栅板式换热器在余热发电中的应用 覃新川郎红方朱冬生 ( 华东理工大学机械与动力工程学院上海2 0 0 2 3 7 ) 【内容摘要】：新型栅板式换热器具有传热效率高，表面积尘可清洗等特点，与低频声波吹灰装置—起 应用于热电厂．炼钢厂低温含尘烟气的能量回收系统中，回收烟气余热进行发电，能实现极大的经济 效益．对于单机容量为2 0 0 M W 的发电机组，每年可节约成本5 0 0 万到1 0 0 0 万元，2 —3 年即可收回设 备投资． ’ 随着我国经济的快速发展和人口的不断增长，能源相对不足的矛盾日益突出环境和能源问题越 来越受到关注已经成为影响经济和社会发展的重要制约因素之一但我国在能源使用方面存在者明 显的不合理之处，一方面大闹电荒，另一方面大量工业企业中具有很大的节能潜力．随着生产工艺的 改进和新型装置的开发，利用新型节能设备已逐步受到了全社会的重视．工业中采用新型节能设备实 现废弃能量的高效回收，高效的传热单元是节能系统能否成败的关键m ；比如烟气余熟发电系统中， 当取热设备的效率较低时，其投资回收期可能长达5 年以上，不具备经济可行性．而本文介绍的栅板 式换热器具有传热效率高，表面积尘可清洗等特点，可实现低温差传热。
配备相应的吹灰装置，应用 于热电厂低温含尘烟气的余热回收，能实现显著的经济效益． 1 栅板式换热器 板式换热器作为使用最广的紧凑、高效换热器，自1 8 7 8 年由德国工程师发明以来．在美国、德 国、瑞典等工业发达国家得到充分研究和大量应用[ 2 】．为提高承压能力，出现了半焊接式、全焊接式 板式换热器．如瑞典阿尔法拉瓦尔公司等公司的板式换热器( 中国专利号Z L 9 6 1 9 8 9 7 3 ．4 等) 得到大 量应用l 为了适应换热流体流量的差异．设计了各种非对称流道的板式换燕器( 专利申请号 9 1 2 2 9 8 5 5 ．3 、Z L 9 9 2 0 1 8 5 0 ．1 、z L 2 0 0 6 2 0 0 2 9 4 2 3 ．7 、Z L 2 0 0 5 2 0 1 2 7 7 6 2 ．4 等) ，但两个流道的截面积的比 一般为1 ．5 ：l ～3 ：l ：为了便于清洗，出现了各种板管式、板片式换热器( 如Z L 0 3 2 4 6 8 3 8 ．5 ) 及其改 良型( Z L 0 0 2 2 1 2 0 5 ．6 ) ，但其传热能力相应降低2 0 ％～5 0 ％．就清洗方法而言，出现了静电除尘( 申 请号2 0 0 4 8 0 0 0 6 5 9 9 ．4 ) 、热力学方法除尘( 申请号2 0 0 5 1 0 1 0 0 3 4 1 ．7 ) 、机械方法除尘( 申请号 2 0 0 5 2 0 0 5 0 7 0 7 ．X ) ，其清洗方法大部分属于间接清洗( 不直接清洗板片表面) 或离线清洗． 但是．对于余热利用中碰到最多的腐蚀性含尘烟气而言，如以水作为换热工质，并考虑水的相 变潜热，要求两者的流速在经济的范围内，则两者流道的截面积比应在5 以上．降低介质流速可以减 小介质的抽送功率，是节能措施之一．同时降低烟气流速还是减小受热面磨损速度的重要措施．而水、 烟气与传热面的传热系数相差较大，要求烟气侧的传热面积远大于水侧．另外烟气中通常含有腐蚀性 气体( 矿物燃料燃烧一般都会产生硫的氧化物等) ，容易产生腐蚀性的酸露，对换热面产生腐蚀作用． 为避免腐蚀的发生，只能提高排气温度，使大部分可利用余热白白浪费，并对环境造成热污染：同时 由于酸嚣的形成，加剧了换热面的积尘，降低了换热面的传热系数，并使灰堵的可能性大幅增加。
因 此，研制适用于腐蚀性含尘排放气的高效换热器成为烟气余热利用的关键和当务之急棚板式换热器 能满足恶劣的工况，表面积尘可清洗等特点，实现低温余热的回收栅板换热器板片及板片表面形状 见图一． 高效可清洗组合竖栅板腔式换热器，是继模压成型板式热交换器后出现的新型板式换热设备， 板片内腔可承受高压两个板间为烟气流动的空间，可以调整问距实现清洗方便多组板竖立构成栅 板式换热器蒸汽在取热板片内腔产生，烟气在加热板片外部自由地横向流过，配合低频声波吹灰器． 可使换热器始终维持高的换热效率，这就为烟气余热的充分利用提供了基础条件 中石北而设靠会热工毒赛套·垒目化工热I 世* 由来中心靖姗年年会如盘集 图1栅扳拽热器扳片与栅扳表面形状 2 烟气余热回收换热系统技术特点 根据工业锅炉设计理论，当含尘烟气温度低于7 0 0 X ] 时．烟气中已无熔化的灰粒，碱金属氧化物 蒸汽已凝结完毕Ⅲ．此时腐蚀性古尘烟气在后续设备上的积灰多为疏松的积灰，可由各式吹灰器吹障： 含尘烟气对后续设备的磨损量与烟气速度的3 次方成正比；对后续设备的腐蚀主要是低温酸露腐蚀， 其腐蚀速度与管壁温度t ℃的关系如图2 所示为保证锅炉后续设备不发生酸露腐蚀．锅炉的排烟 温度一般不低于1 8 0 _ I ] ，实际小、中型锅炉的排烟温度为保证不发生酸露腐蚀都在2 5 0 ℃左右．大部 分成功的余热利用设备由于不能很好的解决酸露腐蚀问题．其余热利用的下限都限定为1 8 0 ℃左右( 根 据所用燃辩的不同．其值可上下泣动) Ⅲ．较好的解决上述三个问题( 磨损、积灰、酸露腐蚀) 是烟 气余热利用取鹅设备研制能否成功的关键．我们采取的技术路线如下t 图2 某动力煤舶酸露腐蚀曲线 上1 ■曩与射啪■捷壶囊 正如上述，舍尘烟气对后续设备的磨损量与烟气速度的3 次方成正比。
因此增加烟气流道截面 积，降低烟气流速是减少舍尘烟气对换热面磨损程度的主要措施，烟气流道具有大的流道截砸积正是 新型橱扳式挠热器的主要优点同时，含尘烟气在后续设备上的积灰多为琉橙的积灰．可由各式吹灰 喵性啪似唧“m嘴咻 日童E《wg《 器吹除．其中，低频声波吹灰器具有能耗低，清灰效果好等优点，因此将低频声波吹灰器与换热器设 计为一个有机整体，实现清灰，以保证本换热器在使用寿命内始终具有较高的传热效率：s 】 Z 2 礞■} 庸蚀的■蔼5 留寨 烟气通常含有腐蚀性气体( 矿物燃料燃烧～般都会产生硫的氧化物等) ，容易产生腐蚀性的酸露， 对换热面产生腐蚀作用．目前，大部分成功的余热利用设备由于不能很好的解决酸露腐蚀问题，其余 热利用的下限都限定为1 8 0 ℃左右( 根据烟气成分的不同，其值可上下波动) ，使换热器换热面各点 温度都大于图2 所示c 点温度，以避免酸露腐蚀的发生我们通过控制换热介质流量( 主要是相变段) 间接控制受热面温度，并通过分段取热的系统设计使各换热表面的温度在图2 所示的安全期内( 温度 大于C 点或在^ 点、B 点之间称为安全期温度) 的设计思想，可以有针对性的加强防腐蚀设计．图3 是理想的运用于烧结炉烟气( 烟气温度约为5 0 0 ℃) 的取热系统。
该取热系统可以大致分为三大部分： 过热段、相交段和预热段过热段负责将饱和水蒸气变为过热蒸汽，以提高蒸汽的做功能力：相变段 负责将热水变为饱和蒸汽并通过调整该段最后一级的进水量控制( 有时可能需要调整该段换热器的 级数) 使该级换热器璧面温度不低于图2 中c 点的安全温度；预热段负责将发电后接近常温的冷凝水 进行预热，并通过调整换热面积、介质流程、介质流速等保证换热面表面温度处于图2 的A 、B 两点 之间．整个换热系统为串联系统，流动方式以逆流为主．其中^ - ^ 为烟气流动方向，B - B 为换热介 质( 水) 的流动方向．各段都由多个结构基本相同( 但两流道截面积比、两侧传热面积的比不同) 的 前述高效栅板式换热器组成．为防止灰堵．可根据情况在各段和各级换热器问增设旋风除尘器．并及 时排除积尘． A 【 一 D ● t■， 《I P盟P 盟 } P n 己垒噬盟1 D n 囝’f P n 5 0 D n 印 Z 1 n lh 2n 3 I ' 1 4 I “ 1 5n 6 过勰 ( U l l l ( 拄耕々嗣蔓) 鬟蠡＆ P l P n i P n 2 P n 6 图3 分段取热系统原理图 对于上述换热系统，如果设计合理，达到了换热面温度控制的目的，则烟气的排气温度可降低 至1 1 0 - 1 2 0 “ C ．从而大幅度的提高发电厂的热效率。
考虑到换热面温度控制是一个新的设计理念，在 我们正进行的余热发电试验系统中，取消了图3 所示的预热段，利用相变温度相对稳定的特点将最 后一级换热面的温度控制在1 6 0 - 1 8 0 “ C 范围内，由于换热面温度精确可控，排烟温度可严格精确的控 制在酸露腐蚀温度( 如2 0 0 “ C ) 以上 3 结束语 中国的能源综合利用效率比发达国家低大约1 0 - 2 0 个百分点我国工业用能自1 9 9 0 年以来始终 保持在7 0 9 6 左右的水平，与国外能源消费构成相比，我国工业用能比重明显偏高目前工业窑炉余热 利用率仅在5 ％左右，到2 0 1 0 年，余热利用率要求达到1 5 9 6 左右【7 】工业余热余压发电在我国存在巨 大的市场，也是目前国家大力推行的节能措施之一结合某公司正在开展的余热发电项目，将分阶段 取热的烟气余热换热系统应用于小型余热发电系统中，代替余热发电系统中的原有的热管式换热器， 预计可以实现降低排烟温度，延长取热设备使用寿命，最大限度的利用余热资源的目的 在高耗能行业中如电力、钢铁、化工等行业，大部分由于工艺的要求产生大量的高温含尘烟气． 利用这些高温含尘烟气进行余热利用可实现节能降耗的目标．在电力行业中，对单机容量为2 0 0 唧发 电机组，采用本文所讨论的高效换热器作为空气预热器等后续余热利用设各，由于本换热器换热面实 现了温度可控，在保证烟道后续设备温度处于第一安全区条件下，根据初步计算，烟气余热的排烟温 度也可比常用的热管式换热器下降8 - 1 0 ℃，则发电机组的效率提高0 ．6 4 ‘0 ．8 ％，按连续运行一年，按 每度电o ．5 元计算，则一年多发电所创造的价值近4 8 0 ’6 0 0 万元，3 年内可以回收设备增加的投资， 可见其经济效益十分可观，节能效果显著。
参考文献 [ 1 ] 程宝华，李先瑞等．板式换热器及换热装置技术应用手册[ M ] ．北京：中国建筑工业出版社． 2 0 0 5 ． [ 2 】钱颂文等．换热器设计手册D 妇，北京：化学工业出版社，2 0 0 3 ． [ 3 ] 蔡乔方等．加热炉[ M ] ．北京：冶金工业出版社，2 0 0 7 [ 4 ] 樊泉桂等．锅炉原理[ M ] ．北京：中国电力出版社，2 0 0 4 [ 5 ] 陈国金．张云电．声波吹灰器清灰机理研究及应用[ J ] ．应用声学，2 0 0 2 ，1 2 “) ： [ 6 】一色尚次．余热回收利用系统使用手册( 上) [ M ] ．王世康等．北京：机械工业出版社，1 9 8 8 ， 3 9 4 ． [ 7 】中华人民共和国国务院新闻办公室．中国的能源状况与政策2 0 0 7 ，1 2 ． 作者简介t 覃新川，男，1 9 6 3 年1 2 月，博士，华东理工大学机械与动力工程学院副教授，1 9 9 4 ，2 0 0 7 年曾 在哈尔滨工程大学、上海交通大学工作，主要从事基础课教学和基础理论的研究工作．2 0 0 8 年1 月 调入现单位，从事能量系统热力学分析与余热回收利用方面的研究工作．是本行业的新兵，还希望得 到同行的支持和帮助． 。