截面平均溫差為104℃，間距為9mm的板片進(jìn)出口截面平均溫差為69℃。經(jīng)計(jì)算間距為6mm的板片比間距為3mm的板片換熱量減少8.7%；間距為9mm的板片比間距為3mm的板片換熱量減少39.5%，比間距為6mm的板片換熱量減少33.6%；以上結(jié)果表明波紋形板片間距在由3mm逐漸增大的過(guò)程中，換熱效果逐漸降低，但是在間距在6mm左右時(shí)換熱量下降的并不是很大，但是當(dāng)間距增大到9mm時(shí)，換熱量的下降就非常明顯。

壓力的模擬結(jié)果分析：從結(jié)果的對(duì)比可以看出，隨著板片間距的增大，氣體流過(guò)板片壓降越來(lái)越低，則波紋形板片之間的氣流阻力也降低，由模擬軟件輸出的結(jié)果得到：間距為3mm的板片進(jìn)出口截面平均壓降為1299Pa，間距為6mm的板片進(jìn)出口截面平均壓降為360Pa，間距為9mm的板片進(jìn)出口截面平均壓降為121Pa。由此得出，間距為6mm的板片比間距為3mm板片的壓力損失減少72.3%；間距為9mm的板片比間距為3mm板片的壓力損失減少90.68%，比間距為6mm的板片換熱量減少66.4%；以上結(jié)果表明波紋形板片間距在由3mm逐漸增大的過(guò)程中，壓力損失逐漸的降低，當(dāng)間距在3～6mm之間時(shí)壓力損失的變化幅度高達(dá)939Pa，間距在6～9mm之間時(shí)壓力損失的變化幅度為239Pa，變化的趨勢(shì)相對(duì)減緩。

綜合壓降和出口溫度的模擬結(jié)果，可以得出結(jié)論：當(dāng)間距為9mm時(shí)，換熱效果最差，與間距為3mm時(shí)相比換熱量約下降39.5%，與間距為6mm時(shí)相比下降33.6%，由此可以看出，在間距在6～9mm之間變化時(shí)，換熱量的下降幅度特別大；同時(shí)間距為6mm與3mm相比換熱量下降為8.7%，說(shuō)明間距在3～6mm之間變化時(shí)，換熱量下降的幅度并不是很大，換熱效果變化不是很明顯。而間距為3mm時(shí)板片的壓力損失最大，達(dá)到了1299Pa，其壓力損失是間距為6mm時(shí)的3.6倍，是間距為9mm時(shí)的10.7倍，壓力在3～6mm之間有非常明顯的下降，雖然間距為6mm時(shí)的壓降是9mm時(shí)的2.97倍，但是其數(shù)值為239Pa，下降的幅度并不是特別大；因此為了達(dá)到增加換熱量和減少壓降的目的，在共同考慮兩方面的影響因素的前提下，選擇間距為6mm的波紋形板片作為本課題的換熱元件。

4 結(jié)論

通過(guò)綜合比較分析，決定使用波紋形板片作為換熱器的換熱元件，以增強(qiáng)煙氣的換熱效果，并通過(guò)數(shù)值模擬軟件FLUENT，對(duì)不同板間距的換熱過(guò)程進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明當(dāng)板片之間的間距為6mm時(shí)，換熱效果和壓降的綜合效果較好。本課題只是對(duì)整個(gè)低溫?zé)煔庥酂峄厥障到y(tǒng)的初步開(kāi)發(fā)研究，換熱器的整體只是在研發(fā)階段，實(shí)際的運(yùn)行情況有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。