復合相變換熱技術在鍋爐排煙余熱回收中的應用

李曉東　汪毅　王棟毅

摘 要： 復合相變換熱技術是一種回收鍋爐排煙余熱的新型技術，其壁溫可控可調，具有防止煙氣側低溫腐蝕的突出優勢.介紹了寶鋼采用該技術回收利用本廠內一臺低壓鍋爐排煙余熱生產生活熱水的節能項目，該項目于2013年5月投運，至今運行良好.運行結果表明，該復合相變換熱器可使鍋爐排煙溫度由194℃降至138℃，同時獲得90℃熱水19.1 t·h-1.通過實施該節能項目可回收煙氣余熱約1 400 kW，年節約標準煤約1 300 t，推進了寶鋼節能減排.

關鍵詞： 復合相變換熱器； 鍋爐排煙； 余熱利用； 節能

中圖分類號： TK 221 文獻標志碼： A

Application of compound phase changing heat exchanger technology

in heat recovery from boiler exhaust gas

LI Xiaodong，WANG Yi，WANG Dongyi

（Ministry of Industrial Environment Protection， Baosteel Development Co. ， Ltd. ， Shanghai 201900， China）

Abstract： Compound phase changing heat exchanger technology is an alternative way to recover waste heat from boiler exhaust gas，the wall temperature of which can be adjusted and controlled.And thus low temperature corrosion of flue gas side can be prevented.An energy saving project performed by Baosteel Company was introduced in this paper，which recovered the waste heat from a lowpressure industrial boilers exhaust gas to produce hot water.This project has been put into operation in May，2013.And it ran well.The test results shown that with a FXH heat exchanger，the boiler exhaust gas temperature decreased from 194 ℃ to 138 ℃，and the flow rate of the produced hot water at 90℃ reached 21.4 t/h.As a result，about 1400 kW waste heat could be recovered by this project，which was equal to about 1300 tons per year of standard coal.It makes contributions to the energy saving of Baosteel Company.

Keywords： compound phase changing heat exchanger； boiler exhaust gas； heat recovery； energy saving

寶鋼廠區中大量低溫煙氣余熱無法作為生產輔助用能加以利用，同時寶鋼周邊一些浴室仍使用燃油燃煤鍋爐作為職工生活熱水熱源，因此研究將此工業廢熱轉化為生活用能意義重大.

寶鋼熱力分廠4號低壓鍋爐為日本三菱CE34VP-18W水管鍋爐，目前在平均燃氣（高爐煤氣）量為40 000 m3·h-1時，排煙溫度保持在194℃左右，排煙溫度較高，排煙熱損失較大，有很大的余熱回收空間.本文采用合同能源管理方式回收余熱生產生活熱水取代寶鋼餐飲公司廠前、月浦、交運、設備倉庫、羅涇中厚板等地的浴室鍋爐，達到節能降耗、改善環境、降本增效目的.

目前汽水式回收鍋爐排煙余熱主要應用兩種技術，傳統的低壓省煤器技術和熱管技術.對于低壓省煤器，當系統排煙溫度低時，壁面最低溫度會低于酸露點.從實際應用效果看，低壓省煤器容易發生低溫腐蝕.在壁面溫度確定后，盡管可以實現壁溫可控可調，但受到進、出水溫的限制，調節幅度有限.

熱管是敏度極高的換熱元件，它是在真空管內液體之間相互傳遞熱量，真空內部熱阻小，具有良好的等溫性能等特點[1]。而對于熱管技術，由于熱管生產過程中的制造差異，每根熱管不凝性氣體的產生比例也不一樣的制造特性，容易產生不凝氣體，只要部分熱管的不凝氣體達到許可極限，熱管換熱器整體換熱效率就會下降[2]，加之使用時不能排氣和重啟，存在長時間使用容易失效、維修更換費用高、經濟性差等問題.

為避免上述兩種技術帶來的問題，研究采用復合相變換熱器技術回收鍋爐排煙余熱.本文以熱力分廠4號低壓鍋爐排煙余熱回收利用為例，介紹復合相變換熱技術的基本原理、換熱器實際運行效果、節能分析等，為回收鍋爐排煙余熱提供參考.

1 復合相變換熱技術簡介

1.1 復合相變換熱器基本原理

圖1為復合相變換熱器原理示意圖.復合相變換熱器在多根并聯的密閉管排束構件內利用除鹽水相變潛熱傳遞熱量，在換熱器下部除鹽水吸收鍋爐煙氣余熱汽化為飽和蒸汽，飽和蒸汽在一定的壓差下沿上升管升至換熱器上部汽包內向外界（生活水、鍋爐給水）放出熱量并凝結成飽和水，飽和水沿下降管回到換熱器下部，并再次被煙氣加熱汽化，往復循環，完成了將熱量從高端傳向低端的單向導熱，飽和蒸汽和飽和水在密閉系統內自然循環.系統由中央控制單元集中控制，使換熱器上部冷卻速率與換熱器下部吸熱速率平衡，飽和蒸汽與飽和水自然循環達到平衡，保證壁溫保持在設定溫度，即調整冷卻速率與吸熱速率平衡點，在一定范圍內調整壁溫.

相變換熱器中多根并聯的密閉管排束構件上的金屬壁面整體溫度分布均勻，與煙氣溫度保持“較小梯度溫降（溫差10～20℃）”，并具備“獨立于被加熱工質溫度”的特殊功能.相變換熱器通過“相變段”換熱流量的調節，實現對整個設備可能出現的不同最低壁面溫度的閉環控制，以保證燃料種類變動引發酸露點變化后，對壁溫同步可控可調.在保證設備安全運行的前提下，實現最大幅度回收煙氣余熱的節能目標.相變換熱器是一種用于低溫鍋爐排煙余熱回收的裝置，為低溫余熱利用帶來了革命性突破.它靈活地使用了汽化液化相變的強化換熱技術，在換熱器管內使傳熱工質處于相變工作狀態.其技術核心和創新在于換熱器壁溫整體可控可調.在充分發揮相變潛熱的熱傳導優勢下，靈活配置換熱器的不同部分，一方面滿足最低壁溫高于煙氣酸露點的要求；另一方面充分發揮相變傳熱的高效性，使壁溫與排煙溫度維持較小的溫差.在保證受熱面不結露的前提下降低排煙溫度，有效地進行降溫節能，提高熱效率和防腐能力.

1.2 復合相變換熱器技術與傳統換熱器技術在壁溫設計上的差異比較 傳統換熱器的壁溫設計是基于換熱器兩側介質溫度的平均溫度作為壁溫.為保證最低壁溫不低于酸露點，設計排煙溫度時要保證壁溫在酸露點之上.由此可見，傳統換熱器壁溫是隨著進、出口工質的各自溫度變化而變化.本文如采用傳統換熱器進行節能改造則熱源條件如圖2所示.

圖2 傳統換熱器溫度曲線

Fig.2 The temperature curve of the traditional

heat exchanger

復合相變換熱器和傳統換熱器的壁溫設計理的同，該技術首次提出將換熱器壁面最低溫度定義為“第一設計要素”的理念，以及首次提出將對產生煙氣低溫結露和腐蝕具有關鍵性影響的最低壁面溫度置于“可控可調狀態”的創新概念.復合相變換熱器的最低壁面溫度曲線處于冷、熱工質溫度曲線之間，且不隨進、出口工質的溫度變化而變化.復合相變換熱器溫度曲線如圖3所示.由此可見，該技術的核心在于改變了傳統換熱器壁面溫度分布的“函數”因變量特征，并在設計中使其不變的金屬壁溫始終保持在酸露點以上，在避免出現低溫結露和腐蝕的同時，為大幅度回收煙氣低溫余熱提供了可能.

圖3 復合相變換熱器溫度曲線

Fig.3 The temperature curve of FXH heat exchanger

2 復合相變換熱器方案設計

本文設計的復合相變換熱器布置在鍋爐空氣預熱器出口及引風機進口的一段尾部煙道內，不額外增加新的風機和煙道.該換熱器是由幾種不同規格的管子組成的箱體式結構，如圖4所示，其具體結構分為以下兩部分.

（1） 相變下段：主體由約800根32 mm翅片管組成，布置于煙道內部，上部由273 mm無縫鋼管引入汽包.相變下段負責吸收空氣預熱器后的煙氣熱量.運行時，注入適量除鹽水進入相變下段內，除鹽水受熱蒸發為飽和蒸汽，蒸汽通過273 mm上升管進入汽包.

圖4 復合相變換熱器結構示意圖

Fig.4 Schematic diagram of FXH heat exchanger

（2） 相變上段：相變上段包括汽包、上升管、下降管等.汽包是一種管殼式換熱器，筒體由Q235鋼板卷制而成，內部布置數百根19 mm不銹鋼換熱管.汽包內部分為管程和殼程，殼程通過273 mm上升管和57 mm下降管與相變下段相通，殼程介質（除鹽水）為相變下段產生的蒸汽，管程介質為生活水.相變下段產生的飽和蒸汽通過273 mm上升管進入汽包，在汽包內通過加熱生活水被冷凝為飽和水，冷凝后的飽和水通過57 mm下降管回流至相變下段，完成一個循環過程.

相變下段與相變上段（汽包）殼程組成一個自然循環的封閉系統，換熱器系統正常運行過程中除鹽水不會有損耗，設備不需進行補水.

3 復合相變換熱器的煙氣換熱管壁溫控制方案3.1 酸露點、最低壁溫確定

4號低壓鍋爐主要燃用高爐煤氣，摻燒少量焦爐煤氣.燃料主要成分如表1所示.

采用荷蘭學者Okkes根據實驗數據提出的公式[3]，即

tsld=10.880 9+27.6lgPH2O+10.83lgPSO3+

1.06（lgPSO3+2.994 3）2.19

（1）

式中：tsld為煙氣酸露點，℃；PH2O為煙氣中水蒸氣分壓，Pa；PSO3為煙氣中SO3分壓，Pa.

依據煤氣成分及燃氣摻燒量可以計算出煙氣中水蒸氣和SO2的體積分數分別為2.087 0%、0.025 0%；SO3的轉化率取2%，計算出SO3的體積分數為0.000 5%；煙氣壓力按98 600 Pa（絕對壓力）計算，換算出水蒸氣和SO3分壓分別為2 060.740 Pa和0.493 Pa；代入式（1）計算出煙氣酸露點估算值為108.3℃.根據酸露點可以確定換熱器壁面溫、排煙溫度.復合相變換熱器溫度設計控制示意圖如圖5所示.

圖5 復合相變換熱器溫度設計控制示意圖

Fig.5 Schematic diagram temperature control for FXH

heat exchanger

3.2 PID控制策略

通過PLC控制系統實時監測目標壁溫（PV），將PV和設定壁溫（SV）輸入PID運算器，輸出0～100%閥門開度信號，控制電子式調節閥，從而調節進水流量，改變壁面溫度，建立一個PID閉環控制回路.煙氣換熱管壁溫控制邏輯示意圖如圖6所示，其中：TE為溫度測點；M為電動執行機構；SL為最低溫度.

圖6 復合相變換熱器中煙氣換熱管壁溫控制邏輯示意圖

Fig.6 Control logic for flue gas heat transfer tube wall temperature in FXH heat exchanger

4 項目實際運行效果及節能效益分析4.1 主要運行參數

復合相變換熱器安裝后經過2個月試運行，換熱器運行參數如表2所示.

4.2 節能效益計算

出口煙氣溫度以194℃計，復合相變換熱器后尾部排煙溫度為138℃，回收熱量

Q=VgρgCpgΔTφ3 600

（2）

式中：Vg為煙氣流量，Nm3·h-1；ρg為煙氣密度，取為1.448 kg·Nm-3；Cpg為煙氣比熱，取為1.003 kJ·kg-1·℃-1；ΔT為復合相變換熱器前、后煙氣溫差，℃；φ為設備保熱系數，取為0.95.

節能量等效標煤量

Gc=3 594.8QHRQp·1 000η

（3）

式中：HR為設備運行小時數，此處為7 200 h；Qp為標煤的發熱量，kJ·kg-1.

煙氣側阻力增加134 Pa，引風機增加能耗

Py=Δhy·Vg3 600ηy

（4）

式中：Δhy為煙氣增加阻力，Pa；ηy為引風機效率，取為75%.

水泵增加能耗

Pb=qvgHηb

（5）

式中：qv為加熱水量，t·h-1；H為水泵揚程，m；ηb為水泵效率，取為75%；g為重力加速度，m·s-2.

增加的年總耗電量

E=（Py+Pb）·HR

（6）

項目年綜合節能量如表3所示.

表3 項目年綜合節能量計算表

Tab.3 Annual amount of energy saving

本項目運行三年來，復合相變換熱器運行平穩，換熱裝置最大生產90 ℃熱水流量達到22 t·h-1，排煙溫度基本上可以控制在130 ℃左右.受熱面最低壁面溫度可達115 ℃；換熱器受熱面沒有結露、腐蝕、積灰現象，設備本體故障率為零.該項目完全替代了五個區域熱水鍋爐，基本實現了預期目標.

5 結 語

復合相變換熱器適用于冶金行業燃用煤氣鍋爐排煙余熱利用節能改造，與傳統換熱器相比其換熱器壁溫均勻易于控制，有效地克服了低溫腐蝕，換熱性能好、運行穩定，可以回收煙氣余熱以取代燃油燃煤鍋爐為職工提供生活熱水，為回收利用冶金行業的工業廢熱提供了新的路徑.

參考文獻：

[1] 王炎.復合相變換熱器技術與裝置[J]，上海節能，2008（2）：21-24.

[2] 張海云，嚴海鷹.超導熱管在鍋爐煙氣余熱中回收中的應用[J].中州煤炭，2010（9）：98-99.

[3] OKKES A G.Get acid dew point of flue gas[J].Hydrocarbon Processing，1987，66（7）：53-55.第31卷 第2期能源研究與信息Energy Research and InformationVol.31 No.2 2015