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(xué)分析

發(fā)布時(shí)間：2010-1-12 瀏覽：3247

      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(gè)問(wèn)題需解決：一是防止三氧化硫的冷凝；二是煙塵對(duì)傳熱設(shè)備的影響。這2個(gè)問(wèn)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(fù)荷。2007年中明(湛江)化機(jī)工程有限公司在400 t／d硫酸裝置的鍋爐出口安裝了1臺(tái)板式換熱器用于預(yù)熱進(jìn)沸騰爐的空氣，將空氣從40℃預(yù)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(wàn)元左右(包括管道和保溫)，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)較好地解決了三氧化硫冷凝和煙塵堵塞的問(wèn)題。

　　1.用板式換熱器回收鍋爐出口爐氣熱量預(yù)熱空氣

　　1.1需注意解決的問(wèn)題

　　1)提高爐氣側(cè)壁溫，防止三氧化硫冷凝。三氧化硫露點(diǎn)，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(duì)普通鋼材的腐蝕較為嚴(yán)重，所以無(wú)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(diǎn)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(duì)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(duì)濕度按80%計(jì)算；礦的含水主要是塊礦和尾砂的區(qū)別，含水按1.0%～6%計(jì)算。由此，可計(jì)算爐氣中水蒸氣分壓為4 000～9 000 Pa，在三氧化硫露點(diǎn)圖上查得三氧化硫露點(diǎn)溫度為190～220℃。當(dāng)然在三氧化硫露點(diǎn)圖上查得的露點(diǎn)溫度只能作參考。根據(jù)有的廠低壓鍋爐使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，壓力0.8 MPa(表壓)的蒸汽溫度為175℃，管壁溫度應(yīng)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(shí)際設(shè)計(jì)“板換”時(shí)應(yīng)設(shè)法使?fàn)t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(jì)中解決。假如，爐氣進(jìn)板式換熱器的溫度為320℃，出口溫度為250℃，空氣進(jìn)口溫度為30℃。如果按正常的設(shè)計(jì)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?fàn)t氣側(cè)壁溫≥200℃。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)采用爐氣和空氣并流的方式以提高空氣進(jìn)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(jì)提高了35℃，但還是＜200℃，使用仍然不安全。所以在設(shè)計(jì)“板換”時(shí)，需使?fàn)t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(jìn)口端則有：(t-30)α＝(320-t)1.5α，得t＝204℃；在出口端，按熱平衡計(jì)算空氣溫度約為130℃，則有：(t-130)α＝(250-t)1.5α，得t＝202℃。如果實(shí)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(shuō)明，采用空氣和爐氣并流操作，以及設(shè)計(jì)“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?fàn)t氣側(cè)壁溫高于三氧化硫的露點(diǎn)溫度。

　　在特殊情況下，例如北方冬天鼓風(fēng)機(jī)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(jì)一個(gè)用低壓蒸汽加熱的空氣預(yù)熱器，先將空氣預(yù)熱到30～40℃，然后再進(jìn)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(diǎn)溫度。

　　2)防止?fàn)t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(duì)換熱器的影響。用板式換熱器可以較好地解決這一問(wèn)題，因?yàn)閹�塵氣體是自上而下流動(dòng)，塵也隨氣流而運(yùn)動(dòng)。且塵還有一個(gè)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(jì)時(shí)氣體流道還裝有加強(qiáng)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(biāo)態(tài))

　　爐氣進(jìn)出溫度317～250℃

　　空氣進(jìn)出溫度40～130℃

　　爐氣側(cè)壓降450Pa

　　根據(jù)酸產(chǎn)量計(jì)算空氣量26 000～27 000 m3／h回收熱量3.0×106～3.15×106 kJ／h這臺(tái)板式換熱器使用半年多來(lái)進(jìn)出氣體溫度沒(méi)有什么變化，說(shuō)明傳熱系數(shù)沒(méi)有下降，基本沒(méi)有塵粘附在板壁上。同時(shí)也可以說(shuō)明板式換熱器器壁上沒(méi)有冷凝酸，否則，塵就會(huì)粘附在上面。從這一點(diǎn)分析，我們?cè)O(shè)計(jì)的板式換熱器應(yīng)能長(zhǎng)期使用，當(dāng)然還要經(jīng)更長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。

　　2.低溫位熱能利用的熱力學(xué)分析

　　硫酸生產(chǎn)過(guò)程有大量的低溫位廢熱，把這部分廢熱利用起來(lái)或部分利用起來(lái)，對(duì)于提高硫酸生產(chǎn)過(guò)程的蒸汽產(chǎn)量，從而提高發(fā)電量具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。本文提到：利用鍋爐出口或電除塵出口爐氣熱量來(lái)預(yù)熱進(jìn)沸騰爐的空氣；用干吸熱量來(lái)預(yù)熱汽輪機(jī)出來(lái)的軟水，將其預(yù)熱到100℃左右；利用轉(zhuǎn)化省煤器將鍋爐給水泵出來(lái)的104℃水預(yù)熱到170～180℃。這幾項(xiàng)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(shí)際發(fā)電量增加值超過(guò)20%。

　　2.1預(yù)熱空氣的熱力學(xué)分析

　　設(shè)進(jìn)沸騰爐的空氣為40℃，焙燒過(guò)程可做出(1-T0／T)-Q圖(見(jiàn)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(jiàn)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(diǎn)劃線這塊面積為焙燒過(guò)程可用能損失�，F(xiàn)在將空氣進(jìn)行預(yù)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(yù)熱后的可用能面積為AA1A2A，而因空氣預(yù)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(guò)程和汽包汽水混合的熱力學(xué)分析以上爐氣不是我們所能獲得的可用能，實(shí)際所能獲得的為蒸汽可用能，這里還有鍋爐傳熱過(guò)程和汽包中汽水混合的可用能損失，見(jiàn)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(guò)熱蒸汽和飽和蒸汽可用能之差。這里傳熱過(guò)程可用能損失為D2D1B2B4B5H1H2G1D2這塊面積；而汽包中汽水混合時(shí)熱量沒(méi)有變化，但產(chǎn)生可用能損失，其面積為DD2E1D，這里因?yàn)檫M(jìn)汽包水為常溫水，溫度低于飽和蒸汽的溫度，混合時(shí)產(chǎn)生熵增，引起可用能的損失。

　　如果將進(jìn)汽包的水進(jìn)行預(yù)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(jìn)汽包的水在鍋爐以外預(yù)熱到蒸汽的飽和溫度，那么這時(shí)汽包中就沒(méi)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(yù)熱到104℃，而現(xiàn)在利用轉(zhuǎn)化的余熱將給水預(yù)熱到170～180℃，既增加了熱量，同時(shí)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(shí)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(guò)程，并沒(méi)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(guò)程有關(guān)，而與蒸發(fā)管的蒸發(fā)過(guò)程無(wú)關(guān)。因此，在轉(zhuǎn)化系統(tǒng)裝省煤器，無(wú)論新舊鍋爐，其鍋爐本體的蒸發(fā)面積均不變。但因?yàn)榻o水溫度提高了，實(shí)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(jìn)行調(diào)整。因?yàn)樵瓉?lái)減溫水是用104℃的水與250℃左右的飽和蒸汽進(jìn)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(jìn)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(jī)械能的可用能分析

　　利用爐氣來(lái)預(yù)熱進(jìn)沸騰爐的空氣，把轉(zhuǎn)化余熱用來(lái)預(yù)熱鍋爐給水，可增加中壓蒸汽產(chǎn)量20%左右。因?yàn)檎羝�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(lái)取代除氧器消耗的蒸汽，那么增加的發(fā)電量就超過(guò)20%，綜合經(jīng)濟(jì)效益更明顯。當(dāng)然蒸汽的熱量不能全部作為機(jī)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(jī)械能對(duì)外做功的面積(見(jiàn)圖3)。

　　3.結(jié)語(yǔ)

　　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(yù)熱空氣溫度受到鍋爐出口爐氣溫度和三氧化硫露點(diǎn)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(dāng)然在硫鐵礦制酸系統(tǒng)轉(zhuǎn)化余熱用來(lái)預(yù)熱鍋爐給水不太可能達(dá)到蒸汽飽和溫度。預(yù)熱空氣和預(yù)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(yù)熱和鍋爐給水預(yù)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(dāng)然，干吸廢熱利用受酸溫限制和一些技術(shù)問(wèn)題需解決�？傊�，硫酸廢熱利用應(yīng)綜合考慮，才能提高其經(jīng)濟(jì)效益。