淺談熱回收器的原理及應用

邵 君

(唐山三友化工股份有限公司，河北唐山 063305)

淺談熱回收器的原理及應用

邵 君

(唐山三友化工股份有限公司，河北唐山 063305)

生產系統化工廢熱回收可以為廠區和生活區冬季采暖提供熱源，在一定程度上創造良好的經濟效益和環保效益，其中的主要設備在于熱回收器，本文介紹了熱回收器的分類、工作原理及應用，同時對我公司采用的高效噴射式熱交換器回收化工廢熱的工藝流程、設備結構進行了闡述。

熱回收器；工藝流程；余熱；熱源；節能降耗

1 項目背景

廠區廢熱回收采暖和生產系統化工廢熱回收利用項目是唐山三友化工股份有限公司技改技措新項目，此項目以重堿車間循環冷卻水回水及煅燒后產生的廢氣為熱源，采用熱回收器對廠區和生活區冬季采暖循環水進行加熱，從而達到節能降耗的目的。該項目設計、實施過程均遵循了循環經濟、提高勞動生產率、節約降耗、環保安全等原則，是我公司循環經濟理念的典型實例。

以生產系統化工廢熱回收為例，此項目分兩部分：

第一部分：純堿生產重堿車間螺旋板換熱器循環冷卻水回水溫度為55 ℃左右，通過廠區冷卻循環回水管網送至冷卻塔進行冷卻。為了節約能源，純堿公司把螺旋板換熱器循環冷卻回水的熱量進行回收，送至電廠加熱采暖，后又回流至冷卻塔，被加熱的采暖水用于開發區冬季采暖。

本項目在現有的生產裝置區內，利用生產裝置提供的廢熱回水，新敷設兩條輸水管道，電廠增加熱泵回收裝置進行熱量回收，實現利用廢熱回水采暖，降低能耗。

第二部分：純堿生產重灰工序、三效蒸發工序產生大量的低品位的廢熱蒸汽，經過回收用于采暖后，仍有剩余。在現有的生產裝置區內，新建一套回收裝置和換熱裝置，利用純堿廢熱加熱脫鹽水，降低能耗，使集團整體利益最大化。

2 熱回收器簡介

換熱器是用于將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器、熱回收器，是化工、石油、動力、食品及其它許多工業部門的通用設備，在化工生產中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等使用，應用十分廣泛，在生產中占有重要地位。換熱器種類很多，但根據冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。其中混合式熱交換器是依靠冷、熱流體直接接觸而進行傳熱的，這種傳熱方式避免了傳熱間壁及其兩側的污垢熱阻，只要流體間的接觸情況良好，就有較大的傳熱速率。故凡允許流體相互混合的場合，都可以采用混合式熱交換器，例如氣體的洗滌與冷卻、循環水的冷卻、汽-水之間的混合加熱、蒸汽的冷凝等等。它的應用遍及化工和冶金企業、動力工程、空氣調節工程以及其它許多生產部門中。

按照用途的不同，可將混合式熱交換器分成以下幾種不同的類型：

冷卻塔(或稱冷水塔)：在這種設備中，用自然通風或機械通風的方法，將生產中已經提高了溫度的水進行冷卻降溫之后循環使用，以提高系統的經濟效益。

氣體洗滌塔(或稱洗滌塔)：在工業上用這種設備來洗滌氣體有各種目的，例如用液體吸收氣體混合物中的某些組分，除凈氣體中的灰塵，氣體的增濕或干燥等。但其最廣泛的用途是冷卻氣體，而冷卻所用的液體以水居多。空調工程中廣泛使用的噴淋室，可以認為是它的一種特殊形式。

噴射式熱交換器：在這種設備中，使壓力較高的流體由噴管噴出，形成很高的速度，低壓流體被引入混合室與射流直接接觸進行傳熱，并一同進入擴散管，在擴散管的出口達到同一壓力和溫度后送給用戶。

混合式冷凝器：這種設備一般是用水與蒸汽直接接觸的方法使蒸汽冷凝。

3 噴射式熱交換器的應用

我公司廠區廢熱回收采暖和生產系統化工廢熱回收利用項目采用噴射式熱交換器，熱交換過程如圖1所示，當液體(工作流體)通過噴嘴時，在其出口形成一定的低壓，從而將蒸汽(吸入流體)吸入，與液體(工作流體)一起經混合管進一步混合，以達到加熱的目的。被加熱到要求溫度的液體，則從加熱器出口端流出。噴射式熱交換器的設備結構如圖2所示，其主要由以下幾部分組成：上部排汽筒體、錐段、噴嘴部分、中間筒體、下部排水筒體、支撐結構等。內部介質流動方向如箭頭所示，軟水由軟水進口a進入，廢氣由廢氣進口c進入，軟水經過噴嘴部件時，在其出口形成一定的低壓，變成噴霧狀的水汽，與風機出口來的廢蒸汽一起經混合段混合，進行接觸熱交換，冷水吸熱變成熱水同時在重力作用下，由軟水出口b排出，未進行熱交換的廢氣和熱交換完成后摻雜小水珠的廢氣直接由廢氣出口d排出，如此循環，完成了整個熱交換過程。

圖1 熱回收器工作原理示意圖

圖2 噴射式熱交換器結構示意圖

根據設計要求，我公司需確定現有廢氣是否滿足換熱要求。根據現場實際及查閱相關資料可以確定：額定排氣量12 000+20 000=32 000 N·m3/h，排氣壓力約為2 kPa(G)，溫度75 ℃，查得蒸汽分壓力為38.6 kPa(a)，該壓力下的密度為0.24 m3/kg，回水量為300 m3/h，將回水由55 ℃加熱到70 ℃，需用蒸汽量9 t/h,我公司廢氣中含有的蒸汽量計算過程如下：

V汽=11 992 N·m3/h

V2=39 998 m3/h

m=ρv=0.24×1 000×39 998=9.6 t/h

經過上述計算可以得知，我公司廢氣中的蒸汽量完全可以滿足換熱要求。

4 結構分析

設備本體結構分析：如圖2所示，排風筒有變徑段，在流量不變的前提下，變徑段可以有效增加流體流速，提高流體霧化率，氣液混合換熱過程中進一步回收廢氣余熱。但是變徑造成了設備整體頭重腳輕，小直徑下端與桶體焊接處剪力大，受風載荷與地震載荷影響易發生折斷，故在小直徑段與變徑段外側加一直筒段，分散受力，增加強度，使設備整體性強度更好。

設備安裝定位：受廠區現場條件限制，設備安裝位置較高，三友廠區地鄰渤海，風載荷與地震載荷較大，故需對其進行風彎矩與地震彎矩計算。將設備分六段進行計算，其中三個截面受力較大，計算結果如圖3所示，故對截面1-1與截面2-2處桶體焊接支耳，土建專業做框架進行支撐，將力通過鋼結構分散開，截面3-3做限位，限位距離15 mm。

圖3 熱回收器風載荷地震載荷示意圖

5 總 結

噴射式熱交換器作為高效換熱器，以其特有的結構優勢，利用化工廢氣余熱將冷水變成熱水供應到各個廠區及附近地區，供熱效果良好，從而達到了節能降耗、實現資源循環利用的目的，理論上可節約低壓蒸汽9 t/h，按一個采暖季計，每年可節約蒸汽50 000 t，經濟效益可觀。同時，將廢氣中的污染顆粒大面積的帶回到軟水中起到了保護環境的作用。

[1] 陳敏恒, 叢德滋, 方圖南.化工原理(上冊)[M].北京：化學工業出版社，2006

[2] 史美中,王中錚.熱交換器原理與設計[M].南京：東南大學出版社,2003

[3] 曲文海.壓力容器與化工設備實用手冊[M].北京：化學工業出版社，2000

TQ114.15

B

1005-8370(2017)04-41-03

2017-02-24

邵君(1987—)，2011年畢業于燕山大學。2011年至今在唐山三友化工股份有限公司工作，助理工程師。