回收中的两相流换热器在锅炉烟气余热应用

摘要：涂山热电厂1#炉尾部烟道（130t/h）烟道增加一组两相流烟气换热器，在一次风道增加一组两相流空气换热器，利用两相流换热器将烟气中的热量置换到一次风中,改造完成后利用锅炉烟气可将12万Nm3/h的20℃冷空气加热为54℃热空气，减少锅炉燃煤量，提高锅炉效率约1.5%,年节约标煤1336吨。

关键词：两相流换热器、烟气余热回收、一次风预热改造。

中图分类号：TK229文献标识码： A

引言

涂山热电5X130t/h循环流化床锅炉经2008年在锅炉本体空间范围内对省煤器改造之后，排烟温度从180-198℃降低到平均149-158℃，扣除20℃的安全裕度后，距烟气露点（97℃）仍有30-39℃温差的余热可以利用；锅炉的一二次风均从空气中取，设计温度为20℃，通过锅炉原有空气预热器加热后送入炉膛，可以利用较低温度的空气吸收较高温度烟气中的余热来进一步提高锅炉效率，达到节能、降低成本的目的。

几种换热器在低温烟气余热回收中的应用比较

2.1热管和热管换热器

热管是一根两端密封，内部抽真空并充有工质的管子。其一端（热端）被加热时，工质吸热蒸发并流向另一端（冷端），在那里将热量释放给管外的冷介质而冷凝，冷凝液流回热端，再吸热蒸发，如此循环，完成热量传递。由于汽化潜热大，所以在一定的温差下能把大量的热量从管子的一端迅速传至另一端。

若干根热管组装起来放在箱体里，就成了热管换热器。根据使用条件的不同，一般有液-气和气-气式换热器。锅炉上广泛使用的热管式空气预热器属于气-气式换热器。热管在烟气侧吸热，工质蒸发，到空气侧放热，工质冷凝。由于是利用水的相变换热，所以热管空气预热器具有体积小、质量轻、效率高、传热温差小等优点。

但热管空气预热器在烟气低温段易腐蚀，高温段易爆管、长周期运行会产生不凝气使换热管失效、不能调节等缺点。

2.2水热媒空气预热器

水热媒空预器主要由一台水热媒烟气换热器、一台水热媒空气换热器、二台热水循环泵（一开一备）及相应的循环水管道等组成，利用装置内现有除氧水作为热媒―中间热载体，建立一个闭式循环系统，吸收加热炉排放的烟气中的余热，加热助燃空气。为了防止水热媒烟气换热器发生低温酸露点腐蚀，在水热媒空气换热器热媒水进、出口之间设置了一套自动/手动旁通调节阀，用于控制水热媒空气换热器的进水量也即控制换热量，保证进水热媒烟气换热器热媒水的温度始终高于露点温度，也就是说使水热媒烟气换热器的最低壁温高于酸露点。

水热媒空气预热器的最大特点是能调节低温烟气换热器的壁温，使其在露点温度以上，从而避免露点腐蚀。由于水热媒烟气换热器和空气换热器分开，布置灵活且无内漏风。但系统复杂、换热器体积大、重量重、且需要水泵强制循环需要耗能。

2.3两相流水热媒换热系统

两相流水热媒换热系统原理见上图。其加热段和冷凝段分开，上升管和下降管分别连通烟气放热和空气吸热两个工作段形成工质的闭合循环回路。换热管的加热段（烟气放热部分）和冷凝段（空气吸热部分）各成自独立。各部分的换热管由若干带翅片的钢管做成，加热段的加热管和冷凝段的冷却管各自垂直并立布置组成一排，其上、下两端分别连接在上下集管上而成为一个整体。组合的加热段和组合的冷凝段又通过上升管和下降管联系在一起成为一台换热器的一个独立的组成部分。在加热段中充入一定量工质，当热流体掠过组合加热段时，各加热管内的工质吸热蒸发，蒸汽在上集箱汇集后经上升管到达组合冷却段的上集箱。然后，蒸汽自行分配到各冷却管内，当管外有低温流体掠过时，低温流体吸收管内工质释放的热量被加热，管内的工质蒸汽放热后凝结于管子的内壁。冷凝液在重力作用下汇集于组合冷却段的下集箱。凝结液的回流驱动力是因为凝结段高位布置造成液位差，又因为汽、液两者存在着密度差而使得系统能够完成自循环。

两相流水热媒空气预热器（ZY-II型）具备如下优点。

利用了水的沸腾吸热和凝结放热这两项自然界传热效率最高的物性。

充分利用了热载体闭路循环系统调节灵活，适应性强的优点；根据加热炉热负荷增减、燃料性质不同、环境温度变化，通过调节热载体换热量，及时调节加热炉排烟温度，始终把加热管壁温控制在烟气露点温度以上。

锅炉排烟温度和两相流空气预热器热媒体循环量组成一个控制调节回路，选择热媒体循环量为调节对象条，利用热电偶测定锅炉排烟温度。温度调节器(或手动)根据排烟温度调节热媒体循环量，始终把排烟温度控制在高于烟气露点温度15℃，使锅炉获得最高热效率；又使空气预热器不会发生烟气酸露点腐蚀和传热元件严重积灰、积垢问题。

“两相流空气预热器”和“热管空气预热器”都是利用传热介质沸腾吸热和凝结放热机理开发的利用烟气余热间接预热空气的设备。但“两相流空气预热器”克服了“热管空气预热器”负荷不能主动调节、每年有10%―30%热管传热功能失效和空气泄露率较高（2%）的缺点。

“两相流空气预热器”和“水热媒空气预热器”都具有负荷调节灵活，适应性强等优点，但“两相流空气预热器”的传热机理与“水热媒空气预热器”完全不同，且传热速率高、体积小、重量轻、不需要热载体循环泵、克服了“水热媒空气预热器”辅助能耗高、管内操作压力高、系统复杂和应用范围小的缺点。

ZY-II型型空气预热器具有负荷调节灵活，体积小、重量轻、效率高、不需热载体循环泵、空气零泄露、适应性强，操作平稳，运行可靠的技术特点。

3、现场实施的改造技术方案

根据现场条件，对烟气余热回收系统作如下改造：

在锅炉二层平台的水平烟道开口，加装两相流烟气两相流换热器。其余的烟道不动,经余热回收后的烟气通过原有的除尘装置和引风机排入烟囱。

在原有的风道开口，加装两相流空气换热器。通过鼓风机强制送风到空预器，经空预器加热后，将热空气送到炉子内部参与燃烧，节省燃料费用。

在两相流烟气换热器上加装激波吹灰器。

3.1两相流烟气换热器

烟气换热器为模块箱体结构，考虑到安装、检修方便，可分为几个模块（根据现场情况而定）。换热管为立式翅片管结构，错列布置。为了保证设备焊接质量，便于现场安装，烟气换热器设计成一整体箱式结构，所有承压元件焊接、固定、组装均在制造厂内完成，100％焊缝探伤。承压部件的所有焊缝均安排在夹层内，检查、维修时只需打开由外护板组成的检修门即可，十分方便。设备本体采用内保温。

为保证因放气抽真空和泄露带来充液量的减少得到补充，在每个模块设置阀门和支管与补水母管连接。便于及时补充水。

同时，烟气换热器的上升管路上还设一安全阀，当热媒水压力高于设定值时，安全阀自动起跳，以确保在锅炉异常工况下设备的安全。

烟气换热器本体外形尺寸长宽高为：2500X1500X3000，烟气换热器的性能参数见表一。

表一烟气换热器性能参数

3.2两相流空气换热器

空气换热器采用立式翅片管结构，错列布置，为一整体箱式结构，也可根据需要分为几级，所有焊缝、固定、组装均在制造厂内完成，100％焊缝探伤。承压部件的所有焊缝均安排在夹层内，检查、维修时只需打开由外护板组成的检修门即可，十分方便。设备本体采用内保温。

在空气换热器的顶部，每个模块均设置放气阀（DN15），便于在线放气抽真空，可单独对每个模块操作。在最后一个模块设置一注气阀（对应烟气换热器的低温段、接装置仪表风），用于调节换热量，亦即调节烟气换热器的最低壁温，使其在露点温度以上。从而避开露点腐蚀。

空气换热器本体外形尺寸（长宽高）2500X1500X2000，空气换热器性能参数见表二。

表二空气换热器性能参数

4、结论

经过节能测试，1#炉100%负荷情况下，全年运行小时数按5300小时计算，锅炉效率提升1.54%，可节约标煤1336吨/年。换热器壁温可控，没有发生明显低温腐蚀现象，使用较为稳定，运行维护费用较低，值得推广使用。

参考文献：

1、锅炉设计说明书SG130/3.82-M247；

2、朱冬生.换热器技术及进展.北京.中国石油化工出版社2008。