用板式換熱器回收鍋爐出口爐氣熱量及低溫位熱能利用的熱力學分析

發(fā)布時間：2010-1-12 瀏覽：3274

      硫酸生產(chǎn)廢熱鍋爐出口爐氣溫度一般為350～400℃，或電除塵出口爐氣溫度320℃左右。這部分爐氣熱量的回收利用一直為硫酸工作者所關(guān)注。但要回收這部分熱量有2個問題需解決：一是防止三氧化硫的冷凝；二是煙塵對傳熱設(shè)備的影響。這2個問題一直阻礙著去涉及這一領(lǐng)域，筆者也一直思考如何回收利用這部分熱量。這部分熱量如果能利用，不但增加蒸汽產(chǎn)量，而且減輕凈化負荷。2007年中明(湛江)化機工程有限公司在400 t／d硫酸裝置的鍋爐出口安裝了1臺板式換熱器用于預熱進沸騰爐的空氣，將空氣從40℃預熱到130℃，回收的熱量可多產(chǎn)蒸汽1.1～1.20 t／h，即9 000 t／a左右，增加蒸汽產(chǎn)量約5%，而投資僅30萬元左右(包括管道和保溫)，取得較好的經(jīng)濟效益，同時較好地解決了三氧化硫冷凝和煙塵堵塞的問題。

　　1.用板式換熱器回收鍋爐出口爐氣熱量預熱空氣

　　1.1需注意解決的問題

　　1)提高爐氣側(cè)壁溫，防止三氧化硫冷凝。三氧化硫露點，其本質(zhì)為三氧化硫與水汽結(jié)合成硫酸蒸氣而冷凝成一定濃度的硫酸。在爐氣的條件下，如果冷凝成硫酸其w(H2SO4)一般為90%左右，對普通鋼材的腐蝕較為嚴重，所以無論是省煤器還是換熱器都需避免爐氣中三氧化硫冷凝。

　　三氧化硫的露點溫度與爐氣中的三氧化硫濃度和水蒸氣含量有關(guān)。爐氣中三氧化硫濃度與焙燒條件有關(guān)。對于硫鐵礦焙燒而言，爐氣中的三氧化硫濃度主要與塵的顏色有關(guān)，塵色從黑色到棕黑色間(SO3)為0.05%～0.13%，其分壓為50～130Pa。

　　水蒸氣含量與空氣的含水和礦的含水有關(guān)：若空氣溫度按30℃，相對濕度按80%計算；礦的含水主要是塊礦和尾砂的區(qū)別，含水按1.0%～6%計算。由此，可計算爐氣中水蒸氣分壓為4 000～9 000 Pa，在三氧化硫露點圖上查得三氧化硫露點溫度為190～220℃。當然在三氧化硫露點圖上查得的露點溫度只能作參考。根據(jù)有的廠低壓鍋爐使用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，壓力0.8 MPa(表壓)的蒸汽溫度為175℃，管壁溫度應在185℃左右，這樣的低壓鍋爐只要結(jié)構(gòu)合理也能用4～5年。但在實際設(shè)計“板換”時應設(shè)法使爐氣側(cè)的壁溫≥200℃，較為安全。

　　如何能提高爐氣二氧化硫側(cè)的壁溫呢？這就要從換熱器的設(shè)計中解決。假如，爐氣進板式換熱器的溫度為320℃，出口溫度為250℃，空氣進口溫度為30℃。如果按正常的設(shè)計爐氣和空氣為逆流，那么低溫端壁溫的平均溫度只有(250＋30)／2＝140℃，這樣做不到使爐氣側(cè)壁溫≥200℃。因此，在設(shè)計時采用爐氣和空氣并流的方式以提高空氣進口端爐氣側(cè)的壁溫，這樣平均壁溫(320＋30)／2＝175℃，比逆流設(shè)計提高了35℃，但還是＜200℃，使用仍然不安全。所以在設(shè)計“板換”時，需使爐氣側(cè)的給熱系數(shù)大于空氣側(cè)的給熱系數(shù)，以提高爐氣側(cè)壁溫。

　　設(shè)空氣側(cè)給熱系數(shù)為α，爐氣側(cè)給熱系數(shù)為1.5α，并設(shè)壁溫為t。如果不考慮鋼板的熱阻和污垢影響，在進口端則有：(t-30)α＝(320-t)1.5α，得t＝204℃；在出口端，按熱平衡計算空氣溫度約為130℃，則有：(t-130)α＝(250-t)1.5α，得t＝202℃。如果實際操作中空氣溫度＜130℃，可以在空氣側(cè)裝副線，使板式換熱器空氣出口溫度≥130℃。

　　以上數(shù)據(jù)說明，采用空氣和爐氣并流操作，以及設(shè)計“板換”爐氣側(cè)的給熱系數(shù)大于空氣側(cè)的給熱系數(shù)，可以使爐氣側(cè)壁溫高于三氧化硫的露點溫度。

　　在特殊情況下，例如北方冬天鼓風機出口空氣溫度可能只有0℃，甚至低于0℃該怎么辦？可以設(shè)計一個用低壓蒸汽加熱的空氣預熱器，先將空氣預熱到30～40℃，然后再進板式換熱器加熱，則可確保板式換熱器爐氣側(cè)壁溫高于三氧化硫露點溫度。

　　2)防止爐氣中的塵粘附在板壁上造成堵塞。

　　利用鍋爐出口或電除塵出口爐氣余熱，必須考慮塵對換熱器的影響。用板式換熱器可以較好地解決這一問題，因為帶塵氣體是自上而下流動，塵也隨氣流而運動。且塵還有一個重力作用，所以只要不產(chǎn)生冷凝酸，塵就不容易粘附在板壁上。在設(shè)計時氣體流道還裝有加強氣體湍流的裝置，使塵不易附在壁上。

　　1.2用板式換熱器回收爐氣熱量的效果板式換熱器參數(shù)：

　　硫酸產(chǎn)量17.0 t／h

　　爐氣含塵30 g／m3(標態(tài))

　　爐氣進出溫度317～250℃

　　空氣進出溫度40～130℃

　　爐氣側(cè)壓降450Pa

　　根據(jù)酸產(chǎn)量計算空氣量26 000～27 000 m3／h回收熱量3.0×106～3.15×106 kJ／h這臺板式換熱器使用半年多來進出氣體溫度沒有什么變化，說明傳熱系數(shù)沒有下降，基本沒有塵粘附在板壁上。同時也可以說明板式換熱器器壁上沒有冷凝酸，否則，塵就會粘附在上面。從這一點分析，我們設(shè)計的板式換熱器應能長期使用，當然還要經(jīng)更長時間的考驗。

　　2.低溫位熱能利用的熱力學分析

　　硫酸生產(chǎn)過程有大量的低溫位廢熱，把這部分廢熱利用起來或部分利用起來，對于提高硫酸生產(chǎn)過程的蒸汽產(chǎn)量，從而提高發(fā)電量具有很好的經(jīng)濟效益。本文提到：利用鍋爐出口或電除塵出口爐氣熱量來預熱進沸騰爐的空氣；用干吸熱量來預熱汽輪機出來的軟水，將其預熱到100℃左右；利用轉(zhuǎn)化省煤器將鍋爐給水泵出來的104℃水預熱到170～180℃。這幾項熱能利用如果都能很好做到，可以增加蒸汽產(chǎn)量20%左右，且節(jié)省了除氧器的蒸汽，實際發(fā)電量增加值超過20%。

　　2.1預熱空氣的熱力學分析

　　設(shè)進沸騰爐的空氣為40℃，焙燒過程可做出(1-T0／T)-Q圖(見圖1)。

　　爐氣可用能為：Ex＝∫(1-T0／T)dQ式中T0———環(huán)境溫度，298K；

　　T———介質(zhì)溫度，K；

　　Q———介質(zhì)熱量，kJ／h。

　　可以用圖解積分(見圖1)，圖中：AB為爐氣的熱量，可用能為ABB3A這塊面積；AD為鍋爐出口煙氣帶走的熱量，其可用能為ADD1A這塊面積；CB段為沸騰層蒸發(fā)管移走的熱量，可用能為CBB3C1C這塊面積；曲線以上至雙點劃線這塊面積為焙燒過程可用能損失�，F(xiàn)在將空氣進行預熱，熱量為AA2，使沸騰層爐氣增加熱量為BB1，顯然AA2＝BB1。但這二者可用能差別就很大，空氣預熱后的可用能面積為AA1A2A，而因空氣預熱爐氣增加的可用能為BB1B2B3B，顯然后者大于前者很多。2.2鍋爐傳熱過程和汽包汽水混合的熱力學分析以上爐氣不是我們所能獲得的可用能，實際所能獲得的為蒸汽可用能，這里還有鍋爐傳熱過程和汽包中汽水混合的可用能損失，見圖2。

　　圖2中蒸汽可用能面積為DD2E1G1H2H1B4B1D，其中H1B4B1HH1為沸騰爐產(chǎn)生蒸汽的可用能；G1H2H1G1為過熱蒸汽和飽和蒸汽可用能之差。這里傳熱過程可用能損失為D2D1B2B4B5H1H2G1D2這塊面積；而汽包中汽水混合時熱量沒有變化，但產(chǎn)生可用能損失，其面積為DD2E1D，這里因為進汽包水為常溫水，溫度低于飽和蒸汽的溫度，混合時產(chǎn)生熵增，引起可用能的損失。

　　如果將進汽包的水進行預熱，因這部分熱量是從鍋爐以外得到的，所以熱量線可向左延伸，假定進汽包的水在鍋爐以外預熱到蒸汽的飽和溫度，那么這時汽包中就沒有可用能損失，并且增加了FD這段熱量，可用能增加了FD2DF這塊面積。通常鍋爐給水在除氧器中預熱到104℃，而現(xiàn)在利用轉(zhuǎn)化的余熱將給水預熱到170～180℃，既增加了熱量，同時減少了汽包中汽水混合的可用能損失。以上分析提高鍋爐給水溫度，是減少了汽包中蒸汽的冷凝量，從而增加蒸汽產(chǎn)量，也就減少汽包中汽水混合時的熵增，減少可用能的損失，提高鍋爐給水溫度，從而提高蒸汽產(chǎn)量的過程，并沒有增加鍋爐的蒸發(fā)量。鍋爐蒸發(fā)量是由蒸發(fā)管的面積、飽和水溫度(或飽和蒸汽溫度)和爐氣溫度決定的。因此，給水溫度高低只與汽包中汽水混合過程有關(guān)，而與蒸發(fā)管的蒸發(fā)過程無關(guān)。因此，在轉(zhuǎn)化系統(tǒng)裝省煤器，無論新舊鍋爐，其鍋爐本體的蒸發(fā)面積均不變。但因為給水溫度提高了，實際蒸汽產(chǎn)量提高了。需注意的是鍋爐給水溫度提高了，用于產(chǎn)生減溫水的冷凝器面積就需進行調(diào)整。因為原來減溫水是用104℃的水與250℃左右的飽和蒸汽進行熱交換，使飽和蒸汽冷凝成水，現(xiàn)在用170～180℃的水與飽和蒸汽進行熱交換，Δt減少了，故產(chǎn)生減溫水的冷凝器面積需增加。

　　2.3蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機械能的可用能分析

　　利用爐氣來預熱進沸騰爐的空氣，把轉(zhuǎn)化余熱用來預熱鍋爐給水，可增加中壓蒸汽產(chǎn)量20%左右。因為蒸汽產(chǎn)量增加了，除氧器消耗的蒸汽量也增加了，如果將干吸余熱來取代除氧器消耗的蒸汽，那么增加的發(fā)電量就超過20%，綜合經(jīng)濟效益更明顯。當然蒸汽的熱量不能全部作為機械能，蒸汽的有效能面積為FD2G1H2H1B4B1，減去乏汽可用能面積FMNL，兩者之差的面積表示蒸汽熱能可轉(zhuǎn)化為機械能對外做功的面積(見圖3)。

　　3.結(jié)語

　　低溫廢熱的利用是以鍋爐為中心的，其利用量受鍋爐參數(shù)的限制。預熱空氣溫度受到鍋爐出口爐氣溫度和三氧化硫露點溫度的限制；而鍋爐給水溫度受鍋爐飽和蒸汽溫度的限制，當然在硫鐵礦制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化余熱用來預熱鍋爐給水不太可能達到蒸汽飽和溫度。預熱空氣和預熱鍋爐給水這兩部分熱量均可直接增加中壓蒸汽產(chǎn)量。而干吸雖有大量低溫廢熱可供利用，但受到鍋爐綜合產(chǎn)汽量的限制，空氣預熱和鍋爐給水預熱提高了鍋爐產(chǎn)汽量，這也就增加了干吸低溫廢熱的利用量。當然，干吸廢熱利用受酸溫限制和一些技術(shù)問題需解決。總之，硫酸廢熱利用應綜合考慮，才能提高其經(jīng)濟效益。