高溫?zé)煔饫鋮s方法與設(shè)計計算*

孫軍軍 姚群 李鈞 陳立

(中鋼集團(tuán)天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?武漢 430205)

0 引言

高溫?zé)煔鈸Q熱及冷卻是工程中經(jīng)常遇到的問題，其主要目的一是熱能回收利用，以提高能源利用效率；二是將高溫?zé)煔饫鋮s到一定的溫度窗口，以滿足煙氣凈化系統(tǒng)中設(shè)備、管道以及材料的耐溫要求；三是降低高溫?zé)煔獾臏囟?，會使煙氣體積明顯減小，從而可以減小凈化設(shè)備和風(fēng)機(jī)的規(guī)格，降低設(shè)備投資。通常需要根據(jù)高溫?zé)煔饫鋮s的目的來選用適合的冷卻換熱方式，現(xiàn)將工程中常見的高溫?zé)煔饫鋮s方式及設(shè)計計算方法進(jìn)行了整理，以供參考。

1 高溫?zé)煔饫鋮s方式

常見高溫?zé)煔饫鋮s方式分類：根據(jù)冷卻介質(zhì)與煙氣是否接觸可分為直接冷卻和間接冷卻，間接冷卻是通過冷卻器、換熱器、余熱鍋爐等設(shè)備使高溫?zé)煔饫鋮s的方式，直接冷卻是冷卻介質(zhì)直接與煙氣接觸的冷卻方式。根據(jù)冷卻介質(zhì)不同一般分為風(fēng)冷和水冷兩種形式。

1.1 直接混風(fēng)冷卻

直接混風(fēng)冷卻是在煙道內(nèi)直接混入冷空氣，或高溫?zé)煔馀c低溫?zé)煔饣旌系囊环N高溫?zé)煔饫鋮s方式。

通過高溫?zé)煔馀c低溫?zé)煔饣旌鲜够旌虾鬅煔鉁囟葷M足凈化設(shè)備的溫度的方式，是一種較為理想的方式，不會額外增加凈化系統(tǒng)負(fù)荷。

但經(jīng)常會存在不具備冷熱煙氣混合降溫的情況，且煙氣的高溫工況為不穩(wěn)定的突發(fā)波動、一般持續(xù)時間不長，通常采用在煙道負(fù)壓段設(shè)置混風(fēng)閥，通過對煙氣溫度的檢測值自動控制混風(fēng)閥的開啟或關(guān)閉，混風(fēng)閥開啟時在負(fù)壓的作用下冷空氣進(jìn)入煙道與高溫?zé)煔饣旌线_(dá)到快速降低煙氣溫度的目的，對后續(xù)環(huán)保設(shè)備起超溫保護(hù)作用。吸風(fēng)直接冷卻方式降溫幅度有限，同時會增大處理煙氣量，凈化設(shè)備和風(fēng)機(jī)的規(guī)格隨之增大，因此，它只作為偶爾超溫工況運行的一種設(shè)備超溫保護(hù)措施，不適合于大煙氣量的冷卻以及可能會對爐窯生產(chǎn)或爐內(nèi)燃燒造成影響的場合。

1.2 直接噴霧冷卻

直接噴霧冷卻是在噴霧冷卻塔或管道內(nèi)直接噴霧，依靠水的蒸發(fā)潛熱和顯熱吸收煙氣的熱量，達(dá)到煙氣降溫的方式，降溫效果顯著。噴水量是根據(jù)煙氣量和溫降大小來確定的，一般耗水量不大。噴霧降溫冷卻要求霧滴完全蒸發(fā)，保證一定的蒸發(fā)時間是必要的。水的霧化是通過特殊的噴頭來實現(xiàn)的，霧化的霧滴直徑?jīng)Q定蒸發(fā)時間。

直接噴霧冷卻降溫使煙氣的體積減小，水汽的蒸發(fā)使煙氣體積增加，但總體上煙氣量減少；冷卻后煙氣的濕度增加，煙氣酸露點的溫度提高，更易結(jié)露，因此應(yīng)防止煙氣溫度過低而出現(xiàn)結(jié)露和腐蝕，降溫后的溫度應(yīng)高于露點溫度15～20℃；直接噴霧降溫不宜冷卻溫度小于120 ℃的煙氣。

1.3 間接自然風(fēng)冷卻

間接自然風(fēng)冷卻是通過冷卻管束利用空氣與高溫?zé)煔膺M(jìn)行自然對流傳熱[1]的一種冷卻方式。高溫?zé)煔庠诠艿纼?nèi)流動，通過冷卻管束與外部空氣進(jìn)行輻射換熱以及自然對流換熱，外部空氣自然流動持續(xù)帶走熱量從而對高溫?zé)煔饫鋮s降溫。

自然風(fēng)冷的裝置簡單，容易維護(hù)，不需要額外消耗動力能源。但因空氣對流換熱系數(shù)較小，所需的換熱面積較大，占地面積和鋼耗量較大，降溫幅度有限，因此，在降溫幅度不大時采用該種冷卻方式。

為增大換熱面積，自然風(fēng)冷器通常是采用若干管束并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，并在豎向形成多個來回彎。為了清除管內(nèi)壁上的積灰，自然風(fēng)冷器設(shè)有振打清灰裝置、檢修門以及排灰裝置。

1.4 間接機(jī)械強制風(fēng)冷卻

間接機(jī)械強制風(fēng)冷卻是采用軸流風(fēng)機(jī)對換熱管束實施管外橫向吹風(fēng)實現(xiàn)強制對流傳熱[1]的一種冷卻方式。

機(jī)力風(fēng)冷器是較為常見的一種間接機(jī)械風(fēng)冷設(shè)備。與自然風(fēng)冷器相比，機(jī)力風(fēng)冷器具有冷卻效果好、占地面積小的特點，在工程中經(jīng)常使用。但由于其冷卻管直徑較小，應(yīng)用于粘性粉塵工況時較易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

1.5 間接水冷

間接水冷法是一種汽-水換熱的方式。通常管道的外側(cè)通水，管道的內(nèi)側(cè)通高溫?zé)煔?，高溫?zé)煔馔ㄟ^管壁將熱量傳遞給冷卻水。常用的設(shè)備有汽-水換熱器、水冷套管、余熱鍋爐等。

間接水冷具有傳熱面積大、冷卻效果好、體積小、快速冷卻的特點，可適用于大煙氣量和溫降大的場合。間接水冷對冷卻水的水質(zhì)有一定的要求，否則容易結(jié)垢。同時，對設(shè)備制造、焊接要求較高，以免出現(xiàn)熱變形漏水現(xiàn)象。

當(dāng)高溫?zé)煔饩哂袩崮芾玫臈l件(煙氣量較大、煙氣溫度高于650 ℃)時，應(yīng)考慮熱能的回收利用，例如采用余熱鍋爐。

2 高溫?zé)煔饫鋮s設(shè)計計算

高溫?zé)煔饫鋮s設(shè)計流程在《袋式除塵工程通用技術(shù)規(guī)范》(HJ 2020—2012)中有較為詳細(xì)的介紹，在此不做贅述，僅就幾種典型的設(shè)計計算方法以案例的形式做一介紹。

2.1 煙氣間接冷卻設(shè)計計算

煙氣間接冷卻是冷卻介質(zhì)與高溫?zé)煔獠话l(fā)生接觸、通過熱傳遞來冷卻煙氣的一種形式，常見間接冷卻換熱設(shè)備有換熱器、冷卻器、余熱鍋爐等，通常采用空氣、工業(yè)冷卻水等作為冷卻介質(zhì)。

2.1.1 高溫?zé)煔饫鋮s放熱量計算案例

垃圾焚燒工藝產(chǎn)生1 200 ℃高溫?zé)煔猓瑹煔饬繛?7 000 m3/h，采用余熱鍋爐降溫至500 ℃。已知：煙氣從0 ℃至1 200 ℃的平均摩爾比熱為32 kJ/(kmol·℃), 煙氣從0 ℃至500 ℃的平均摩爾比熱為30 kJ/(kmol·℃)，試計算煙氣放熱量。

根據(jù)放熱量公式，有

(1)

式中，Q為煙氣放熱量，kJ/h；Cp1為煙氣0～t1℃的平均摩爾定壓比熱，kJ/(kmol·℃)；Cp2為煙氣0～t2℃的平均摩爾定壓比熱，kJ/(kmol·℃)；t1、t2為煙氣冷卻前后溫度，℃；V為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣體積流量，m3/h。

代入數(shù)據(jù)：

=28.2×106kJ/h

2.1.2 換熱面積計算案例

采用氣-水換熱器對高溫?zé)煔膺M(jìn)行冷卻降溫，已知煙氣冷卻放熱量為20×106kJ/h，換熱器綜合傳熱系數(shù)為32 W/(m2·℃)，氣-水換熱器運行對數(shù)平均溫差為650 ℃，試計算換熱器的傳熱面積(1 W=3.6 kJ/h)：

根據(jù)傳熱公式，有

(2)

式中，F(xiàn)為換熱器傳熱面積，m2；Q為傳熱量，kJ/h；K為換熱器綜合傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)；△tm為換熱器運行對數(shù)平均溫差，℃。

代入數(shù)據(jù)：

=267.1 m2

2.1.3 冷卻介質(zhì)流量計算案例

用水冷套管輸送并冷卻電爐高溫?zé)煔?，煙氣放熱量?0×106kJ/h，冷卻水進(jìn)口溫度20 ℃，出口溫度40 ℃，計算冷卻水量。

對于間接冷卻所需的冷卻水量，按以下公式計算：

(3)

式中，G0為冷卻水量，kg/h；Q為煙氣放熱量，kJ/h；t1、t2為冷卻介質(zhì)進(jìn)口、出口溫度，℃；C1，C2為冷卻介質(zhì)在溫度為t1、t2下的質(zhì)量熱容，kJ/( kg·K)；冷卻水C1=C2=4.18 kJ/( kg·K)。

代入數(shù)據(jù)：

G0=20×106÷[4.18×(40-20)]

=240 000 kg/h

2.1.4 間接冷卻后煙氣工況體積流量計算

某高溫?zé)煔夤r體積流量為80 000 m3/h，溫度為400 ℃，采用水冷換熱器后煙氣溫度為150 ℃，求冷卻后煙氣體積流量。

根據(jù)理想氣體方程[2]：

(4)

式中，P1，P2為煙氣冷卻前后的絕對壓力，Pa；V1，V2為煙氣冷卻前后的體積流量，m3/h；T1，T2為煙氣冷卻前后的溫度，K。

一般煙氣冷卻系統(tǒng)，P1≈P2

代入數(shù)據(jù)：

=50 282 m3/h

2.2 煙氣直接冷卻計算

煙氣直接冷卻是通過冷卻介質(zhì)直接與高溫?zé)煔饣旌辖禍氐囊环N冷卻方式，通常采用空氣或水作為直接降溫的冷卻介質(zhì)。

2.2.1 混風(fēng)冷卻的混風(fēng)量計算案例

某工藝產(chǎn)生的原始煙氣量為100 000 m3/h，溫度為150 ℃，若采用直接混入空氣(20 ℃)方式對煙氣進(jìn)行冷卻，要求混風(fēng)后煙氣溫度降至120 ℃，求空氣混入量。

混風(fēng)直接冷卻氣體的混風(fēng)量可根據(jù)熱平衡方程[3]來計算，即：

(5)

式中，L2為空氣混入量，m3/h；L1為煙氣量，m3/h；t1為煙氣冷卻前溫度，℃；t2為 混合后氣體溫度，℃；t0為 空氣溫度，℃；C1為煙氣0～t1時的平均摩爾熱容，kJ/(kmol·K)；C2為煙氣0～t2時的平均摩爾熱容，kJ/(kmol·K)；C3為空氣0～t2時的平均摩爾熱容，kJ/(kmol·K)；C4為空氣0～t0時的平均摩爾熱容，kJ/(kmol·K) 。一般在溫降幅度不大時，工程中可近似認(rèn)為C1=C2=C3=C4。

可近似采用：

代入數(shù)據(jù)：

=19 360 m3/h

2.2.2 兩種溫度煙氣的混和計算案例

甲工藝產(chǎn)生的煙氣量為10 000 m3/h，煙氣溫度t1為200 ℃；乙工藝產(chǎn)生的煙氣量為10 000 m3/h，煙氣溫度t2為100 ℃。計算兩種煙氣混合后的溫度t和工況煙氣量(氣體定壓比熱按常數(shù)考慮)。

(1)煙氣混合后的溫度。一般，可近似認(rèn)為煙氣壓力約等于一個大氣壓。將200 ℃時10 000 m3/h煙氣換算到標(biāo)況流量：L1=5 772 m3/h；將100 ℃時10 000 m3/h煙氣換算到標(biāo)況流量：L2=7 319 m3/h。

假定混風(fēng)后的煙氣溫度為t，按熱平衡公式：

(L1+L2)×t×C=L1×t1×C+L2×t2×C

(6)

即：t=(L1×t1+L2×t2)/(L1+L2)

=(5 772×200+7 319×100)/ (5 772+7 319)

=144 ℃

(2)在混合前后煙氣壓力變化不大的情況下，混合后工況體積流量為混合前工況體積流量代數(shù)和，即：

l=l1+l2

=10 000+10 000

(7)

=20 000 m3/h

2.2.3 噴霧降溫噴水量計算案例

某火電廠鍋爐煙氣出現(xiàn)突發(fā)性高溫至200 ℃，采用管內(nèi)緊急噴霧降溫措施，使煙氣冷卻到150 ℃，冷卻過程中煙氣放熱量30×106kJ/h，噴水溫度20 ℃，求冷卻噴水量(水的質(zhì)量比熱Cw=4.19 kJ/(kg·K)，100 ℃時水的汽化潛熱取2 257 kJ/kg，水蒸汽平均比熱取2.14 kJ/(kg·K)。

根據(jù)噴水量計算公式：

(8)

式中，r為100 ℃時水的汽化潛熱，kJ/kg；Cw為水的質(zhì)量比熱，kJ/(kg·K)；Cv為水蒸汽平均比熱，kJ/(kg·K)；tw為噴水溫度，℃；t1為煙氣冷卻后的溫度，℃；Gw為噴水量，kJ/h；Q為煙氣放熱量，kJ/h。

代入數(shù)據(jù)：

=11.114×103kg/h

2.2.4 噴霧降溫后煙氣總體積流量計算案例

某高溫?zé)煔饬繛?00 000 m3/h，溫度為200 ℃，噴霧降溫冷卻后煙氣溫度為150 ℃，霧化噴水量為11.114×103kg/h。已知150 ℃時水蒸汽的比容為1.93 m3/kg，計算冷卻后煙氣總體積流量。

噴霧冷卻后煙氣總體積等于冷卻后煙氣體積加上水蒸汽體積，即：

(9)

式中，V總為煙氣體積流量，m3/h；T2為冷卻后煙氣溫度，K；T1為冷卻前煙氣溫度，K；V1為冷卻前煙氣量，m3/h；Gw為噴水量，kg/h;v為水蒸汽比容，m3/kg。

代入數(shù)據(jù)：

=715 433+21 450

=736 883 m3/h

2.2.5 高溫?zé)煔庀礈旌鬅煔饬坑嬎惆咐?/p>

某工業(yè)煤氣150 ℃時的工況煤氣量是5 400 m3/h，經(jīng)水洗滌后(或間接水冷后)煤氣溫度達(dá)到60 ℃并飽和，同時有150 kg/h水冷凝析出，計算冷卻后煤氣體積流量(150 ℃水蒸氣的比容為1.93 m3/kg)。

對于洗滌或降溫后，煙氣達(dá)到飽和之后的氣體量計算，可將冷卻后的煤氣按飽和的不凝結(jié)氣體考慮，可用氣態(tài)方程對冷卻前后氣體狀態(tài)方程(4)進(jìn)行計算，即：

3 結(jié)語

高溫?zé)煔饫鋮s是大氣污染控制工程中經(jīng)常遇到的問題，熟練掌握并合理采用冷卻方式更有利于提高煙氣凈化效率,減少工程材料的消耗,提高能源利用效率,降低運行能耗，主要體現(xiàn)在：一是降低高溫?zé)煔獾臏囟龋瑫篃煔怏w積明顯減小，從而可以減小凈化設(shè)備和風(fēng)機(jī)的規(guī)格，降低設(shè)備材料消耗；二是采用熱能回收的煙氣冷卻方式能有效提高系統(tǒng)的能源利用效率；三是煙氣溫度的降低有利于提高煙氣凈化效率以及降低凈化設(shè)備運行能耗。