焊接板式熱交換器在垃圾焚燒發(fā)電廠余熱回收中的應(yīng)用

田崇雷　程寶華　龐磊　于國(guó)富

摘要：通過對(duì)國(guó)內(nèi)在用的垃圾焚燒發(fā)電廠排煙分析發(fā)現(xiàn)，排出的廢氣中含有大量水蒸氣，這些水蒸氣中蘊(yùn)藏著大量的汽化潛熱，采用焊接板式熱交換器將煙氣中的熱量回收到水中，可供居民冬季采暖使用。現(xiàn)以某垃圾焚燒發(fā)電廠為例，介紹了焊接板式換熱交換器的應(yīng)用效果，對(duì)今后發(fā)電廠的余熱綜合利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：焊接板式熱交換器;煙氣余熱;垃圾焚燒發(fā)電

0 引言

截至2018年底，內(nèi)地建成并投入運(yùn)行的生活垃圾焚燒發(fā)電廠約400座;當(dāng)年新投入運(yùn)行的生活垃圾焚燒廠超過70座，在建項(xiàng)目166座，擬建項(xiàng)目201座。垃圾焚燒發(fā)電廠通過適當(dāng)?shù)臒岱纸狻⑷紵⑷廴诘确磻?yīng)，使垃圾經(jīng)過高溫氧化進(jìn)行減容，成為殘?jiān)蛘呷廴诠腆w物質(zhì)，在高溫焚燒中產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽，推動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。燃燒后的氣體經(jīng)過煙氣處理設(shè)施再次排入大氣中去。

垃圾焚燒爐的爐膛溫度控制在850 ℃左右，燃燒后的煙氣經(jīng)過處理后由煙囪排入大氣中，其排煙溫度約為150 ℃，含水量在30%左右，煙氣中依然存在大量的余熱可供回收利用，成為熱能回收的又一新興領(lǐng)域。使用焊接板式熱交換器，可將該部分熱量回收，供用戶冬季采暖使用，達(dá)到余熱回收、節(jié)能環(huán)保的目的。

1 廢氣中的熱量

垃圾焚燒后的煙氣經(jīng)過旋風(fēng)集塵器、半干式洗煙塔、濾袋式集塵器后進(jìn)入煙囪排入大氣中，經(jīng)過上述處理過程，廢氣中的熱量主要是中溫?zé)煔饧安糠炙魵猓?jīng)過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每標(biāo)準(zhǔn)立方米煙氣中含水率達(dá)30%。因此，計(jì)算時(shí)可以取上述所有的熱量之和。

2 煙氣余熱回收技術(shù)路線

鑒于垃圾焚燒后的煙氣成分復(fù)雜，因此選擇間壁式換熱器直接吸收煙氣中的熱量來加熱經(jīng)過軟化處理的水，用于周邊居民的冬季采暖。

（1）煙氣中的熱量主要由煙氣自身的顯熱和煙氣中水蒸氣冷凝時(shí)釋放的汽化潛熱兩部分組成，煙氣經(jīng)過間壁式換熱器后煙溫由150 ℃降到60 ℃;

（2）軟化水由45 ℃提升至55 ℃，供采暖使用。

3 熱交換器用鋼的選擇

當(dāng)煙氣溫度低于200 ℃時(shí)，煙氣中的SO3開始與水蒸氣結(jié)合，生成H2SO4蒸汽。盡管煙氣中的H2SO4含量不多，但可使煙氣露點(diǎn)顯著提高，當(dāng)受熱面溫度低于H2SO4露點(diǎn)溫度時(shí)，硫酸蒸汽便凝結(jié)在受熱面上，并使受熱面材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而形成低溫露點(diǎn)腐蝕。硫酸的露點(diǎn)溫度一般在90～120 ℃。通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，耐腐蝕方面選用的09CrCuSb鋼（ND鋼），是目前國(guó)內(nèi)外最理想的“耐硫酸低溫露點(diǎn)腐蝕”用鋼材，ND鋼是以鍋爐、電爐的熱交換、煙管、煙囪等用途為目的開發(fā)的具有優(yōu)秀的耐硫酸露點(diǎn)腐蝕的特種鋼材。為了提高鋼板在酸中的耐蝕性，對(duì)鋼板表面噴涂納米防腐涂層，該材料可在260 ℃以內(nèi)長(zhǎng)期使用，耐高溫氣體直接沖刷，抗熱震，導(dǎo)熱性能穩(wěn)定，附著力強(qiáng)，涂層致密，電絕緣性能穩(wěn)定，絕緣電阻大于200 MΩ。經(jīng)試驗(yàn)，涂敷了該納米材料的ND鋼板經(jīng)過90 ℃的70%硫酸蒸汽中浸泡96 h未發(fā)現(xiàn)任何腐蝕現(xiàn)象，證明該鋼材應(yīng)用是可行的。

4 熱交換器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的余熱回收換熱器采用交錯(cuò)排布的鋼管制成，對(duì)煙氣的阻力大，換熱效率較低。但板式熱交換器的特點(diǎn)是效率高，且可以將流道空間控制在合理范圍內(nèi)，減少煙阻。

依據(jù)傳熱學(xué)間壁式熱交換器傳熱系數(shù)的經(jīng)典公式：

K=1/（1/α1+RS1+δ/λ+RS2+1/α2）

式中，α1為熱側(cè)流體的換熱系數(shù);RS1，RS2為污垢層熱阻;δ/λ為板片層熱阻;α2為冷側(cè)流體的換熱系數(shù)。

依據(jù)上述公式結(jié)合間壁式熱交換原理可知，板片層熱阻及污垢層熱阻對(duì)整體傳熱系數(shù)影響很小，起決定作用的還是冷、熱流體的換熱系數(shù)。提高冷熱側(cè)流體的雷諾數(shù)Re對(duì)換熱系數(shù)影響非常大，因此板型設(shè)計(jì)上水側(cè)間距變小，并在板片上壓制出波紋，使流體在通道內(nèi)流速很低時(shí)就能達(dá)到湍流效果，提高了流體的換熱系數(shù)，與煙氣側(cè)相接觸的流道也是有波紋的，在保證煙阻的同時(shí)提高了煙氣的撓度，有效提高傳熱系數(shù)。

由于煙氣中粉塵的存在，為減小污垢層的熱阻對(duì)熱交換器效率的影響，在設(shè)備兩側(cè)提供可用于清洗的吹掃孔，換熱器板管采用立式結(jié)構(gòu)，底部設(shè)有收納排污箱，冷凝水和灰塵集中排放。

換熱器設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，所有的板束均可以自由更換，板式熱交換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

5 工程實(shí)例

某城市2017年新建成的生活垃圾焚燒發(fā)電廠，日處理生活垃圾1 000 t/d，有2臺(tái)500 t/d的爐排焚燒爐、1臺(tái)1.8 MW垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組，年發(fā)電量7 500×104 kWh。2臺(tái)鍋爐正常煙氣排放溫度為130～150 ℃。煙氣基本參數(shù)如表1所示。

在9#鍋爐的煙道上設(shè)置一臺(tái)焊接板式熱交換器，如圖2所示。該設(shè)備于2018年11月27日投入運(yùn)行，供熱范圍為距發(fā)電廠約1.5 km的居民區(qū)，總供暖面積8萬m2，采用地板熱水采暖型式，供回水溫度為45～55 ℃。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)分析整理，達(dá)到設(shè)備設(shè)計(jì)要求，輸送熱量平穩(wěn)，表2提供了瞬時(shí)采集的數(shù)據(jù)。

當(dāng)?shù)夭膳咎鞌?shù)為90天，經(jīng)過一采暖季的使用，該項(xiàng)目取得了非常良好的經(jīng)濟(jì)效益，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，每采暖季可提取76 032 GJ熱量，設(shè)備投資回收期約為2個(gè)采暖季，經(jīng)濟(jì)效益如表3所示。

6 結(jié)語

焊接板式熱交換器在垃圾焚燒電廠的應(yīng)用，提高了熱能的利用率，提升了居民的生活品質(zhì)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

經(jīng)過工程實(shí)例的檢驗(yàn)，焊接板式熱交換器在使用后的耐腐性得到了驗(yàn)證，煙氣阻力對(duì)垃圾焚燒鍋爐沒有任何影響。經(jīng)過初步的經(jīng)濟(jì)分析，安裝后的煙氣余熱回收項(xiàng)目取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，符合我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略方針以及國(guó)家能源政策要求，對(duì)于緩解我國(guó)能源瓶頸制約，加快建設(shè)節(jié)能型社會(huì)具有深遠(yuǎn)的意義，具備非常好的發(fā)展前景，值得推廣。

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收稿日期：2020-03-04

作者簡(jiǎn)介：田崇雷（1981—），男，山東城武人，研究方向：裝備智能制造。