文 _ 王洪記 兗礦集團(tuán)煤化分公司

熱管式鍋爐在煙氣余熱回收中的應(yīng)用

文 _ 王洪記 兗礦集團(tuán)煤化分公司

熱管式鍋爐是一種高效率的低品位熱能回收裝置，主要用于回收煙氣余熱，副產(chǎn)低壓飽和蒸汽?；厥盏恼羝梢圆⑷胪瑝毫Φ恼羝芫W(wǎng)，補(bǔ)充化工生產(chǎn)系統(tǒng)用汽，汽量較大且熱源穩(wěn)定時(shí)也可用于發(fā)電或其它用途。兗礦煤化公司所屬生產(chǎn)企業(yè)通過對焦?fàn)t煙氣、鍋爐煙氣等低溫余熱的回收利用，取得明顯的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也減少了煙塵、CO2和SO2等大氣污染物的排放。

1 熱管式鍋爐工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 工作原理

熱管式鍋爐是一種高效率的汽—水換熱器，其核心部件是熱管。將熱管的一端加熱，另一端冷卻，中間用隔板或絕熱材料將二者分開，熱管內(nèi)部將開始兩相傳熱過程。加熱段的介質(zhì)會沸騰或蒸發(fā)，吸收汽化潛熱，由液體變?yōu)檎羝?。產(chǎn)生的蒸汽在管內(nèi)一定壓差的作用下，流動(dòng)到冷卻段，蒸汽遇到冷的壁面會凝結(jié)成液體，同時(shí)放出汽化潛熱，通過管壁傳給外面的冷源。冷凝下來的液體依靠重力來幫助凝液回流到加熱段，重新開始蒸發(fā)吸熱過程，通過管內(nèi)介質(zhì)的連續(xù)相變，完成熱量的連續(xù)轉(zhuǎn)移。

熱管式鍋爐余熱回收裝置主要由熱管、汽包、煙箱三部分組成，分為汽包內(nèi)直接沸騰式和套管內(nèi)沸騰式兩種結(jié)構(gòu)型式。汽包內(nèi)直接沸騰式，即熱管的冷卻段直接伸入汽包內(nèi)，使汽包內(nèi)的水沸騰產(chǎn)生蒸汽；套管內(nèi)沸騰式，即熱管的冷卻段被水套管包圍，使套管內(nèi)的水在流動(dòng)狀態(tài)下沸騰，所產(chǎn)生的蒸汽再匯入汽包。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

（1）傳熱性能優(yōu)越。由于熱管內(nèi)是高效相變傳熱，其相當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)是銅的幾十倍，甚至幾百倍，故有超導(dǎo)熱體之稱。

（2）通過改變介質(zhì)和管材，可用于不同溫度下的傳熱，適用于不同的應(yīng)用場合。

（3）熱管通過工質(zhì)的相變傳熱，其溫度均勻性好，抗熱沖擊性能好，易于實(shí)現(xiàn)溫度控制。

（4）熱管的加熱段和冷卻段都是管外換熱，通過合理的流速設(shè)計(jì)，設(shè)備有自清灰效果；設(shè)備箱體側(cè)均設(shè)有檢修入孔、觀察孔及吹灰孔，容易處理換熱面的積灰和腐蝕。

（5）每支熱管都是一個(gè)獨(dú)立的傳熱元件，可做成不同的形狀和結(jié)構(gòu)，可根據(jù)換熱量而增減，可單獨(dú)地進(jìn)行安裝、更換，維護(hù)簡單方便。

（6）熱管徹底隔離了熱源和冷源，可以從根本上避免含硫煙氣和水汽相接觸，不會產(chǎn)生冷熱流體的摻混。即使煙氣側(cè)熱管腐蝕泄漏，也不會使水汽和煙氣互通，水汽側(cè)仍可正常運(yùn)行，不會因該設(shè)備而使系統(tǒng)立即停車，可以在大修時(shí)進(jìn)行計(jì)劃檢修，充分保證了設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性和連續(xù)性。

2 焦?fàn)t煙氣余熱回收

兗礦煤化公司175萬t/a焦炭生產(chǎn)裝置，焦?fàn)t煙氣經(jīng)總煙道進(jìn)入煙囪后煙氣溫度一般在260℃左右，最高時(shí)約300℃，煙氣量約16.56萬Nm3/h，具有較大的余熱回收利用價(jià)值。焦?fàn)t煙氣余熱回收副產(chǎn)的蒸汽可補(bǔ)充用于化產(chǎn)脫酸蒸氨及化產(chǎn)系統(tǒng)保溫，減少原有鍋爐蒸汽用量，間接減少了鍋爐煤的使用，節(jié)能減排效果明顯。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

焦?fàn)t煙氣排放量：165600Nm3/h；煙氣進(jìn)口溫度：260℃；回收蒸汽壓力：0.8MPa；蒸汽溫度：160℃；回收蒸汽量：8.7t/h；給水溫度：除氧器出口水溫105℃；排煙溫度：≤160℃；系統(tǒng)阻力：鍋爐進(jìn)出口壓損1200Pa，鋼制煙道、地下煙道的壓力損失小于450Pa，煙囪吸力350Pa，系統(tǒng)總阻力小于2000Pa；漏風(fēng)率：〈0.1%；鍋爐熱效率：95%以上；年運(yùn)行時(shí)間：360d。

2.2 工藝流程

2.2.1 改造前焦?fàn)t煙氣流程

焦?fàn)t煤氣經(jīng)預(yù)熱后送到焦?fàn)t地下室，通過下噴管把煤氣送入燃燒室立火道底部與由廢氣交換開閉器進(jìn)入的空氣匯合燃燒。燃燒后的廢氣經(jīng)過立火道頂部跨越孔進(jìn)入下降氣流的立火道，再經(jīng)蓄熱室，由格子磚把廢氣的部分顯熱回收后，經(jīng)過小煙道、廢氣交換開閉器、分煙道、地下主煙道、煙囪排入大氣。

2.2.2 改造后工藝流程

改造后，熱管式鍋爐余熱回收系統(tǒng)由軟化水處理裝置、除氧器、除氧給水泵、鍋爐給水泵、熱管式鍋爐、軟水預(yù)熱器、汽包、上升管、下降管、外連管路和控制儀表、鍋爐引風(fēng)機(jī)等組成。改造后的工藝系統(tǒng)由煙氣工藝流程和汽水工藝流程兩部分組成。

(1)煙氣流程。在地下主煙道翻板閥前開孔，將主煙道熱煙氣從地下主煙道引出，經(jīng)余熱回收系統(tǒng)換熱降溫后，將熱煙氣降至約160℃，經(jīng)鍋爐引風(fēng)機(jī)再排入主煙道翻板閥后的地下煙道，經(jīng)煙囪排空。煙氣流程見圖1。

（2）汽水流程。外來20℃的一次水經(jīng)過軟化處理進(jìn)入軟水箱，由軟水箱經(jīng)泵打入除氧器,經(jīng)除氧器除氧后，再由給水泵補(bǔ)入預(yù)熱器，然后進(jìn)入鍋爐汽包，汽包水和蒸汽發(fā)生器內(nèi)水自然循環(huán),在汽包內(nèi)蒸汽與水分離產(chǎn)生0.8MPa飽和蒸汽。汽水系統(tǒng)流程見圖2。

圖1 余熱改造后煙氣流程圖

圖2 余熱改造后汽水系統(tǒng)流程圖

2.3 節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益

2.3.1 節(jié)能效益

改造后能源消耗：0.8MPa、20℃的脫鹽水8.7t/h；電耗400kW。

改造后能源產(chǎn)出（以汽包出口蒸汽計(jì)）：0.8MPa飽和蒸汽8.7t/h。

年回收煙氣熱量=產(chǎn)生的飽和蒸汽熱量-脫鹽水熱量=（2768.4kJ/kg-84.476 kJ/kg）×8.7t/h×1000kg/t×24h/d×360 d /a=2.02×1011kJ/a。

年回收煙氣熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤量=2.02×1011kJ/a÷29307.6kJ/kg÷1000kg/t =6892t/a。

改造后年耗電量：400kW×24h/d×360 d/a =345.6萬kWh/a。

改造后年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量=年回收煙氣熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤量-改造后年耗電量折合標(biāo)準(zhǔn)煤量=6892t/a-345.6萬kWh/a×1.229t/萬kWh=6467t/a。

在上述計(jì)算過程中，有關(guān)取值：0.8MPa、20℃脫鹽水熱焓值為84.476 kJ/kg；0.8MPa飽和蒸汽（溫度170.42℃）熱焓值為2768.4kJ/kg；電的折標(biāo)系數(shù)為1.229t/萬kWh；標(biāo)準(zhǔn)煤熱值為29307.6 kJ/kg。

2.3.2經(jīng)濟(jì)效益

該項(xiàng)目改造總投資790萬元，可取得直接經(jīng)濟(jì)效益834萬元，不到一年即可收回全部投資。

（1）直接經(jīng)濟(jì)效益

支出：脫鹽水費(fèi)用6.5元/t，電費(fèi)0.65元/kWh，人工費(fèi)18萬元/a(2人/班×3班/d)，設(shè)備維修費(fèi)2萬元/a。

收入：蒸汽150元/t，全年系統(tǒng)工作時(shí)間360×24=8640h。

改造后年效益：（8.7×8640×150-8.7×8640×6.5-400×8640×0.65）÷10000-18-2=834.02萬元。

（2）可向政府申報(bào)的節(jié)能獎(jiǎng)金

按照國家和地方政府節(jié)能獎(jiǎng)勵(lì)方面的有關(guān)激勵(lì)政策規(guī)定，企業(yè)實(shí)施節(jié)能改造項(xiàng)目，每節(jié)約1t標(biāo)準(zhǔn)煤可獲得獎(jiǎng)勵(lì)300元，則可申報(bào)節(jié)能獎(jiǎng)金：6467×300÷10000=194.01萬元。

3 鍋爐煙氣余熱回收

為回收利用鍋爐煙氣余熱，提高鍋爐效率，對2臺130t/h（1開1備）及1臺260t/h循環(huán)流化床鍋爐煙氣余熱實(shí)施回收改造。通過在鍋爐尾部增加一套熱管式鍋爐，回收的熱量用來產(chǎn)生低壓飽和蒸汽供后續(xù)系統(tǒng)使用。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

煙氣流量：130t/h鍋爐143440Nm3/h，260t/h鍋爐312700Nm3/h ；煙氣進(jìn)口溫度：150℃；回收后煙氣出口溫度：130℃；回收蒸汽壓力：0.23 MPa；飽和蒸汽流量：3.45t/h；給水溫度：100℃；蒸汽出口溫度：125℃；煙氣側(cè)壓降：790Pa；漏風(fēng)率：〈0.1%；鍋爐熱效率：95%以上；年運(yùn)行時(shí)間：330d。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

該項(xiàng)目總投資320萬元，按照蒸汽產(chǎn)量3.45t/h，蒸汽價(jià)格100 元/t，年生產(chǎn)天數(shù)330天計(jì)算，則年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益：

3.45t/h×24h/d×330d/a×100元/t＝2732400元/a。

從上述計(jì)算可知，該項(xiàng)目有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，不到兩年即可收回投資。由于鍋爐煙氣溫度限制，實(shí)施該項(xiàng)目只能生產(chǎn)低品質(zhì)蒸汽，如果企業(yè)有該類蒸汽需求，則值得考慮。

4 結(jié)語

煙囪排出的高溫?zé)煔夂写罅康幕覊m顆粒，影響大氣環(huán)境質(zhì)量。熱管式鍋爐在回收煙氣余熱生產(chǎn)蒸汽的同時(shí)，還能在一定程度上起到除塵作用。因?yàn)闊峁苁藉仩t對流煙道的截面積比原排煙道截面積大，含有灰塵顆粒的高溫?zé)煔饨?jīng)過熱管式鍋爐時(shí)，煙氣流速就會降低；同時(shí)，當(dāng)煙氣沖刷折流墻和對流管束外壁時(shí)其方向?qū)l(fā)生改變，由于煙塵質(zhì)量大于煙氣質(zhì)量，在慣性作用下煙塵不易轉(zhuǎn)換方向而沉降在煙道底部，因此大大減少了排入大氣中的灰塵顆粒含量。另外，由于余熱回收的蒸汽回用于生產(chǎn)系統(tǒng)，因此減少了燃煤鍋爐蒸汽用量，也減少了煙氣及各類煙氣污染物的排放。