燃煤锅炉烟气余热回收系统的探讨

宋宇原云飞刘晓飞秦政

（1.山西五建集团有限公司 2.山西轻工职业技术学院 3.山西金信清洁引导投资有限公司）

0 引言

目前区域供热燃煤工业锅炉最终烟气温度仍在150℃左右，烟气温度较高，且数量很大。如果直接排放到大气中，不仅浪费了大量能源，而且对空气质量有严重的污染，本文拟开发一种新型低温烟气余热回收系统，将低温烟气温度降低到60℃以下，回收大量余热。

1 燃煤工业锅炉尾部烟气余热回收系统的开发研究

本文在低温烟气余热回收系统的初步方案确定如下：烟气从燃煤工业锅炉的省煤器中排出，首先进入后面的除尘设备，大部分烟气中的粉尘可以通过除尘设备去除，将相对干净的烟气再进入热交换设备，热交换设备的材料采用耐腐蚀钢，以防止酸液的腐蚀，换热器的设计应考虑增加换热系数，减小气体的阻力，但是换热器的尺寸又不能太大，也要尽可能保证较低的运行成本，最后由烟囱排出烟道。

2 波纹形板片换热元件

波纹板是由钢板制成，经过一定的加工工艺后，传热面呈波浪形。板的内侧和外侧是传热表面，并且在板腔的内部形成了波浪形通道[1]。板中的传热介质随着板的形状而不断变化，改变了流动的速度和方向，从而可以容易地达到湍流状态，并且可以大大提高传热系数。

近年来，我国开发的耐腐蚀ND钢（09CrCuSb），是一种耐硫酸腐蚀的钢，ND钢是低合金结构钢。相比之下，CorTen、CRIA都没有ND钢所具有的耐蚀性和机械性能，实践结果表明，ND钢的最大优势是强硫酸露点耐蚀性[2]，从20℃～500℃，其力学性能ND钢相对稳定，并且焊接性能非常好[3]。

采用导热系数高的耐腐蚀ND钢波纹型板，余热回收能力强，适用于气-气换热器，设备体积小，占用空间小，适用于低温烟气。本文涉及的余热回收问题可能会导致烟气冷凝，并且烟雾中含有一定量的灰尘，如果使用波纹状板作为传热元件，既可以使气化潜热良好回收，原件表面的灰尘也不会对换热影响太大。但是由于气-气的热交换处理气体量很大，如果板的间距太小，板之间的速度太大，压降就会相应增加，风机的能量消耗会影响全套余热回收系统的经济性。

3 波纹形板片不同板间距性能的比较分析

在模拟计算软件FLUENT中设置换热条件为等壁温条件，收敛格式为二阶格式，介质为空气，湍流模型为实际的k-ε模型。在大量的模拟之后，取三个典型的波纹板间距（即两个板片之间最窄处的距离）分别为3mm、6mm、9mm，设板片的高度为1.5m，波高为3mm，波长为40mm，为了方便的进行网格划分和后续的操作，直接在前期处理软件Gambit中建模，并进行网格划分，由于模型的建立规定了板片的进出口尺寸，所以控制气体的进口速度，就可以控制气体的流量，气体的入口速度分别为15m/s、7.5m/s、5m/s，在相同的气体初始参数下，对板片的温度、压强和速度进行模拟。

温度的模拟结果分析：从结果可以看出，随着间距的增大，板片的出口温度越来越低，而且空气的入口温度相同，则换热量也逐渐减少，换热系数也在逐渐的减小。由模拟软件输出的结果得到：间距为3mm的板片进出口截面平均温差为114℃，间距为6mm的板片进出口截面平均温差为104℃，间距为9mm的板片进出口截面平均温差为69℃。经计算间距为6mm的板片比间距为3mm的板片换热量减少8.7%；间距为9mm的板片比间距为3mm的板片换热量减少39.5%，比间距为6mm的板片换热量减少33.6%；以上结果表明波纹形板片间距在由3mm逐渐增大的过程中，换热效果逐渐降低，但是在间距在6mm左右时换热量下降的并不是很大，但是当间距增大到9mm时，换热量的下降就非常明显。

压力的模拟结果分析：从结果的对比可以看出，随着板片间距的增大，气体流过板片压降越来越低，则波纹形板片之间的气流阻力也降低，由模拟软件输出的结果得到：间距为3mm的板片进出口截面平均压降为1299Pa，间距为6mm的板片进出口截面平均压降为360Pa，间距为9mm的板片进出口截面平均压降为121Pa。由此得出，间距为6mm的板片比间距为3mm板片的压力损失减少72.3%；间距为9mm的板片比间距为3mm板片的压力损失减少90.68%，比间距为6mm的板片换热量减少66.4%；以上结果表明波纹形板片间距在由3mm逐渐增大的过程中，压力损失逐渐的降低，当间距在3～6mm之间时压力损失的变化幅度高达939Pa，间距在6～9mm之间时压力损失的变化幅度为239Pa，变化的趋势相对减缓。

综合压降和出口温度的模拟结果，可以得出结论：当间距为9mm时，换热效果最差，与间距为3mm时相比换热量约下降39.5%，与间距为6mm时相比下降33.6%，由此可以看出，在间距在6～9mm之间变化时，换热量的下降幅度特别大；同时间距为6mm与3mm相比换热量下降为8.7%，说明间距在3～6mm之间变化时，换热量下降的幅度并不是很大，换热效果变化不是很明显。而间距为3mm时板片的压力损失最大，达到了1299Pa，其压力损失是间距为6mm时的3.6倍，是间距为9mm时的10.7倍，压力在3～6mm之间有非常明显的下降，虽然间距为6mm时的压降是9mm时的2.97倍，但是其数值为239Pa，下降的幅度并不是特别大；因此为了达到增加换热量和减少压降的目的，在共同考虑两方面的影响因素的前提下，选择间距为6mm的波纹形板片作为本课题的换热元件。

4 结论

通过综合比较分析，决定使用波纹形板片作为换热器的换热元件，以增强烟气的换热效果，并通过数值模拟软件FLUENT，对不同板间距的换热过程进行比较分析，结果表明当板片之间的间距为6mm时，换热效果和压降的综合效果较好。本课题只是对整个低温烟气余热回收系统的初步开发研究，换热器的整体只是在研发阶段，实际的运行情况有待进一步的验证。