烟气深度冷却器H型翅片选型分析

张洪涛，傅吉收，刘衍卉，谢玲，李姝姝，王杏，吴永凯

(青岛达能环保设备股份有限公司，山东 青岛 266300)

0 引言

燃煤锅炉排烟温度普遍在130℃~160℃，过高的排烟温度导致锅炉效率降低、除尘效率降低、引风机能耗增高等问题[1]。为了解决这一问题，目前电厂多采用在尾部烟道安装烟气深度冷却器的方式降低排烟温度，回收烟气余热。而H型翅片管由于其以下优点在烟气余热利用方面得到广泛的应用：①优异的防磨损性能。H型翅片把空间分成若干小的区域，对气流有均流作用。②优异的防积灰性能。H型翅片由于翅片焊接在换热管不易积灰的两侧，而气流笔直地流过，气流方向不改变，翅片不易积灰；H型翅片中间留有适当的间隙，可引导气流吹扫换热管翅片积灰，在合适的风速下，有很好的自清灰功能。③减少烟气侧阻力。H型翅片两边形成笔直的通道，可以大大减小烟气阻力[2]。根据项目运行经验可知，H型翅片管的传热性能和投资成本会随翅片的尺寸变化出现差异，因此本文针对七种不同规格的翅片进行分析研究，了解翅片规格对其换热性能和投资成本的影响，为工程上H型翅片选型提供依据。

1 传热机理

烟气深度冷却器的换热量：

式中：Q—换热量，W；

F—烟气深度冷却器总换热面积，m2；

K—综合传热系数，W/（m2·℃）。

对数平均温差：

传热系数：

式中：F1—烟气侧无肋片表面积，m2；

F2—烟气侧肋片表面积，m2；

E—肋片有效系数；

α—方形肋片顺排管束的肋片表面对流传热系数，W/（m2·℃）;

方形肋片顺排管束的肋片表面对流传热系数:

式中：Cn—沿气流方向的修正系数；

Cs—相对节距影响的修正系数；

S—翅片节距，m；

h—翅片等效高度，m；

2 模型建立

以黑龙江某一电厂烟气余热利用项目为背景建立模型。该项目中，烟气体积流量为884706Nm3/h，项目所在地常年大气压为1013.25hPa，要求锅炉尾部排烟温度由146℃降低至90℃，凝结水温度由70℃升高至110℃。现采用烟气深度冷却器回收其烟气余热，烟气深度冷却器采用H型翅片管，H型翅片具体结构如图1所示。

图1 H型翅片结构图

模型中采用外径D为38mm，厚度 为4mm的换热管，翅片厚度 为2mm。本文模型中换热的边界条件相同，由于烟气流速对烟气深度冷却器的换热系数有影响，保持烟气流速均为10m/s左右，改变翅片的规格即翅片长度和宽度来分析其对烟气深度冷却器换热性能和投资成本的影响，并选用不同导热系数的换热管材质（换热管与翅片为相同材质），研究不同导热系数的材质如何选取更经济的翅片规格。模型中翅片规格及结构参数如表1所示。

表1 结构参数表

3 数据处理及分析

模型中采用ND钢、2205不锈钢、316L不锈钢三种换热材质。ND钢（09CrCuSb）是目前国内外最理想的“耐硫酸低温露点腐蚀”用材质[3]，其导热系数约为40W/（m•℃），不锈钢导热系数约为17W/（m•℃）。

三种材质对应不同翅片规格下的烟气深度冷却器换热系数如图2所示，随着翅片尺寸的增大，ND钢和不锈钢材质烟气深度冷却器的换热系数均呈现下降的趋势[4]。究其原因：①翅片迎风面积较小，烟气流经翅片通道时，紊流程度增加，强化了对流换热效果，增强了综合换热效果。②翅片尺寸越小，热传导系数越大，烟气深度冷却器的综合换热系数会越大。③翅片通过高频电阻焊焊接在换热管上，翅片和换热管之间会有间隙，形成接触热阻，翅片尺寸越小，接触热阻越小[5]。因此，从换热性能角度考虑，应选择较小尺寸的翅片或光管，但从投资成本方面考虑，翅片的价格要低于换热管的价格，增加适当的翅片能够降低换热器的投资成本，此外H型翅片的扩展受热面要大于换热管的换热面积且易于焊接在换热管的两侧，使得换热器的整体体积变小、结构更加紧凑、易于布置。综上，H型翅片管在余热回收方面应用广泛，故实际工程中，不仅要考虑换热系数，还要考虑制作成本、加工工艺等因素，因此针对不同工况，选择合适翅片规格尤为重要[6]。

图2 不同材质不同翅片规格下的烟气深度冷却器换热系数

实际工程中可知，翅片单价＜换热管单价，且2205单价＞316L单价＞ND钢单价。以市场现阶段钢材价格为基准，不同材质对应的不同翅片规格下的烟气深度冷却器（管和翅片）投资成本如图3所示。

图3 不同材质不同翅片规格下的烟气深度冷却器（管和翅片）投资成本

由图3可知，以2模型建立中描述的模型参数为背景，三种材质烟气深度冷却器投资成本随翅片尺寸的增大呈现先降低后升高的趋势，变化过程中总会出现最低值；不同材质烟气深度冷却器的最低成本对应的翅片规格也不相同，316L的烟气深度冷却器对应最经济的翅片规格为143mm*28mm、2205材质为145mm*30mm、ND钢材质为147mm×33mm；结合翅片规格对换热性能的影响，通常情况下，导热系数高的材质选用的翅片尺寸较导热系数低的大。

4 结论

本文通过黑龙江某一电厂烟气余热利用项目为背景建立模型，分别对表1中七种翅片规格的烟气深度冷却器进行了换热性能和投资成本分析。得出以下结论：

（1）在相同换热量、传热温差、烟气流速及相同翅片与管的面积比的条件下，随着翅片尺寸的增大，不同材质的烟气深度冷却器的换热系数均呈现下降的趋势，同种导热系数的材质下降趋势基本相同。

（2）不同材质烟气深度冷却器投资成本随着翅片规格的变化均会出现最低值，通常情况下，不同材质的最低成本对应的翅片规格不相同。

（3）综合换热性能和成本考虑，通常情况下，导热系数高的材质选用的翅片尺寸较导热系数低的大，但是导热系数相同或相近的材质也会由于管和翅片的价格差异其对应的翅片规格会略有不同。