火化機尾氣系統(tǒng)換熱單元設計優(yōu)化探討

張 帥

(福壽園環(huán)保機械制造有限公司，安徽 宣城 242299)

隨著每年死亡人數(shù)的增加，殯儀館火化任務量持續(xù)增大?；鸹瘷C作為遺體火化的主要設備，需配套有完善的尾氣凈化系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的高效運行影響火化過程的能耗和環(huán)保效果。對于殯儀館火化機尾氣，其中主要的污染物包括粉塵、氮氧化物、二氧化硫、二噁英、重金屬等[1-4]，由于殯葬環(huán)保事業(yè)發(fā)展相對滯后，污染物凈化系統(tǒng)工藝設計和實際運行過程仍存在些許問題，環(huán)境污染問題常常暴露出來。

火化機尾氣凈化技術常用的工藝路線為：“火化爐-換熱器-初除塵器-布袋除塵器-脫硫塔-煙囪”，為了治理二噁英也常常在除塵器前管道內噴射活性炭進行吸附脫除[5]。整個工藝過程中換熱器的設計至關重要，換熱器出口的設計溫度既要滿足后續(xù)工藝的需求，又要滿足環(huán)保、穩(wěn)定運行的設計要點，換熱器設計也在不斷改進優(yōu)化過程中。

1 常規(guī)換熱器選型

對于火化機系統(tǒng)常用的換熱器，從結構形式上可分為管式換熱器和板式換熱器，從介質上又可分為氣-氣換熱器和氣-水換熱器。管式換熱器采用換熱管規(guī)格多樣，管子直徑在φ26～φ100 mm之間，材質通常為不銹鋼，高溫段換熱采用310S/316材質，低溫段換熱可采用304不銹鋼材質。在應用過程中，有的采用氣-氣換熱形式，冷卻介質采用空氣，有的采用氣-水換熱形式，冷卻介質為水或其他液體，熱空氣直接排走，而水則降溫冷卻后循環(huán)使用。不同廠家設計的換熱器形式、結構不盡相同。通過不同廠家的換熱器進行對比，對換熱器結構形式優(yōu)缺點分析見表1。

表1 不同結構換熱器比較Table 1 Comparison of heat exchangers with different structures

2 換熱單元設計實踐

通過殯儀館調研和工程運行實踐，對不同結構形式的換熱器在火化機系統(tǒng)上的運行情況進行考察，選擇典型案例進行分析總結，詳情如下。

2.1 氣-氣管式換熱器

在上海某車間火化機上應用的氣-氣管式換熱器，設備設計參數(shù)如表2所示。

表2 換熱器設計參數(shù)Table 2 Design parameters of heat exchanger

火化機出口溫度一般控制在800～900 ℃之間，然后進入換熱器中，煙氣在換熱器中沿換熱管水平向流動。在持續(xù)運行12個月后，運行中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)阻力增大，打開換熱器檢修門，發(fā)現(xiàn)內部積灰嚴重，將換熱器下半部分已全部阻塞，灰塵已積累牢固，清理困難，換熱器管子破裂，已基本報廢，只能重新更換換熱器。

圖1 換熱器管子腐蝕情況Fig.1 Corrosion of heat exchanger tubes

更換的換熱器仍為氣-氣管式換熱器，換熱器結構形式相似，但管子中心距增大，管子直徑增大，采用了翅片式換熱管，提高換熱系數(shù)，設備設計參數(shù)如表3所示。

表3 換熱器設計參數(shù)Table 3 Design parameters of heat exchanger

火化機出口溫度仍控制在800～900 ℃之間，在持續(xù)運行一年后，系統(tǒng)運行參數(shù)變動不大，打開換熱器檢修門，內部積了少量灰，在換熱器底部，但不影響正常運行，正常清理即可。

2.2 氣-水管式換熱器

在杭州某殯儀館火化機上采用了氣-水換熱形式的換熱器，換熱器形式為水冷列管式換熱器，水作為冷卻介質，自來水補充進來后，循環(huán)進行換熱，熱水在一冷卻塔中進行降溫，其主要的設計參數(shù)如表4所示。

與氣氣管式換熱器相比，其換熱器能力較高，采用換熱管數(shù)量減少，制作成本低，根據(jù)實際工程應用案例對比，水冷換熱器成本約相當于與氣氣換熱器的1/2。

2.3 氣-氣板式換熱器

板式換熱器換熱效率高，在相同的壓降約束條件下，其傳熱系數(shù)管式換熱器的3～5倍[6-7]，在同樣的設計參數(shù)下，結構小巧，安裝方便，整體體積約為氣-氣管式換熱器的1/2，其內部結構如圖2所示。

圖2 板式換熱器結構形式Fig.2 Structure of plate heat exchanger

在實際工程使用過程中，發(fā)現(xiàn)由于板式結構中板與板之間的間距最大約為20 mm，通常煙氣中存在大量的粉塵和顆粒物，因此使用一段時間后，內部累積粉塵和顆粒物，且深入板式結構內部，其粉塵大多具粘性，采用空氣吹掃收效甚微，因此此類換熱器在應用時，需設置在粉塵較低的工段，如布袋除塵器后面，延長設備的正常運行時間，保證設備使用壽命。

3 換熱單元優(yōu)化討論

3.1 降溫換熱與二噁英脫除

火化爐二噁英生成源頭來自遺體、遺物等的焚燒，控制二噁英濃度主要在于優(yōu)化火化爐燃燒條件和搭配合理的凈化設施。通?？刂贫f英的方法，在前端采用“3T+E”理論，即控制燃燒溫度850 ℃以上，足夠的停留時間(一般2 s以上)，較高的湍流程度，保證足夠的空氣供給量，減低爐子內排出濃度。排放過程中采用急冷快速降溫控制二次生成，溫度降至250 ℃以下(1 s以內)[8]，最終控制在較低濃度。

據(jù)文獻報道，火化爐出口煙氣中二噁英濃度數(shù)據(jù)在1.5～5.4 ng/m3[9]，排放平均值達到國家限值的6倍以上。在既定火化爐爐膛結構下，凈化系統(tǒng)急冷降溫階段對于控制二噁英含量至關重要。在火化爐尾氣凈化工藝中，降溫換熱器設備設計時，要考慮結合二噁英的脫除原理，加快煙氣在換熱器中的流速，在保證降溫效果的同時，盡可能的減少二噁英的再次生成。

3.2 降溫換熱與濕法脫硫

降溫也可以采用噴水降溫的方式，即通過在塔器中噴水霧的方式與煙氣混合后快速降溫煙氣溫度，由于水和煙氣直接接觸，降溫時間短，效果較好。噴淋水中可加入堿性物質，如NaOH、NaHCO3等，采用噴堿液的方式進行，在實現(xiàn)降溫效果的同時進行脫硫(SO2)，一舉兩得。但使用過程中，需注意水對系統(tǒng)工藝的影響，水分過大會使后續(xù)除塵器設備內潮濕，不利于除塵工序；此外也需考慮堿水中和酸性物質后的定期處理排放問題等。據(jù)實際走訪調查，此技術在現(xiàn)有殯儀館火化機上應用較少。

3.3 余熱回收利用

利用換熱器來回收火化機煙氣中的熱量，此類技術已初步成熟，通常采用水冷列管式換熱器，煙氣可走管程或殼程，冷水進換熱器后經過換熱，溫度升高，熱水可用于殯儀館的供暖、生活用水或發(fā)電等，一方面達到了降溫的目的，另一方面對回收了熱量，提高能量的利用率。經核算，6臺火化機每小時可回收的熱量可達到：11 304.6～15 072.48 MJ[10]，可獲得較大的經濟效益。

4 結 論

換熱器結構形式主要包括氣-氣管式換熱器、板式換熱器、氣-水管式換熱器，通過分析和工程案例對比，氣-水管式換熱器在殯儀館火化機行業(yè)尾氣凈化系統(tǒng)中應用時具有換熱能力高，制作成本低的顯著優(yōu)勢。在對水的要求不高的情況下，應優(yōu)先的選擇氣-水列管式換熱器的設計形式。

換熱器設計時，可結合火化機尾氣凈化工藝，兼顧二噁英的脫除，設計急冷降溫和濕法脫硫一體的凈化設備，有熱水需求的還可以選擇余熱回收技術，避免能量資源浪費。換熱器的設計優(yōu)化可以較好的提高經濟效益和環(huán)保效果。