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利用热管省煤器回收锅炉排烟余热

晨怡热管 2007-2-28 2:03:59
      摘  要
      本文分析了小型锅炉低温余热回收的物点,并在此基础上对用于小型锅炉低温余热回收的热管式省煤器、铸铁管式省煤器及烟管式省煤器进行了分析和比较;特别指出热管式省煤器不易发生低温烟气腐蚀,用来回收小型锅炉余热是完全可行的。
 
一、 前 言
 
      随着能源问题日益严重,节能已得到越来越多的重视,小型锅炉余热利用也提到议事日程上来 了。据统计广东省共工业锅炉80000多台,其中60%是4吨/时及4吨/时以下的小型锅炉,这些锅炉的排烟温度一般均在200℃~280℃之间,大量余热未获得利用,造成燃料浪费。如能增设热管式省煤器预热锅炉给水而使排烟温度降低到150℃左右,则将会使锅炉效率提高5~10%,一年可节煤200~300万吨以上。为什么这种大型锅炉普遍采用的余热回收设备至今在小型锅炉上用得很少呢?这主要是由于小型锅炉低温余热回收的特点所决定的。
 
二、小型锅炉低温余热回收的特点 
  
     在回收锅炉低温余热时,有如下特点:
1、回收低温余热的换热器相对于高温受热面而言,对数平均温差较小。换热设备回收热量时,可按下式计算其换热量:
Q=KF△t
式中:K—换热器的传热系数
         F—换热器的换热面积
        △t —换热器的对数平均温差 
      由上式可知回收相同热量时,热流体温度越低换热器对数平均温差越小,所需的换热面积越大。在低温余热回收时,由于烟气的温度较低使换热器的对数平均温差较小,所以需要较大的换热面积,对回收相同数量的热量来讲,低温余热回收时的金属消耗量大,设备投资施工费用大,而且由于烟气在换热器内流程长,流动阻力较大,使引风机耗电增大。所以传统的看法认为回收250℃以下的余热在经济上是不合算的,这当然同当时燃料价格较低,金属材料短缺,工艺费用较高等条件有关。对于小型锅炉又因为设备总价格较低,另外余热回收设备会使一次投资增加较大,所以小型锅炉低温余热一般不回收。进入21世纪以来,能源需求和可供量之间的矛盾正日益尖锐。节能变得越来越重要。低温余热的利用已势在必行。
根据上述公式可见,如能提高传热系数K就可以使低温差的余热利用情况得到改善。一般而言提高烟气流速可以提高传热系数K;但是提高流速受流动阻力(引风机耗电)的限制,所以其他强化传热措施(加装肋片等)就显得更加重要。
 
2、烟气对余热回收设备的低温腐蚀
      回收锅炉烟道余热是有一定限制的,排烟温度不能降低得过低,当排烟温度低于烟气露点时会使换热设备产生低温酸腐蚀而损坏设备。低温腐蚀情况分析如下:
当燃料燃烧时,燃烧中的硫与氧化合生成二氧化硫,S+O2=SO2在一定条件下,SO2+1/2O2=SO3后一反应是很关键的,SO3的生成量随燃料含硫量、火焰温度和烟气中含氧量的增加而增加;在烟气的低温区:SO3+H2O=H2SO4(气态)→H2SO4(酸露),我们把硫酸开始结露的最高温度叫酸露点t露,它与燃料含硫量,烟气含氧量和烟气含湿量有关;图1列出了这一关系。对我国的在部分煤来说含硫量约在1%左右,图示条件下酸露点约为120℃~130℃。 
  
     低温烟气对金属壁面的腐蚀速度与壁面温度有直接的关系;如图2所示,当壁面温度t壁=tB=50℃~90℃时腐蚀速度最小在B点附近形成一安全区叫第二安全区,当t 壁>tD=t露-(20~45℃)时腐蚀速度很高在此温度附近形成一危险区叫第一危险区。在t 壁<t A时腐蚀速度很高形成第二危险区,在此区域内的腐蚀速度至所以再度升高是由于壁温低于烟气中水蒸汽的露点,部分二氧化硫与水结合成为亚硫酸,并很快氧化成硫酸。另外其它腐蚀气体,如氯气也会溶于水产生腐蚀,此时凝结酸的浓度又较低,故导致很高的腐蚀速度。对我国大部分煤种而言,t E约为120℃~130℃,t A~t C约为40~100℃。 
 
      壁温t 壁的高低不仅受烟气温度的影响,而且受冷介质(水或空气)温度的影响。在小型锅炉中省煤器进口水温度往往与环境温度接近(平均20℃左右),即使排烟温度已高于t 露,壁面温度仍相当低,在常规省煤器中接近水温,并处于腐蚀速度极高的第二危险区。而大型电厂锅炉有给水回热加热器,可把省煤器进口水温提高到100℃或更高,这样t 壁就较高,能使换热设备处于第一安全区。这是小型锅炉低温余热回收中很难解决的一个问题。
      由于上述二大特点,影响了小型锅炉余热的利用,所以目前小型锅炉很少有余热回收设备。
综上所述,要使小型锅炉低温余热得以利用,必须找到一种在低温差换热时具有较高传热系数的换热设备,特别是此设备在低温给水(给气)条件下能具有较高的壁温而避开腐蚀的危险区;除此以外还要求烟气侧流动阻力不要太大,使引风机耗电量不要太大。而热管式换热器正具备上述优点,是解决小型锅炉余热利用的一种较为理想的换热设备。这些优点在热管式空气预热器中更能得到充分发挥;本文以分歧较大的热管式省煤器为例说明之。
 
三、热管省煤器与其它型式的小型锅炉省煤器间的分析比较
 
      回收小型锅炉低温余热的省煤器一般有铸铁管式省煤器与烟管式省煤器二种;我们对2T/H锅炉用的这二种省煤器与热管式省煤器从壁温、传热系数K及烟气阻力三方面进行分析比较。这三种省煤器的结构形状如图3、4、5所示。图3为碳钢—水重力式热管剩煤器,烟气放出的热量为热管加热段所吸收,使管内介质(水)汽化。蒸汽将热量带到冷凝段,被水冷却后蒸汽凝结为水回流到加热段,就这样把烟气的热量传递给水。图5为烟管式省煤器,是设计来为2T/H锅炉使用的。为比较方便起见,热管式省煤器的设 计均以此省煤器的外部条件为依据。图4为铸铁管式省煤器。三者的比较条件为相同的烟气流量,相同的烟气温度,相同的水温,相同的余热回收量。(考虑了适当的余量)。比较中只考虑省煤器本体部分,附件均不考虑。在此条件下这三种省煤器的主要结构尺寸及特性见表1。表中所列出热管式省煤器数据均在此条件下的设计计算值,而铸铁管式省煤器为按此条件选用的产品数据。分析表1可得出下列结果:
      1、热管式省煤器的管壁温度t 壁比铸铁管式或烟管式省煤器都高,具有较好的抗低温腐蚀特性。其原因分析如下:为了提高换热器的管壁温度,一般采用的方法有:①换热器冷热流体布置成纯顺汉(或多次交叉式顺流)可以使换热器的最低壁温处(冷流体进口处)的壁温较高。对省煤器如图6所示,在相同的烟气和水的进出口温度下,顺流时由于进口处水温最低(t‘H2O),但烟气温度较高(t‘g),使水 进口处壁温不至于太低,见图6(a)。如为逆流时, 水进口处水温最低(t ‘H2O),而此处又为烟气出口处烟温也最低(t“ g),所以使水进口处的壁温比顺流时低。因而布置成顺流可提高换热器最低壁温。对铸铁管式省煤器由于水一定要从低处流入高处流出,而烟气又只能从上面流进下面流出,不可能布置成顺流,所以水进口处的壁温很低。对热管式省煤器完全有可能布置成顺流或多次交叉式顺流。使水进口处壁温不至于太低。烟管式省煤器也可以布置成顺流(当然不是很典型的顺流形式)。
②提高 的值,可以提高壁温。壁温可按下式计算:

      式中:tg,tH2O—为烟气温度与水温;
     △t—冷热两侧管壁的温差;
     αg,αH2O—烟气和水的管外放热系数;
     Hg,HH2O—烟气和水的换热面积,
     由此式可知提高 可提高壁温。对烟气省煤器水侧传热面积与烟气侧传热面积相等
     所以:结构上的改进不可能引起此值较大的增加。对铸铁管式,由于烟气侧的肋化使Hg>HH2O但由于肋化程度不大,所以此值提高有限。而热管式省煤器则不同,烟气侧可一定程度肋化,使Hg>HH2O,使 可有较大的提高,并且也能通过加隔板(水侧),改变水侧长度比等来使这一比值增大。这是热管式省煤器壁温高的另一原因。图7为表1所列参数下热管式省煤器的壁面温度分布图。图8为表1所列尺寸的烟管式省煤器在进口烟气温度分别为250℃,220℃和190℃情况下最低壁温曲线图(不考虑在长度方向上参数改变)由图8可知当烟管式省煤器在进口水温为20℃时顺流布置时进口处的壁温分别为30,32,34.3℃(见图8b),均处于第二危险区,若为逆流,则最低壁温处的壁温为26,27.5和30.6℃(见图8a),均处于第二腐蚀危险区,所以设备极易腐蚀损坏。铸铁管式的最低管壁温度也相差不多。热管式省煤器壁温在进口温度为250℃时均大于t=120~130℃如图7所示处于第一安全区。在进口烟温为220℃时我们采用改变结构的方法,调节αg与αH2O的比值可以使t壁>t露。当进口烟气温度进一步下降~190℃时,我们还可以用改变热管烟气侧热阻的方法(如改变直径,肋片数,加热段冷凝段长度比等)和在水侧加较密的隔板来提高αH2O从而来调节壁温值,使其避开第一危险区进入第二腐蚀安全区。 
      由上述比较可知,在相同的进出口烟温与水温条件下热管式省煤器具有很好的抗低温腐蚀特性,可以使排烟温度降低到更低,回收更多的低温余热。从另一方面来讲,铸铁管式与烟管式省煤器只要有一处因腐蚀而损坏就会使烟气侧与水侧相通,必须立即停炉并撤出运行;而热管式省煤器即使管子腐蚀损坏后烟气侧与水侧仍隔离,可继续运行,待定期检修时再更换坏的热管即可。这是其它二种省煤器所不可能具有的一大优点。管壁温度高不仅可以防止低温腐蚀,且使积灰情况也有所改善,使积灰较疏松有利于吹灰及清除。日本帝人公司歧阜工厂的试验也评定了这一点。 
     上述分别已为较多的实践所证明。如江苏如东化肥厂采用的热管式省煤器(余热锅炉)在排烟温度为120℃~140℃间运行了六个月后拆开检查基本无腐蚀,翅片仍然如新而此温度基本上已达到或接近烟气t露,在此条件下其它省煤器将产生严重腐蚀。现我们已为更低排烟温度热管省煤器研究出一种有效的腐抗蚀处理工艺,为更大限度利用热管省煤器回收余热提供了可能性。 
 
       2、热管式省煤器的传热系数K比铸铁管式烟管式省煤器高。从烟气和水的流动情况看,如图9所示对热管式省煤器无论烟气或水侧均可为横掠叉排管束。 
      由图10可知的铸铁管式省煤器烟气侧一般为横掠顺排管束,水侧为管内纵内冲刷。对烟管式省煤器,烟气侧为管内纵向冲刷,水侧也是非典型的冲刷管束。如果速度相同,横掠比纵向冲刷时的放热系数大。不过实际上由于速度不同,热管式省煤器的优点并不明显。
从强化传热情况看:省煤器的强化传热应着眼于热阻大的烟气侧,应在烟气侧加装肋片,对烟管式省煤器,由于烟气在管内流动,所以烟气侧不易肋化,只能靠提高烟气流速度来提高气侧放热系数,但流速提高受到引风机耗电限制。对铸铁管式省煤器,铸造出来的肋片又短又厚,肋化系数有肋片效率均不高,对传热的强化作用不大,而且由于铸铁管壁面较粗糙,壁温又较低,容易积灰,积灰后又较难消除,对传热系数也有影响。只有热管式省煤器烟气侧可加较薄且肋高较高的肋片强化传热,使热管式省煤器传热系数提高。由比较表1可见,这三种同容量同参数的省煤器传热系数分别为:热管式18.4kcal/m2·C·hr,烟管式22.08 kcal/m2·C·hr,铸铁管式16.8kcal/m2·C·hr。
热管式省煤器折算到以烟气侧光管外表面为基准的传热系数可达到125kcal/m2·C·hr。在回收相同热量情况下,结构较紧凑体积较小。如表1所示,其外形尺寸分别为:热管式为1670×450×250mm(先顺流,后逆流)烟管式为φ800×2000mm(逆顺),铸铁管式为1350×600×750mm(多次交叉式逆流)以热管式省煤器尺寸为最小。单位容积所能布置的换热面积分别为:热管式106.1m2/m3,烟管式15.8×m2/m3,铸铁管式35.9 m2/m3,以热管式为最大。如果热管式布置成逆流,结构更为紧凑。

      3、热管式省煤器由于结构紧凑体积小,使烟气流程缩短,所以烟气流动阻力较小,而烟管式省煤器为达到一定的传热系数值,烟气流速较高,所以流动阻力较大。如表1所示这三种省煤器的流动阻力分别为:热管式7mmH2O,烟管式15 mmH2O,铸铁管式10 mmH2O(均为设计值)。流动阻力小不但使风机耗电减少,而且对现有无省煤器锅炉加装省煤器时更为重要,可以在不改变引风机出力的情况下进行改装,为使用单位所欢迎。

      4、其它方面比较:
      热管式省煤器重量轻,金属消耗量小,这是因为热管式省煤器的换热面是由较薄的肋片与管子组成。而烟管式省煤器的换热面由列管所组成所以重要较重。铸铁管式省煤器也较重。由表1可知,同容量的三种省煤器重量分别为:热管式为320公斤,烟管式为800公斤,铸铁管式为720公斤,以热管式为最轻。
 
四、结论
 
      综上所述,根据小型锅炉余热回收的特点及三种小型锅炉省煤器性能比较可知,热管式省煤器具有传热系数高,抗低温腐蚀性能好(壁温高),烟气流动阻力小,重量轻,布置紧凑等优点;虽然目前价格还较高,回收年限还较长,但总的讲热管式省煤器在小型锅炉低温余热回收领域内是一种很有特色,很有希望的换热设备,具有很大的现实意义。
责任编辑: banye 参与评论
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