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　于國富

摘要：通過對國內(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，對今后發(fā)電廠的余熱綜合利用具有重要的現(xiàn)實意義。

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)地建成并投入運行的生活垃圾焚燒發(fā)電廠約400座;當(dāng)年新投入運行的生活垃圾焚燒廠超過70座，在建項目166座，擬建項目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，成為殘渣或者熔融固體物質(zhì)，在高溫焚燒中產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽，推動渦輪機轉(zhuǎn)動，使發(fā)電機產(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)過檢驗發(fā)現(xiàn)，每標(biāo)準(zhǔn)立方米煙氣中含水率達(dá)30%。因此，計算時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，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，但可使煙氣露點顯著提高，當(dāng)受熱面溫度低于H2SO4露點溫度時，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)，從而形成低溫露點腐蝕。硫酸的露點溫度一般在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），是目前國內(nèi)外最理想的“耐硫酸低溫露點腐蝕”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)秀的耐硫酸露點腐蝕的特種鋼材。為了提高鋼板在酸中的耐蝕性，對鋼板表面噴涂納米防腐涂層，該材料可在260 ℃以內(nèi)長期使用，耐高溫氣體直接沖刷，抗熱震，導(dǎo)熱性能穩(wěn)定，附著力強，涂層致密，電絕緣性能穩(wěn)定，絕緣電阻大于200 MΩ。經(jīng)試驗，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

傳統(tǒng)的余熱回收換熱器采用交錯排布的鋼管制成，對煙氣的阻力大，換熱效率較低。但板式熱交換器的特點是效率高，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對換熱系數(shù)影響非常大，因此板型設(shè)計上水側(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500 t/d的爐排焚燒爐、1臺1.8 MW垃圾焚燒發(fā)電機組，年發(fā)電量7 500×104 kWh。2臺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)場測試的數(shù)據(jù)分析整理，達(dá)到設(shè)備設(shè)計要求，輸送熱量平穩(wěn)，表2提供了瞬時采集的數(shù)據(jù)。

當(dāng)?shù)夭膳咎鞌?shù)為90天，經(jīng)過一采暖季的使用，該項目取得了非常良好的經(jīng)濟(jì)效益，各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，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)效益和社會效益。

經(jīng)過工程實例的檢驗，焊接板式熱交換器在使用后的耐腐性得到了驗證，煙氣阻力對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目取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，符合我國經(jīng)濟(jì)和社會長遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略方針以及國家能源政策要求，對于緩解我國能源瓶頸制約，加快建設(shè)節(jié)能型社會具有深遠(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

作者簡介：田崇雷（1981—），男，山東城武人，研究方向：裝備智能制造。