天然氣鍋爐煙氣余熱回收裝置研制

劉民，蘇永琴, 李晉欣

（1.甘肅紅峰機械有限責任公司，甘肅 平涼744000；2.鐳射谷科技（深圳）股份有限公司，廣東 深圳518108）

0 引言

鍋爐排出的煙氣中，含有約8%～15%的顯熱和11%的水蒸氣潛熱，直接排放不符合綠色環保社會的發展方向。處理后的排煙溫度控制在65 ℃左右，以噴淋循環水為“換熱器”，在裝有規整填料的混合換熱塔中直接換熱，吸收煙氣中的熱能，同時洗滌煙氣，大幅度降低碳氧化物、氮氧化物等有害物質的排放，再通過換熱器向其他冷源放熱，可達成回收煙氣余熱和凈化煙氣的雙重目標。傳統鍋爐尾部煙道中通常加裝省煤器，目的是將鍋爐給水加熱，它吸收煙氣的熱量,降低了煙氣的排煙溫度,節省能源。但這是一種間接熱交換方式，熱交換時間短，吸熱能力低，排煙溫度降低不明顯，同時增加了排煙阻力，無凈化煙氣的功能。本文設計的余熱回收裝置克服了以上不足。實際運行表明：當排煙溫度低于63 ℃時，會出現酸性結露，不同地區和不同運行環境下的結露點存在差異，結露后會產生具有腐蝕性的液體，加快系統老化。所以，排煙溫度設定值要根據具體情況進行微調，通常調整范圍為（65±2）℃[1]。

1 裝置整體組成及功能

余熱回收裝置由引煙系統、煙氣與循環水直接換熱、冷源間接換熱、控制系統4部分組成，如圖1所示。引煙系統使用高溫變頻風機，根據鍋爐大火和小火兩種燃燒狀態，實時調節引風機出風量，使鍋爐排煙與換熱系統及時匹配；煙氣與循環水直接換熱以噴淋循環水為載體，煙氣依次通過填料冷卻、噴淋冷卻途徑，煙氣與循環水的直接式混合換熱，充分吸收煙氣所攜帶的熱量，并吸收煙氣中的有害氣體成分，排出的氣體為65 ℃的清潔煙氣。循環水水泵采用變頻馬達驅動,動態調整噴淋水量，保證系統高效運行；冷源間接換熱為高效板式間接換熱設備換熱，將吸收煙氣余熱所得的高溫循環水通過高效板式換熱器，使熱量轉換為可利用的熱能；基于智能遠程控制模塊、三菱PLC、GOT及自動化儀表的控制系統實現裝置的現場和遠程自動控制。

圖1 余熱回收裝置組成示意圖

2 煙氣主要參數、裝置技術指標和動力環境條件

2.1 煙氣主要參數（鍋爐廠商提供）

鍋爐額定蒸發量為2～150 t/h；天然氣消耗量：168 m3/h（大火燃燒），42 m3/h（小火燃燒）；排煙溫度/排煙量：180 ℃（大火燃燒）/3600 m3/h，160°C（小火燃燒）/750 m3/h（蒸發量2 t/h場合）。

2.2 裝置主要技術指標

熱量回收率＞80%；排煙溫度為（65±2）℃；控制方式為數字化現場控制和智能遠程控制；換熱出水溫度為60℃；排污：達到環保排放標準。

2.3 主要動力環境條件

供電：3相380 V交流電，50 Hz，10 kW；自來水：進水壓力為0.25 MPa，進水溫度＜25 ℃，水質為一般工業凈化水；塔體及管道保溫處理，表面溫度不大于45 ℃；遠離強電、強磁等干擾源。

3 機械本體設計計算與設備選型

3.1 鍋爐煙氣量計算

依據文獻[2]，引風機處的煙氣流量計算公式為

式中：Bj為燃氣消耗量，m3/h，大火對應值為168，小火對應值為42；Vpy為鍋爐內腔煙氣容積（m3/m3），根據燃氣成分配比的不同，取值有變化，長慶天然氣取值12.9；Δα為爐膛漏風系數，鍋爐為密閉式，無漏風，取0；V0為理論通入爐膛空氣量，m3/m3，2 t鍋爐對應值為9.4；θyf為當量煙氣溫度，℃，大火對應值為180，小火對應值為160。

本項目鍋爐規格為2 t,有兩種工作狀態，分別是大火燃燒狀態和小火燃燒狀態。根據上式求得大火燃燒狀態、小火燃燒狀態煙氣量分別為3596、780 m3/h，與鍋爐廠商提供的數據相吻合。

3.2 風機選型及參數

煙氣溫度為180 ℃，最大煙氣量為3600 m3/h；選用Y5-48型耐高溫小型鍋爐引風機，流量為3772～7005 m3/h；全壓為967～1426 Pa；風速為12.8～23.85 m/s；輸入功率為2.84～3.58 kW。

3.3 塔體設計計算

塔體采用中空塔與填料塔，包括循環水槽、填料空間、噴淋裝置，下部設排污口，中部設維修孔、入煙孔法蘭、循環水入口和溢流口。

3.3.1 塔徑與塔高

根據文獻[3]，洗氣塔直徑為

D=Qvt/（2826ut）。

式中：D為洗氣塔直徑，m；Qvt為工作狀態下洗氣塔處理能力，m3/h；ut為端面工況流速，一般取1.0～1.5 m/s。

則塔徑D=2022.24/2826vt=0.846～0.690m。

洗滌塔噴嘴至底部氣流分布板間圓筒段高度為

H=V/（0.785D2）。

式中：H為洗滌塔有效直線段高度，m；V為洗滌塔有效容積，m3；D為洗滌塔直徑，m。

取V=3 m3，則H=7 m。

塔內上升速度計算公式為

u= Qvt/（3600S）。

式中：u為塔內氣流上升速度，m/s;S為塔凈截面積，m2。

則，u=2022.24/（3600×0.2826）=1.988 m/s。

3.3.2 循環水槽的容量

根據文獻[3]，冷卻水量計算公式為

W=Q/Cw（t1′-t2′）。

式中：W為冷卻水量，kg/h；Q為冷卻散熱量，kJ/h；cw為水的質量熱容，Cw=4.187 kJ/（kg·℃）；t1′為供水溫度，℃。

擬定排煙溫度為65 ℃時，冷卻散熱量Q=187557.12 kJ，冷卻水量W=2232.82 kg/h。

一般循環水槽容量取2～3 min的循環水量，W1=111.6 kg，循環水槽容積V=0.1116 m3。

3.3.3 填料選擇

選擇原則：傳質效率要高，通量要大，層的壓降要低，抗污堵性能強，拆裝、檢修方便。常用填料材質有陶瓷、金屬、塑料等。本設備煙氣溫度為180 ℃，選用金屬304材質為宜。填料形式有散裝和規整，規整填料相比散堆填料來說，在理論板數和處理量相同的情況下，規整填料的處理效率更高，成本更小，但是散堆填料比規整填料更抗堵。綜合對比后認為選擇規整填料較為合理。

3.3.4 噴淋噴嘴選型計算

噴淋噴嘴選用美國噴霧系統公司（SPYaying Systems Co.）的Spiraljet噴霧噴嘴，具有結構緊湊、一體化、大流速和實心錐形的霧化特性。噴流角度為60°～170°，連接方式有螺紋型和法蘭型。

循環水量W=2232.82 kg/h，即37.214 L/min，噴射壓力擬定為0.15 MPa，宜選用型號為HHSJ 3/8的噴嘴1個，或HHSJ 1/4的噴嘴3～4個。

3.4 循環水泵選型及管道計算

循環水管道分布為水平垂直立體分布，總長度約為10 m，爬升高度3 m，管道附件有10個彎頭，5個截止閥，1個過濾器，板式換熱器1個。以上沿程壓力損失及管路附件壓力損失估算為0.1 MPa；管道出口為斯普瑞螺旋噴嘴，需要提供噴射壓力0.15 MPa；管路中重要設備為板式換熱器，板式換熱器一般允許壓降小于80 kPa。綜上循環水泵需提供33 MPa壓力。取富余系數K=1.1；循環水泵流量Gx=2232.82×1.1=2456.102 kg/h；揚程Hx=33×1.1=36.3 m。

根據公式問Q=S×V。式中：流量Q=0.00223282 m3/s；D為管道內徑，流速取V= 1m/s，S=πD2/4，求得D=28 mm。選取管徑為DN32。

3.5 板換選型計算

根據文獻[4]，換熱面積等于總熱負荷除以傳熱系數和平均對數溫差值。公式為：

Q=K·A·ΔTm。

式中，ΔTm為對數平均溫差。當ΔT1/ΔT2＞1.7時，ΔTm=（ΔT1-ΔT2）/㏑（ΔT1/ΔT2）；ΔT1/ΔT2≤1.7 時，ΔTm=（ΔT1+ΔT2）/2。

兩種流體在熱交換器中傳熱過程溫差的積分的平均值：

ΔT1=t1-t2=35；

ΔT2=t2′-t1′=40。

式中：t1為熱流進口溫度，取90 ℃；t2為熱流出口溫度，取60 ℃；t1′為冷流進口溫度，取20 ℃；t2′為冷流出口溫度，取60 ℃。

ΔT1/ΔT2=0.875≤1.7；

ΔTm=（ΔT1+ΔT2）/2 =75/2=37.5。

K為傳熱系數，一般為2000～3000，計算公式為

K=1/(1/h1+δ/λ+1/h2) 。

總熱載荷Q=52kW·h；板換選用換熱面積為5 m2。

3.6 脫水器

為了不讓排出的氣體夾帶滴液，需要在塔體頂部排氣口加裝脫水器，脫水器的作用是捕獲10 μm以下的微細水霧。根據脫水工作原理和方式的不同，可分重力式、擋板式、離心式和網格式等4種脫水器。

選用網格脫水器(阻力流速圖見圖2)。

圖2 潤濕網格脫水器的阻力與氣流速度曲線圖

4 電控系統設計與器件選用

4.1 概述

系統的設計目標是將天然氣鍋爐煙氣的熱量通過循環水直接冷凝，收集其熱量，再經過板換產出熱水(約60℃)，供給用戶，同時凈化煙氣。首套裝置實現2 t天然氣鍋爐煙氣余熱回收。

煙氣引風機馬達采用變頻器驅動，控制對象是處理后的清潔煙氣的排口溫度，用第一組PID調節實現。保證鍋爐產生的煙氣幾乎全部進入余熱回收裝置，不干擾燃燒器正常運行，也不可以吸入室外空氣。

鍋爐有大火和小火兩種燃燒工作狀態，煙氣引風機控制單元要實時辨識，保證兩種燃燒狀態所排煙氣與引風量匹配。

煙氣與循環水直接換熱，循環水泵馬達也采用變頻器驅動，控制對象是循環水的溫度，用第二組PID調節實現。使循環水溫度恒定。

安全連鎖出現鍋爐故障、循環水位降至下限、變頻器過載、電動機過負荷、冷水失壓時，引風機和循環水泵均自動停止工作。

4.2 控制系統硬件結構

控制系統硬件結構如圖3所示。

4.3 控制系統框圖

控制系統框圖如圖4所示。

4.4 軟件模塊劃分

圖3 硬件結構圖

圖4 控制系統框圖

圖5 軟件模塊劃分

如圖5所示，上層模塊針對HMI操作，主要完成參數設定、運行狀態、報警和數據表格顯示、急停、密碼修改。下層模塊的功能是：接收溫度反饋值（PV）和安全連鎖信號，傳送給CPU，并與設定值（SV）比較，經邏輯判斷和數據計算處理，輸出各操作值（MV），自動控制引風機和循環水泵轉速，達成清潔煙氣溫度、循環水溫度恒定的目標。重點模塊簡述如下：1）連鎖保護模塊。設置硬件和軟件雙重安全連鎖裝置，保證液位下限時循環泵自動停機，并且不能啟動，變頻器、電動機過載不能啟動。2)溫度采集模塊。清潔煙氣溫度、循環水溫度檢測使用鉑電極(Pt100)測量溫度，采用三線制接法。信號通過PLC的FX3U-4AD-PT-ADP四Pt100輸入模塊采樣到PLC中。

用兩臺變頻器（功率分別為5.5 kW和1.5 kW）分別驅動引風機電動機和循環水泵電動機，當電動機過載時，電動機啟動信號無效。

5 結語

天然氣鍋爐煙氣余熱回收裝置是將傳統燃氣鍋爐排出的高溫且含有有害物質的煙氣，經離心風機吸入混合換熱塔，一方面，采用直接換熱的形式吸收煙氣中的熱能，再通過循環水泵及換熱器將熱量供給用戶；另一方面，洗滌煙氣，大幅度降低碳化物、氮化物等有害物質的排放。達到了回收煙氣余熱和凈化煙氣的雙重目的。從研發試制到推向市場總體上經歷了幾個階段：1）試驗設計階段，通過煙氣總量、風機選型、塔體設計、循環水泵及管道等設計計算，對回收凈化裝置進行了系統的設計；2）校核階段，將實際數據與計算數據對比修正形成一套具體的通用型設計方法；3）量產階段，按照不同工況需求，設計制造出不同的產品供客戶使用。