两相流换热器回收锅炉排烟余热的运用分析

[摘 要]为解决循环流化床锅炉排烟温度过高的问题，通过技术方案论证选择了两相流换热器回收排烟余热，用来加热一次风，经过1#炉改造验证，取得了良好的炉效提升效果，降低了生产成本，获得改进完善的数据。

[关键词]两相流；余热回收；改造

中图分类号：TK115 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）36-0327-02

一、背景说明

中粮涂山热电有5台130t/h循环流化床锅炉，排烟温度平均155℃，扣除20℃的安全裕度后，距烟气露点（97℃）仍有35℃以上温差的余热可以利用；作为热电企业，象这样较低品质的余热量大、点多、面广，回收利用有一定的难度。如果能有效利用，显然可以提高全厂热效率，降低生产成本。

通过对热力系统的排查，与上述低温烟气有直接传热温差的大容量介质只有锅炉的一、二次风。一、二次风设计温度为20℃，通过锅炉原有空气预热器加热到160℃后送入炉膛，如果利用较低温度的空气吸收较高温度烟气中的余热，然后进入空气预热器再进一步加热，从而提高了助燃空气温度，应该可以提高锅炉效率，达到节能、降低成本的目的。

二、方案的选择

对这种低温气体，成熟的换热技术可以给我们提供几个改造方案：外置式空气预热器、热管换热器、两相流水热媒换热。选择的原则是低投资高效率，满足现有场地条件，系统简单可靠。

1、外置式空气预热器

一般锅炉空气预热器是在锅炉尾部采取管程空气、壳程烟气的直接换热方式，结构简单、无传热损失；体积大；但磨损严重、不适合过低温度（结露问题）。在现有锅炉上增加已经没有空间，只能采取外置式，修改烟道和一、二次风道，使一次风或二次风经过外置空预器被加热后，再进入炉本体的空预器继续加热。而同时，烟道中的烟气会继续降温放热。

根据涂山热电厂的现场条件和烟气参数，存在的主要困难是：由于采取气相与气相的换热模式，换热器的体积巨大，无处放置；空气进入端的壁温较低，完全可能低于露点，造成腐蚀损坏；异地外置换热造成空气的阻力增加，耗电也会增加。降低了节能效果。

2、热管换热器

热管换热器是由若干根热管组装起来放在箱体里，热管的两端密封，内部抽真空后充入工质的管子。当其一端（热端）受热时，工质吸热蒸发并自然上升到另一端（冷端），当工质的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，不停循环而完成热量传递。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。

锅炉上经常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。热管空气预热器具有体积小、质量轻、效率高、传热温差小的优点。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、不能随负荷变化调节的缺点。

3、两相流水热媒换热器

汲取了热管换热器的优点，把热管的受热段和冷凝段分开，换热管的受热段（烟气放热）和冷凝段（空气吸热）各成自独立模块。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，就构成了一套两相流换热装置。

两相流换热管均用带鳍片的钢管做成，受热段的加热管和冷凝段的冷却管分别垂直布置组成一排，其上、下两端分别连接在上下集管上而成为一个整体。组合的受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。在受热段中充入一定量工质（通常为水），当热流体通过组合加热段时，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，当管外有低温流体通过时，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行循环（如图1）。

与其他类型对比，两相流水热媒空气预热器具备如下优点：

A、水的沸腾和凝结的传热效率最高。

B、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，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；又使受热端不会发生烟气酸露点腐蚀和传热元件的积灰、积垢问题。

C、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。

D、两相流空气预热器传热速率高、体积小、重量轻、不需要热载体循环泵、管内操作压力低、系统复杂和应用范围小的缺点。

经过比选，最终采用两相流水热媒空气预热器加热锅炉一次风，利用锅炉烟气余热可将13×104Nm3/h的20℃冷空气加热为54℃热空气，降低锅炉燃煤耗量，每台炉回收热功率6740Mj，提高锅炉效率1.5%，在1#-5#炉（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可回收热量置换到一次风中。

三、完善和检测

经过2个月的施工，2012年8月1#炉尾部增加的两相流水热媒空气预热器装置投入试运行。期间出现局部明显积灰现象，进行了吹灰装置改装；为加强工质流动控制而调整了测温元件布置后，系统运行各项参数均已稳定。为了验证设计方案和核算改造效果。委托了权威的专业的能源测试机构进行了系统能效测试。

按照年回收热量折算为标煤，再扣除项目增加的运行电耗。计算方法如下：

En=[（h1-h2）*Q /7000 -0.3*q] *H/1000

h1：改造前空气预热器出口烟气焓值，Kcal/Nm3。

h2：改造后烟气两相流换热器出口烟气焓值，Kcal/Nm3

Q：烟气总量，Nm3/h。

H：年运行小时数，h/a。

q：同等状况下技改前后的实际消耗电功率差，Kw

检测单位采取了反平衡法，分别得出锅炉100%负荷和80%负荷得余热回收量（如表1）。

从报告结论可以看到，排烟温度下降了28℃，锅炉效率提高了1.55%，单台炉一年按运行5300小时计算，可以节约标准煤1336.2吨；按照标准6500小时/年计算，达到1638.7吨/年。标煤单价800元/吨，价值131.1万元/年。

四、结论和建议

综上所述，两相流水热媒换热器是锅炉排烟余热利用的新的高效形式，可以显著降低锅炉排烟温度，而不会对锅炉的带负荷能力、主蒸汽温度、主蒸汽压力、炉膛床温造成负面影响。

从反平衡测试数据可以发现，排烟温度132.9℃，烟气热损失Q2占全部热损失的69.12%（见图2），要想继续提高锅炉热效率，还可以继续降低排烟温度，综合考虑经济性和露点腐蚀，排烟温度最低可以降到110℃，锅炉效率还可以提高1.5%左右。也就是说，后续2-5#的两相流水热媒换热器的换热面积可以比1#加大60%--80%，提高余热回收能力，实现改造收益的最大化。

参考文献

[1] 岑可法.《循环流化床锅炉理论设计和运行》，北京.中国电力出版社，1998.

[2] 宋亚非.《各种换热器的原理及其应用》.河南科技，2010.11.