煙氣換熱器的選型探討

楊曉武，金生龍

（長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙410014）

煙氣換熱在煙氣處理過程中占據(jù)重要地位，合理選擇換熱流程和換熱設(shè)備對煙氣治理極為重要。煙氣換熱具有介質(zhì)流量大、換熱系數(shù)低、煙氣成分復(fù)雜、腐蝕性強(qiáng)、換熱器尺寸大、造價(jià)高與易積灰等特點(diǎn)，因而換熱器選型是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。筆者就換熱器選型進(jìn)行探討，為煙氣換熱器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 煙氣換熱器類型

煙氣換熱器種類繁多。按換熱器的作用原理可分為間壁式換熱器、直接接觸式換熱器、蓄熱式換熱器和中間載熱體式換熱器；按換熱介質(zhì)的相態(tài)可分為氣-氣換熱器、氣-汽換熱器、氣-液換熱器、液-液換熱器和液-汽換熱器；按換熱器材質(zhì)可分為金屬材料換熱器和非金屬材料換熱器；按換熱器的結(jié)構(gòu)形式可分為管式換熱器、板式換熱器和特殊形式換熱器。

在煙氣處理過程中，實(shí)際使用最多的換熱器主要有管殼式換熱器、回轉(zhuǎn)式GGH換熱器、板式換熱器、MGGH換熱器和熱管換熱器。

1.1 管殼式換熱器

管殼式換熱器是最常用的煙氣換熱器，可用于煙氣-煙氣、煙氣-蒸汽和煙氣-循環(huán)水的換熱，其結(jié)構(gòu)形式相對簡單，堅(jiān)固耐用，造價(jià)低廉，適用性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于石化、化工、冶金及鋼鐵等領(lǐng)域。

煙氣換熱過程，由于氣-氣換熱傳熱系數(shù)小、換熱效率低，管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)一直是研究重點(diǎn)。通過采用螺旋槽管、橫紋槽管、波紋管、縮放管、菱形翅片管、花瓣形翅片管、T型翅片管、表面多孔管等不同形式的管程結(jié)構(gòu)強(qiáng)化管程傳熱，同時(shí)改變殼程內(nèi)的支撐以減少和消除死區(qū)，以增加流體的湍動(dòng)，從而強(qiáng)化殼程傳熱，使傳熱系數(shù)得到大幅提高[1]。近來，借助于計(jì)算流體力學(xué)的仿真模擬，更加高效節(jié)能的管殼式換熱器不斷研發(fā)出來，極大地提高了管殼式換熱器的應(yīng)用范圍。

管殼式換熱器的主要缺點(diǎn)是設(shè)備體積相對龐大，材料耗用量大，若因煙氣的腐蝕性需提高換熱器材質(zhì)等級時(shí)，換熱器的造價(jià)會(huì)成倍增加。

1.2 回轉(zhuǎn)式GGH換熱器

回轉(zhuǎn)式GGH換熱器是借助熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當(dāng)蓄熱體與熱流體接觸時(shí)，蓄熱體從熱流體處獲得熱量，溫度上升，然后通過轉(zhuǎn)動(dòng)與冷流體接觸，蓄熱體向冷流體傳遞熱量，溫度下降，如此循環(huán)往復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)冷熱流體之間的間接換熱。回轉(zhuǎn)式GGH換熱器結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 回轉(zhuǎn)式GGH換熱器結(jié)構(gòu)示意

回轉(zhuǎn)式GGH換熱器的蓄熱體采用耐腐蝕材料或外襯結(jié)構(gòu)，既能有效抵抗煙氣腐蝕，又方便清洗。回轉(zhuǎn)式GGH常設(shè)計(jì)為模塊化結(jié)構(gòu)以便于安裝，其結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積一般小于同等熱負(fù)荷條件下的管殼式換熱器。

回轉(zhuǎn)式GGH換熱器廣泛用于處理電廠燃煤煙氣和鋼鐵燒結(jié)煙氣，其缺點(diǎn)是設(shè)備造價(jià)較高，設(shè)備中的轉(zhuǎn)動(dòng)部件容易損壞，且換熱過程存在漏風(fēng)。

1.3 板式換熱器

板式換熱器是一種緊湊高效的換熱器，其板片一般采用波紋狀設(shè)計(jì)，即便在較低流速下也能實(shí)現(xiàn)換熱介質(zhì)的湍流，從而提高傳熱效率。板式換熱器傳熱系數(shù)高、比換熱面積大、占地面積小、投資少，安裝和檢修方便，已廣泛應(yīng)用于氣-氣、液-液、液-汽換熱。

傳統(tǒng)的板式換熱器耐腐蝕性不強(qiáng)，密封性較差，易泄漏，使用溫度受墊圈耐溫性能的限制。近年來開發(fā)了全焊接式板式換熱器，由特種不銹鋼以特制模具壓制而成，使其耐溫性能和抗腐蝕性得到大幅提升。金隆銅業(yè)有限公司在制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化工序采用氣-氣板式換熱器替代傳統(tǒng)的管殼式換熱器，總投資節(jié)約18%，運(yùn)行基本良好，說明轉(zhuǎn)化工序采用氣-氣板式換熱器完全可行[2]。

1.4 MGGH換熱器

MGGH換熱器（Media GGH）即媒介式氣-氣換熱器，是利用媒介物質(zhì)在高溫?zé)煔夂偷蜏責(zé)煔庵g循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高低溫?zé)煔庵g的換熱。MGGH屬于中間載熱體式換熱器，高、低溫?zé)煔獠恢苯咏佑|，設(shè)備布置方面更靈活，并有效避免煙氣泄漏。MGGH最常用的媒介物質(zhì)為水，也可采用化學(xué)穩(wěn)定性好、沸點(diǎn)高的礦物有機(jī)油，但礦物有機(jī)油價(jià)格比較昂貴，且泄漏后存在風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際運(yùn)行中不常采用。

MGGH換熱器實(shí)際將煙氣之間的氣-氣換熱轉(zhuǎn)換為煙氣和中間載熱體之間的氣-液換熱，故傳熱效率得到極大提高。此外，可將換熱管以模塊化的形式放置在煙道中進(jìn)行換熱，安裝較為靈活，對MGGH換熱器的換熱管材質(zhì)進(jìn)行合理選擇，既耐受煙氣腐蝕，又有效降低換熱器的投資成本。目前，MGGH換熱器廣泛應(yīng)用于煙氣消白，具有占地面積小、能耗低、投資少、效果顯著等特點(diǎn)[3-4]。

1.5 熱管換熱器

熱管換熱器是以熱管為傳熱單元的高效換熱器，其利用全封閉的真空熱管單元內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)和凝結(jié)來傳遞熱量。在熱管的一側(cè)，高溫流體與熱管內(nèi)的液相工質(zhì)進(jìn)行換熱，液相工質(zhì)吸收熱量蒸發(fā)為氣態(tài)，在熱管的另一側(cè)，低溫流體與蒸發(fā)的氣相工質(zhì)進(jìn)行換熱，再將氣相工質(zhì)冷凝為液相，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)換熱。由于采用全封閉的熱管，蒸發(fā)和凝結(jié)的對流傳熱強(qiáng)度都很大，而蒸汽流動(dòng)阻力又較小，因此熱管可以在很小的溫差下傳遞很多的熱量。熱管換熱器示意見圖2。

圖2 熱管換熱器示意

熱管換熱器具有傳熱效率高、煙氣流動(dòng)阻力小、運(yùn)行能耗低、系統(tǒng)簡單、腐蝕損害小的特點(diǎn)，在化工、冶金等行業(yè)運(yùn)行業(yè)績較好。熱管式換熱器體積較大，具有占地面積大，加工、制造和運(yùn)輸難度大的缺點(diǎn)。

青島染料廠在改造轉(zhuǎn)化工序時(shí)曾采用熱管換熱器，投運(yùn)后運(yùn)行穩(wěn)定可靠，效果良好，投資收益高[5]。若對濕法脫硫工藝中的回轉(zhuǎn)式、中間載熱體式、管殼式、板翅式、熱管式煙氣換熱器性能進(jìn)行了評分比較，熱管換熱器性能可居于首位[6]。

熱管鍋爐以其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、傳熱效率高、無運(yùn)動(dòng)部件、維護(hù)簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，特別適宜于中、低溫余熱回收。近年來，熱管鍋爐也越來越多地用于有色冶煉制酸系統(tǒng)，回收轉(zhuǎn)化后富余的煙氣熱量，加熱除鹽水來產(chǎn)生蒸汽供生產(chǎn)和生活使用，如金川集團(tuán)股份有限公司700 kt/a硫酸系統(tǒng)在轉(zhuǎn)化工序配套2臺(tái)熱管鍋爐余熱系統(tǒng)，進(jìn)行中溫位余熱回收擴(kuò)能改造，回收余熱蒸汽量達(dá)128 kt/a，同時(shí)改善了現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了制酸系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的[7]。

2 煙氣換熱器選型注意事項(xiàng)

煙氣換熱器選型時(shí)應(yīng)主要考慮傳熱效率、積灰和腐蝕問題，這往往也是煙氣換熱器選型之難點(diǎn)。

2.1 傳熱效率

與液-液換熱器不同，煙氣換熱過程傳熱效率較低，換熱器體積巨大，普遍造價(jià)高。煙氣與煙氣換熱過程中，因受兩側(cè)氣相熱阻控制，傳熱系數(shù)很低，這意味著同等熱負(fù)荷條件下，要求換熱器面積大，從而提高了換熱器制造和安裝的成本。提高煙氣換熱器的傳熱效率至關(guān)重要，傳統(tǒng)的管殼式換熱器一般采取強(qiáng)化傳熱措施，可將傳統(tǒng)管殼式換熱器的傳熱系數(shù)由6~8 W/(m2·K)提高到30 W/(m2·K)左右。對MGGH換熱器和熱管換熱器而言，則是將氣-氣換熱過程轉(zhuǎn)化為氣-液換熱過程，極大地提高了換熱效率。

2.2 積灰

工業(yè)煙氣含大量飛灰、煙塵，極易造成換熱器積灰。煙塵附于換熱管壁上，增加換熱器的污垢熱阻，降低總傳熱系數(shù)，從而降低換熱性能。數(shù)據(jù)表明：當(dāng)煙氣側(cè)積灰污垢熱阻由0升高到0.02 m2·K/W時(shí)，總傳熱系數(shù)由30.7 W/(m2·K)降低到19.0 W/(m2·K)，降低幅度達(dá)38.0%[8]。板式換熱器流道偏小，飛灰極易堵塞換熱器。若采用回轉(zhuǎn)式GGH換熱器，飛灰甚至能進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)部件，損壞換熱器。煙塵中若有較大顆粒，會(huì)嚴(yán)重沖刷金屬表面，造成金屬管壁的磨損。此外，部分粉塵還具有腐蝕性，附于換熱器表面時(shí)，會(huì)對換熱器造成腐蝕損害。

在換熱器設(shè)計(jì)和選型過程中，應(yīng)盡量合理設(shè)計(jì)換熱器結(jié)構(gòu)，保證流體均勻，使煙氣能對換熱面保持適度沖刷，實(shí)現(xiàn)自清潔。也可采用光滑的換熱面避免積灰，但換熱面光滑又不利于強(qiáng)化換熱。管殼式換熱器應(yīng)設(shè)置清灰門，換熱器底部設(shè)灰斗，方便定期清灰和排灰。同時(shí)設(shè)置吹灰設(shè)備，運(yùn)行中定時(shí)吹灰，減少積灰。

2.3 腐蝕

腐蝕是困擾煙氣換熱器選型的重要難題，換熱器材質(zhì)的選擇直接影響換熱器造價(jià)。煙氣對換熱器的腐蝕主要有露點(diǎn)腐蝕、氟氯腐蝕和積灰腐蝕。煙氣的腐蝕機(jī)理復(fù)雜，總體而言，水氣的飽和度對煙氣腐蝕性影響很大，煙氣中水氣飽和度越高，腐蝕性越強(qiáng)。

根據(jù)煙氣的特性條件，計(jì)算煙氣的露點(diǎn)對換熱器材質(zhì)的選擇至關(guān)重要。目前，常用于煙氣換熱的材質(zhì)主要有碳鋼、ND鋼、316L不銹鋼、2205雙相不銹鋼和氟塑料等。其中碳鋼適用于遠(yuǎn)高于煙氣露點(diǎn)的原煙氣，對碳鋼進(jìn)行適當(dāng)防腐有利于提高耐腐蝕性。ND鋼即09CrCuSb鋼，具有良好的耐露點(diǎn)腐蝕性能，還具有一定的耐氯離子腐蝕能力，廣泛應(yīng)用于燃煤鍋爐省煤器、空氣預(yù)熱器。316L和2205雙相不銹鋼材質(zhì)耐煙氣腐蝕性極好，但造價(jià)較為昂貴。早期也有采用不透性石墨的列管換熱器，但石墨管機(jī)械強(qiáng)度低，容易破裂，總傳熱效率低，現(xiàn)在已較少采用。

特別值得注意的是氟塑料換熱器，其采用改性聚四氟乙烯作為換熱管材質(zhì)，耐腐蝕性極強(qiáng)。鑒于聚四氟乙烯本身傳熱性能不佳，可采用薄壁、小直徑管來降低管壁熱阻，同時(shí)在單位體積內(nèi)安置較多的換熱面積。氟塑料還具有抗老化、自清灰的優(yōu)點(diǎn)，目前越來越多地應(yīng)用于燃煤電廠節(jié)能環(huán)保改造中[9]。

3 煙氣換熱器的選型示例

以某危險(xiǎn)廢物焚燒煙氣處理系統(tǒng)為例，煙氣在余熱利用后采用布袋收塵器—濕法脫硫—低溫SCR脫硝工藝流程，布袋收塵器出口煙氣的流量約為100 000 m3/h，煙氣溫度約為180 ℃，φ(H2O)為10.24%，ρ(SO2)為8 g/m3[干基，φ(O2)11%]，φ(SO3)為0.003 6%，φ(Cl)為0.081%。

煙氣先經(jīng)過MGGH-Ⅰ換熱器降溫至150 ℃后進(jìn)入脫硫塔，采用石灰石-石膏法脫硫工藝，脫硫塔出口煙氣溫度約為54 ℃，采用MGGH-Ⅱ換熱器將煙氣升溫至84 ℃進(jìn)入回轉(zhuǎn)式GGH換熱器，經(jīng)回轉(zhuǎn)式GGH換熱器升溫至180 ℃左右，采用熱風(fēng)爐補(bǔ)熱進(jìn)一步將煙氣升溫至210 ℃后進(jìn)低溫SCR反應(yīng)器脫硝，SCR反應(yīng)器出口的煙氣經(jīng)回轉(zhuǎn)式GGH換熱器最終降溫至110 ℃排放。煙氣處理系統(tǒng)工藝流程見圖3。

圖3 煙氣處理系統(tǒng)工藝流程

該工藝流程中用到2組換熱器，即MGGH換熱器和回轉(zhuǎn)式GGH換熱器。采用MGGH換熱器對煙氣進(jìn)行冷卻降溫的目的有2個(gè)：①降低脫硫煙氣的絕熱飽和溫度，有利于提高脫硫效率，減少脫硫塔出口煙氣的水含量；②升高進(jìn)入回轉(zhuǎn)式GGH換熱器的溫度，有利于減少回轉(zhuǎn)式GGH換熱器熱負(fù)荷，減少設(shè)備投資。

采用A.G.Okkes公式計(jì)算布袋除塵器出口煙氣的酸露點(diǎn)[10]，得到酸露點(diǎn)約為144.5 ℃。將煙氣溫度降低至150 ℃時(shí)，已基本達(dá)到酸露點(diǎn)，需要特別注意煙氣的露點(diǎn)腐蝕問題，此外煙氣中還存在Cl-。因此，最終采用氟塑料作為MGGH換熱器的主要材質(zhì)，其相較于合金鋼價(jià)格較低，耐腐蝕性良好，氟塑料換熱器能在200 ℃條件下穩(wěn)定工作，且適用于含塵煙氣的處理。

對于回轉(zhuǎn)式GGH換熱器，如果此處改用傳統(tǒng)的管殼式換熱器對煙氣進(jìn)行升溫，則計(jì)算換熱面積高達(dá)4 000 m2，顯然不可取。同時(shí)，由于濕法脫硫塔脫除SO3效率非常有限，煙氣露點(diǎn)腐蝕和殘余Cl-的腐蝕依然嚴(yán)重，若采用管殼式或板式換熱器，會(huì)面臨材質(zhì)選擇的難題。因此，最終采用回轉(zhuǎn)式GGH換熱器，蓄熱體采用外襯結(jié)構(gòu)，可有效防止煙氣腐蝕。對SCR反應(yīng)器出口煙氣導(dǎo)致的硫酸氫銨腐蝕和堵塞問題，則通過高壓水對換熱器內(nèi)的蓄熱體定期沖洗來解決。

以上工藝流程及換熱器的選擇均已在項(xiàng)目中得到應(yīng)用，實(shí)際運(yùn)行情況良好，充分證實(shí)了換熱方案的可行性。

4 結(jié)語

由于存在工藝和熱量回收的需求，煙氣換熱器在煙氣處理過程中起著非常重要的作用。煙氣換熱器類型很多，每種型式的煙氣換熱器均有優(yōu)缺點(diǎn)及特定的應(yīng)用范圍。換熱器選型時(shí)需結(jié)合傳熱效率、積灰和腐蝕問題綜合考慮，比較各換熱器的投資和運(yùn)行維護(hù)成本，才能確定最優(yōu)的換熱器。