新型高效除塵大折流擋板余熱鍋爐在高塵泥煙氣余熱回收中的應(yīng)用

崔展博 岳悅

摘 ?????要： 在鍋爐發(fā)展的過程中，如何降低高塵泥煙氣的排煙溫度，進行余熱回收是一個難題。因為能源緊張，冶金、石油行業(yè)的煙氣余熱回收一直是中國節(jié)能減排的重中之重，煙氣中細小的懸浮金屬化合物不但對設(shè)備造成侵蝕從而降低工作效率，還對環(huán)境造成了污染。針對煙氣微小顆粒的流動及鍋爐效率低，采用分析的方法找到鍋爐效率低的關(guān)鍵點，并采取措施。研究發(fā)現(xiàn)，煙氣中的塵泥附著在管道影響傳熱效率是造成鍋爐整體效率低的主要問題，為沉降塵泥在鍋爐交錯式安裝折流擋板，其結(jié)合脈沖除塵裝置產(chǎn)生較好的效果，煙氣通過折流擋板的往復(fù)流動增強湍流作用，更加有效沉降塵泥，更有利于煙氣余熱回收。安裝的折流擋板沉降了大量的塵泥，增強了傳熱，脈沖裝置的配合使用更加有效地提高了鍋爐熱效率。

關(guān) ?鍵 ?詞：熱能回收利用；超聲波除垢；新式鍋爐

中圖分類號：TK11+5 ??????文獻標(biāo)識碼： A ?????文章編號： 1004-0935（2024）05-0754-04

我們國家能源發(fā)展的現(xiàn)狀并不是特別的樂觀，因為我們國家人口較多，所以說每一個人平均到的資源并不是很多，甚至可以說是比較低的水平，在整個世界上來說要遠遠地落后于發(fā)達國家。除了這方面的原因之外，能源分布的地區(qū)不均衡也是一個重要的因素，另外一方面，在進行能源開發(fā)的過程中難度是比較大的，因為根據(jù)地質(zhì)專家的探測，如果我們國家想要開發(fā)煤炭的話，就必須在一些條件比較差的地方施工，大多數(shù)都需要打井進行相應(yīng)的開采活動，不可以直接在露天的地方進行開采。

近20年來世界能源總體上形成了煤炭、石油、天然氣三分天下，清潔能源快速發(fā)展的新格局。全球化石能源雖然儲量大，但隨著工業(yè)革命以來數(shù)百年的大規(guī)模開發(fā)利用，正面臨著資源枯竭、污染排放嚴(yán)重等現(xiàn)實問題，而新能源的使用卻仍然處于發(fā)展周期的成長期，還不具備完全取代化石能源的能力。化石能源在冶金行業(yè)中扮演著不能替代的作用。冶金行業(yè)屬于高耗能型行業(yè)，其耗能占全國耗能的10%左右，占工業(yè)部門耗能的15%左右，能源費用占生產(chǎn)總成本的20%～30%，能源生產(chǎn)的增長速度已經(jīng)難以適應(yīng)國民經(jīng)濟發(fā)展的要求，能源價格的上升和波動對冶金行業(yè)的生存和發(fā)展造成了挑戰(zhàn)，節(jié)能降耗已經(jīng)成為冶金行業(yè)長期的戰(zhàn)略目標(biāo)，冶金行業(yè)煙氣余熱利用勢在必行。

為了回收煙氣能源、減少經(jīng)濟損失和環(huán)境破壞，本文設(shè)計了一種新型的可有效利用煙氣熱量并解決塵泥問題的余熱鍋爐。該鍋爐具有以下創(chuàng)新點：其一引入具有沉降室作用的上下交替的大型折流擋板，使煙氣中的塵粒借助重力作用利用慣性自然沉降，完成對煙氣的凈化；其二安裝超聲波除塵設(shè)備，通過高頻率振動，將吸附在換熱設(shè)備上的泥垢碎屑振落，達到除塵作用。

在石油冶金行業(yè)中，燃料經(jīng)燃燒后產(chǎn)生具有的NO_x、SO₂、CO₂、CO和剩余氧氣等的高灰塵高油污廢氣通過煙筒外排，在排放的同時會攜帶大量熱量，如此最終形成煙氣。煙氣本身是氣體和煙塵的混合物，是污染居民區(qū)大氣的主要原因。煙氣的成分很復(fù)雜，氣體中包括水蒸氣、SO₂、N₂、O₂、CO、CO₂碳氫化合物以及氮氧化合物等，煙塵包括燃料的灰分、煤粒、油滴以及高溫裂解產(chǎn)物等。因此煙氣對環(huán)境的污染是多種毒物的復(fù)合污染。煙塵對人體的危害性與顆粒的大小有關(guān)，對人體產(chǎn)生危害的多是直徑小于10?μm的飄塵，尤其以1～2.5?μm的飄塵危害性最大。

煙氣中含有大量粉塵和熱量，如果直接將煙氣排放，將給環(huán)境造成巨大影響，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境；而如果將煙氣加以利用又會面臨煙氣中的粉塵大量附著鍋爐設(shè)備，不僅影響后續(xù)對于煙氣余熱的回收利用，還會腐蝕設(shè)備，大大減少鍋爐設(shè)備的使用壽命，頻繁更換修理設(shè)備也會帶來大量的經(jīng)濟人力??損失。

換熱過程中積灰問題一直以來都是令鍋爐運維人員頭疼并需解決的問題。我國常采用的吹灰除塵技術(shù)有蒸汽吹灰、瓦斯激波除塵、振動除塵、聲波除塵等。這些方式對于一些松散的積灰層效果明顯。可是對于堿金屬含量較高的高黏性煙氣除灰效果不理想。當(dāng)鍋爐受熱面積灰嚴(yán)重時必須停爐用高壓空氣或者高壓水進行除灰，給生產(chǎn)帶來極大的不便。

1 ?新型余熱鍋爐

1.1 ?新型余熱鍋爐

新型余熱鍋爐是本實驗針對煙氣回收利用處理，在原來老式余熱鍋爐的基礎(chǔ)上設(shè)計研究的一種高效煙氣余熱回收利用的設(shè)備，在鍋爐爐膛中設(shè)計安裝了具有沉降室作用的交錯式大型折流擋板和超聲波除塵設(shè)備，并采用立式鍋爐的結(jié)構(gòu)，在大幅減少占地面積的同時達到新式鍋爐的工作效果。在工作時，大折流擋板通過改變煙氣流動方向利用慣性和重力作用有效沉降沉泥，增加湍流，增加傳熱效果。與此同時，超聲波除塵設(shè)備通過釋放高于?????20?000?Hz的聲波去除附著于設(shè)備管道的黏性沉泥，確保煙氣余熱的有效利用。鍋爐架構(gòu)如圖1所示。

1.2 ?新型余熱鍋爐的折流擋板具有沉降室作用

新式鍋爐創(chuàng)新點其一是在余熱鍋爐中設(shè)置了大型折流擋板，使余熱鍋爐可以對煙氣二次沉降。此設(shè)計一方面減少了占地面積，使原本沉降室與爐膛2個設(shè)備轉(zhuǎn)變成1個具有沉降室作用的新式余熱鍋爐；另一方面，使煙氣通過余熱鍋爐上端的煙氣入口進入，遇到新式鋸齒形折流擋板后向下運行，在余熱鍋爐底部通過重力和慣性的作用沉降出粉塵，在折流擋板底部煙氣發(fā)生折流向上流動，在向上流動的過程中由于重力作用在余熱鍋爐中完成二次沉降，如此可以最大效率沉降出煙氣中的粉塵，經(jīng)過折流擋板沉降并在余熱鍋爐中完成二次沉降的煙氣最終會通過余熱鍋爐水平煙道流走，流向后續(xù)設(shè)備。

本項目獨特的折流擋板使煙氣可以在余熱鍋爐中完成二次沉降。二次沉降在除塵余熱回收利用中的優(yōu)勢為：其可以更加完全地使煙氣中可燃物燃燒充分，更有效率地降低排氣中的CO等。這種具有二次沉降功能的余熱鍋爐中的折流擋板創(chuàng)新設(shè)計能更顯著促使粉塵顆粒受慣性與重力作用影響而沉降，除塵效果顯著。

1.3 ?折流擋板在傳熱過程中作用

從傳熱方面來講，新型余熱鍋爐在達到對煙氣粉塵二次沉降效果的同時，還會增加余熱鍋爐內(nèi)部傳熱效果。

在煙氣從煙氣入口進入余熱鍋爐內(nèi)部后，煙氣在原本流動方向上會遇到第一個折流擋板后會改變原有的流動方向折流向下流動，到達底部后會再次改變流動方向折流運動，在遇到其他折流擋板后會重復(fù)上述過程。在余熱鍋爐內(nèi)部，煙氣重復(fù)通過爐膛內(nèi)部所設(shè)折流擋板，達到增強湍流和管間流速的效果，并在此過程中增加了煙氣在余熱鍋爐內(nèi)部停留的時間，增加了換熱器與煙氣所接觸的時間，使得換熱器可以更加長時間地與高熱煙氣換熱。

增加煙氣在余熱鍋爐中的停留時間，可以減少熱量在設(shè)備管道上的熱量散失，增強了傳熱效果，提高了傳熱效率，提高了煙氣余熱的利用。

1.4 ?采用超聲波除塵技術(shù)的創(chuàng)新性

在煙氣余熱利用過程中，利用超聲波處理附著于換熱器管道表面的黏性塵泥是本研究的創(chuàng)新點。本項目首次將大功率長脈沖變頻超聲波應(yīng)用于高黏性熱源余熱鍋爐，同時配備合理高效的輔助除灰系統(tǒng)，使成垢物質(zhì)物理形態(tài)和化學(xué)性能發(fā)生變化，使其分散、粉碎、松散，從管壁脫落。超聲波除垢設(shè)備主要由大功率超聲波發(fā)生器、換能器和信號傳輸線組成，將電能轉(zhuǎn)化為機械能，將機械能轉(zhuǎn)化為聲能，即利用大功率長脈沖多峰值20?kHz變頻移相超聲波借助波動方式進行傳播的振動，擊落附著于換熱器表面的塵泥。新式余熱鍋爐內(nèi)部安裝超聲波除垢設(shè)備，針對高溫對流受熱面的除垢。超聲波在爐膛內(nèi)部傳播的過程可以看成振動的傳播，該設(shè)備使用高于20?kHz的聲波，高頻率振動除垢。因為超聲波有著極強的穿透能力，因此在傳播過程不會發(fā)生明顯的衰減現(xiàn)象，能夠更加有效地去除爐膛內(nèi)部積灰以及換熱器表面積灰。

應(yīng)用超聲波除垢設(shè)備的優(yōu)點如下：達到除垢防垢同步；除垢和防垢的效果明顯；清潔環(huán)保，在使用過程中無需使用任何化學(xué)試劑，達到零腐蝕、零干擾、零污染、零輻射效果；實現(xiàn)邊工作邊防垢除垢，無需停產(chǎn)；結(jié)構(gòu)小，質(zhì)量輕，使用壽命長；投入功率小，運行費用低。

2???結(jié)束語

在目前的石油、冶金行業(yè)中，溫度高于1?000?℃的高溫?zé)熡酂嵴伎偀煔庥酂岬?2%，溫度在600?℃和低于600?℃的煙氣余熱分別占總煙氣余熱的26%和22%，煙氣溫度越高帶走的熱量越高，盡可能高效地回收煙氣余熱是提高鍋爐效率的必要措施，而在目前阻礙煙氣余熱回收的原因主要如下：燃料燃燒后，鍋爐產(chǎn)生的煙氣中SO₂等腐蝕性氣體較多，并且大部分的煙氣溫度很高，因此煙氣容易對換熱設(shè)備造成高溫或低溫腐蝕，同時煙氣中含塵量大，同樣也阻礙余熱回收。

2018年石油煉化行業(yè)CO₂排放量為1.3?Gt，在2020—2030年間甚至可能達到16.5?Gt。2020年我國鋼鐵行業(yè)CO₂排放量約為57.4萬t，氫氧化物排放量111.4萬t，顆粒物排放量89.7萬t。2019年底我國鋼鐵行業(yè)大氣治理設(shè)備總數(shù)為2.08萬套，年運行費用為538.21億元，2020年我國鋼鐵行業(yè)大氣治理設(shè)備總數(shù)約為2.21萬套，年運行費用約為??579.68億元。

新型余熱鍋爐的引入可以從根本上解決煙氣余熱回收困難的問題，在煙氣沉泥方面由于具有沉降室作用的大型折流擋板可以有效沉降塵泥，而超大脈沖的超聲波除垢裝置可以有效地去除附著于換熱管上的泥垢，避免了泥垢對管路造成的腐蝕。新型余熱鍋爐還可以有效回收利用石油冶金行業(yè)塵泥處理過程中排放的煙氣的熱量，并將該部分熱量實現(xiàn)梯級回收利用，減少熱量的損失，達到節(jié)約能源的目標(biāo)。首先用高溫?zé)煔庠谛滦陀酂徨仩t內(nèi)加熱給水產(chǎn)生用戶需求的高品質(zhì)蒸汽用于動力輸出自發(fā)電。然后再將中低溫?zé)煔饧訜峥諝猓罡呖蓪⒖諝饧訜岬?00?℃。最后通過除灰技術(shù)將煙氣中的金屬氧化物回收，為后續(xù)金屬回收工藝提供原材料。在冶金工藝生產(chǎn)使用新型余熱鍋爐每年可以減排約1.3?Gt煙氣排放，約160萬t氫氧化物排放，減少經(jīng)濟投入約500億元，節(jié)約治理大氣設(shè)備約2萬套。

新型余熱鍋爐設(shè)備在冶金工藝中的應(yīng)用可以有效減少經(jīng)濟支出，減少大量人力投入，在保護環(huán)境方面也發(fā)揮著重要作用。這一新型設(shè)備的投入，可保證整體設(shè)備的工作生產(chǎn)。

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（下轉(zhuǎn)第760頁）

Application of New High-efficiency Dust Removal Large Baffle Waste Heat Boiler in Waste Heat Recovery of Flue Gas With High Dust Mud Content

CUI Zhanbo， YUE Yue

（Liaoning Petrochemical University， Fushun Liaoning 113001， China）

Abstract：??In the process of boiler development， how to reduce the exhaust temperature of high dust and sludge flue gas and carry out waste heat recovery is a difficult problem. Because of the energy shortage， the waste heat recovery of flue gas in the metallurgical and petroleum industry has always been the top priority of energy conservation and emission reduction in China. The fine suspended metal compounds in the flue gas not only cause erosion to the equipment and reduce the working efficiency， but also cause pollution to the environment. In view of the flow of small particles in flue gas and the low efficiency of the boiler， the analysis method was adopted to find the key points of the low efficiency of the boiler and take measures. The study found that the dust and sludge in the flue gas adhered to the pipe and affected the heat transfer efficiency was the main problem that caused the overall efficiency of the boiler to be low. In order to settle the dust and sludge in the boiler， staggered baffles were installed and combined with the pulse dust removal device to produce the better effect. The reciprocating flow of the flue gas through the baffles enhanced the turbulence effect， which was more effective in settling the dust and sludge， and was more conducive to the recovery of waste heat from the flue gas. The installed baffle settled a large amount of dust and mud， also enhanced the heat transfer. The use of pulse device could effectively improve the thermal efficiency of the boiler.

Key words：?Heat energy recovery and utilization; Ultrasonic descaling;?New-style boile

收稿日期： 2022-11-03

作者簡介： 崔展博（2000-），女，滿族，在校學(xué)生。

通信作者： 岳??悅（1981-），女，講師，碩士，研究方向：熱能能源與動力。